一種數(shù)字頻率計電路設(shè)計系統(tǒng)的方案研究

李享

【摘 要】本文主要設(shè)計一種具有對頻率信號進行測試的數(shù)字頻率計，在數(shù)字頻率計的單元電路設(shè)計中主要包括整形電路、計數(shù)電路、顯示電路等當(dāng)面的設(shè)計，上述電路的設(shè)計實現(xiàn)精確完美時能夠更好的保證頻率計的正常使用。

【關(guān)鍵詞】測頻；頻率計；電路設(shè)計

1.相關(guān)理論概述

數(shù)字頻率計采用數(shù)字電路制作成以十進制碼來現(xiàn)實被測信號頻率，對于周期性變化的信號頻率能夠?qū)崿F(xiàn)有效的測量的一種儀器。它是教學(xué)、科研等工作中的基礎(chǔ)測量儀器，在模擬電路和數(shù)字電路實驗中有著重要的作用，其能夠直接讀出信號源所產(chǎn)生的不同頻率范圍的信號將會對實驗產(chǎn)生很大的影響。頻率計主要用在正弦波、矩形波等周期性信號頻率值的測量等，它的拓展功能能夠?qū)崿F(xiàn)對信號周期及其脈沖寬度的測量，引起對信號源的接受敏捷度使得其稱為試驗箱中的重要組成部分。

信號頻率測量方法按照工作原理可以分為無源測量、比較測量、示波測量及技術(shù)等測量方法。其中最常見的測量方法是電子計數(shù)器，在該種技術(shù)下，頻率計實現(xiàn)單位時間內(nèi)被測信號脈沖數(shù)的直接計數(shù)，并將其頻率值以數(shù)字的形式顯示。實現(xiàn)了對不同頻率、精確度的測頻需求，保障了測量結(jié)果的精確度和速度。

2.整形電路的設(shè)計

整形電路就像把模擬的信號轉(zhuǎn)換成為二值信號，也就是使其成為只有高電平和低電平的離散信號。在電路設(shè)計時我們可以將電壓比較器用作模擬電路及數(shù)字電路的接口電路，通過其把非矩形信號轉(zhuǎn)換成矩形信號。在選擇比較器時，我們要充分考慮影響信號接收和轉(zhuǎn)換功能的各種因素。下圖為其整體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖：

首先，是信號傳播可能存在的延遲及時時間。信號傳播的延遲時間是比較器選擇時所要考慮的重要參數(shù)，這種時間的延遲有當(dāng)信號通過元器件時所產(chǎn)生的傳輸時間上的延遲和信號上升及下降的時間延遲，只有將延遲的時間降低到最小才能有效的縮短信號處理的時間。

其次，要充分考慮電源電壓對比較器的影響。就傳統(tǒng)而言，比較器一般需要正負 15 伏的雙電源來進行供電或者需要達到36 伏的單電源進行供電，這種傳統(tǒng)的比較器在一些工業(yè)控制中仍有使用的空間和發(fā)展前途但以不適應(yīng)發(fā)展的主流?，F(xiàn)在多數(shù)的比較器需要在限定的電壓條件下進行工作，即在電池電壓所能夠運行的單電源單位內(nèi)進行工作，因此對其提出了低電流和小封裝等當(dāng)面的要求，并且在實際的應(yīng)用中比較器還應(yīng)該具備一定的關(guān)斷的功能。當(dāng)具備上述條件是，比較器才能夠在試驗箱中得到有效的利用，保證頻率計在不同電源電壓條件下的正常工作。

再次，充分考慮功耗對比機器的影響。功耗的大小直接影響比較器使用壽命和工作效果，功耗越低時其比較器的耗損相對較低，使用使用壽命得到延長，然而功耗由于器件的運作速度相關(guān)，功耗降低的同時可能帶來運作速度的降低，因此，在比較器選擇時，充分考慮功耗與元器件壽命及其運作速度的關(guān)系，尋得一種最優(yōu)組合。

最后，不可忽視門限電壓對比較器的影響。外圍器件的設(shè)置可以用來實現(xiàn)對門限電大的測量，門限電壓的大小與電路抗干擾能力呈現(xiàn)一種正比例的關(guān)系但與其敏感度成反比例關(guān)系。當(dāng)我們通過對門限電壓的測量并通過一定的公式計算，根據(jù)實際工作的需要來確定門限電壓的具體值。

當(dāng)我們充分考慮上述影響因素時，便會有針對性的選擇相應(yīng)的新品用于單元電路的設(shè)計，從而實現(xiàn)信號在電路中的順利傳輸，避免芯片燒壞等現(xiàn)象的發(fā)生。

3.計數(shù)電路的設(shè)計

實現(xiàn)對信號的整形后我們便要關(guān)注一些低頻信號由于其上升速度等原因可能產(chǎn)生的計數(shù)影響，因此在電路設(shè)計時應(yīng)該根據(jù)信號的特點來完善計數(shù)電路的設(shè)計。低頻信號上升緩慢或者高頻信號疊加于其中時會使得計數(shù)電路將該種抖動作為輸入脈沖予以計數(shù)，從而產(chǎn)生計數(shù)上的誤差。避免該種現(xiàn)象的發(fā)生，我們可以通過低通濾波器的使用來處理低頻信號傳輸中可能產(chǎn)生的抖動，并經(jīng)過濾波器濾除疊加的高頻信號。而反相器的使用可以實現(xiàn)在濾波前把高頻信號和低頻信號予以分開，即僅使低頻信號經(jīng)過反相器實現(xiàn)濾波得到比較規(guī)則的矩形信號而高頻信號則不經(jīng)過該過程。經(jīng)濾波后的矩形信號輸入到單片機中，在單片機選擇時，低電壓、高性能是我們考慮的重要方面，同時還要選擇體積較小功能相對較強的單片器，實現(xiàn)迅速有效的技術(shù)。單片機計數(shù)器的精確度和終端結(jié)構(gòu)的類型都會影響計數(shù)結(jié)果，通過精密比較器的植入和振蕩器電路的設(shè)置，實現(xiàn)頻率計的精度和存儲等方面的要求。在單片機選擇時還應(yīng)該考慮技術(shù)進步革新對于存儲器程序的選擇和更新的可能，并且考慮單片機大小對于整個電路系統(tǒng)的影響，保證程序?qū)懭氲谋憷浴Ｏ聢D為其計數(shù)模塊設(shè)計圖：

此外，對于計數(shù)電路的設(shè)計還要考慮信號頻率高低的不同對計數(shù)器可能產(chǎn)生的影響，實現(xiàn)單片機對不同信號頻率進行分頻處理。經(jīng)過整形后的信號進入選定規(guī)格的反相器后，對不同頻級的信號進行分級處理，單片機頻率自動分辨處理能力的選擇能夠有效的降低一些頻級信號的分辨和處理，保證計數(shù)器工作的效率和速度。同時計數(shù)器的顯示值的大小根據(jù)信號的頻值進行實現(xiàn)隨機變動，實現(xiàn)對不分頻信號、高頻機低頻信號的有效計數(shù)。

4.顯示電路的設(shè)計

顯示電路是數(shù)字頻率計電路設(shè)計的重要組成部分，它負責(zé)將整形電路及計數(shù)電路處理的數(shù)據(jù)顯示出來。在該電路設(shè)計時我們要考慮的因素便是顯示材料的選擇及數(shù)據(jù)顯示的方式。LED 數(shù)碼管的類型會對數(shù)據(jù)的現(xiàn)實產(chǎn)生一定的影響，而該種材質(zhì)的數(shù)據(jù)顯示方式又分為動態(tài)和靜態(tài)兩種。就兩種現(xiàn)實方式的優(yōu)缺點而言，靜態(tài)現(xiàn)實具備較高的亮度，為我們及時準(zhǔn)確的讀取數(shù)值提供了視覺便利，且其接口編程相對容易，但是該種顯示方式會占用較多的口線，顯示的位數(shù)直接關(guān)系到鎖存器的數(shù)量，這直接帶來所用器件數(shù)量繁多和連線的龐雜 ；而動態(tài)顯示相交而言能夠避免上述一些缺點。在動態(tài)顯示使用時，先確定未選實現(xiàn)選定未選的段碼的顯示，經(jīng)過一定的延時再實現(xiàn)對下一選定為送段碼顯示，并依此循環(huán)。下圖為其顯示模塊圖：

其具體的工作流程可以解釋為，單片機中不同的構(gòu)建作為譯碼器實現(xiàn)信號的輸入，由譯碼器的輸出來確定數(shù)碼管的選擇位。將每個數(shù)碼管的公共端與一個接有高電平的 PNP 三極管的集電極相連，同時將三極管的基極和譯碼器的輸出端相連接，這樣可以通過對軟件編程來設(shè)置單片機中的不用位置構(gòu)建，從而設(shè)計譯碼器的輸入端，其輸出端設(shè)為低電平且只設(shè)一位，從而使與其連接的三界關(guān)處于一種飽和的狀態(tài)，實現(xiàn)對計數(shù)器數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示。實現(xiàn)顯示器電路中各元件的有機連接后，還要注重送段碼的相關(guān)問題，使得相應(yīng)位數(shù)的送段碼可以通過一定串行口在數(shù)碼管上進行顯示。

5.結(jié)束語

除上述電路設(shè)計外，電子頻率計的設(shè)計還要注重電源、濾波等電路的設(shè)計，只有將各種影響其工作的單元電路的設(shè)計不斷的精細化和完善時，才能有效的保證其工作的效率和在實驗和工業(yè)中的使用效果。

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