簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

廖穎民

摘 要 本數(shù)字頻率計(jì)采用小規(guī)模邏輯芯片，4位數(shù)碼管顯示的設(shè)計(jì)。文中對(duì)數(shù)字頻率計(jì)相關(guān)部分電路的工作原理、設(shè)計(jì)方法及實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行解析。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字頻率計(jì) 時(shí)基電路 閘門電路 邏輯控制電路 計(jì)數(shù)器電路 鎖存譯碼電路

數(shù)字頻率計(jì)是用來(lái)測(cè)量頻率與周期，并進(jìn)行計(jì)數(shù)、測(cè)時(shí)的重要儀器，在使用上較示波器經(jīng)濟(jì)、便利，現(xiàn)已在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在產(chǎn)品的研發(fā)、實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)過程中，許多情況下并不需要購(gòu)置貴重的專用測(cè)頻計(jì)數(shù)器，而可靈活采用自行設(shè)計(jì)的測(cè)頻計(jì)數(shù)電路，這不僅方便工作需要、還可降低成本。本文論述采用小規(guī)模集成塊設(shè)計(jì)數(shù)字頻率計(jì)的方法及相應(yīng)電路，對(duì)于電子產(chǎn)品開發(fā)、測(cè)試人員具有參考及應(yīng)用價(jià)值。

1 數(shù)字頻率計(jì)測(cè)頻的基本原理

頻率的定義就是周期性信號(hào)在單位時(shí)間（1s）內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定時(shí)間間隔t內(nèi)測(cè)得這個(gè)周期性信號(hào)重復(fù)變化的次數(shù)為n，則其頻率可表示為：f=n/t。本數(shù)字頻率計(jì)的工作原理為：被測(cè)信號(hào)經(jīng)放大整形電路轉(zhuǎn)換成計(jì)數(shù)器所要求的脈沖信號(hào)，其頻率與被測(cè)信號(hào)相同。時(shí)基電路提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)T，其高電平持續(xù)時(shí)間=1s，當(dāng)1s信號(hào)到來(lái)時(shí)，閘門開通，被測(cè)脈沖信號(hào)通過閘門，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。直到1s信號(hào)結(jié)束時(shí)閘門關(guān)閉、停止計(jì)數(shù)，同時(shí)保持原有的狀態(tài)不變。若在閘門時(shí)間1s內(nèi)計(jì)數(shù)器記得的脈沖個(gè)數(shù)為N，則被測(cè)信號(hào)頻率=NHz。邏輯控制電路的作用有二：

（1）產(chǎn)生鎖存脈沖，使顯示器上的數(shù)字穩(wěn)定顯示；

（2）產(chǎn)生清零脈沖，使計(jì)數(shù)器每次的測(cè)量從0開始計(jì)數(shù)。

2 基本電路設(shè)計(jì)

本數(shù)字頻率計(jì)由放大整形電路、時(shí)基電路、閘門電路、邏輯控制電路、分頻器電路、數(shù)據(jù)選擇電路、進(jìn)位采集電路、計(jì)數(shù)器電路、鎖存譯碼電路、顯示電路組成，鑒于篇幅本文對(duì)設(shè)計(jì)中的主要電路進(jìn)行介紹。

2.1 放大、整形電路

某些輸入信號(hào)的電壓較小，為使輸入的信號(hào)更易于測(cè)量，使用晶體管放大器組成放大電路對(duì)輸入的周期信號(hào)（正弦波、三角波等）進(jìn)行放大。本設(shè)計(jì)采用9014組成的放大電路對(duì)波形進(jìn)行放大。

輸入的待測(cè)周期信號(hào)未必是脈沖信號(hào)，因此必須對(duì)輸入端的信號(hào)進(jìn)行整形，將其轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)器要求的脈沖信號(hào)。設(shè)計(jì)中采用的是由555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器對(duì)波形進(jìn)行整形。其工作原理為：當(dāng)輸入信號(hào)電壓逐步升高時(shí)，>施密特上的，內(nèi)部觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)；當(dāng)逐步下降到<，電路會(huì)再次發(fā)生翻轉(zhuǎn)。施密特觸發(fā)器不僅可將緩變的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為邊沿陡峭的矩形波，同時(shí)在輸入信號(hào)的上升過程中，輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電平，與輸入信號(hào)下降過程中輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電平數(shù)值是不同的，亦即存在所謂的“回差”。利用“回差”可以排除干擾的影響，得到正確的波形。

2.2 時(shí)基電路

時(shí)基電路用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間信號(hào)以控制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。它可由定時(shí)器555構(gòu)成的多諧振蕩器、晶體振蕩器等產(chǎn)生。由于時(shí)鐘信號(hào)是控制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)，其精度在很大程度上決定了頻率計(jì)的測(cè)量精度。因而要求方波的寬度準(zhǔn)確且穩(wěn)定。由定時(shí)器555構(gòu)成的多諧振蕩器精度不高且難以調(diào)節(jié)，故本設(shè)計(jì)采用晶體振蕩器經(jīng)分頻獲得。設(shè)計(jì)中時(shí)鐘電路采用32.768kHz石英晶體和14級(jí)分頻器CD4060構(gòu)成晶體振蕩器。CD4060內(nèi)含有14級(jí)的二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器，可進(jìn)行分頻，32.768kHz諧振頻率經(jīng)內(nèi)部14級(jí)計(jì)數(shù)器=16384分頻后在CD4060輸出端可輸出2Hz脈沖信號(hào)，產(chǎn)生脈沖寬度為1s的方波f=1/T=1/（1+1）=0.5Hz。所以2Hz的信號(hào)經(jīng)兩級(jí)D觸發(fā)器構(gòu)成的四分頻可獲得高電平為1s的脈沖信號(hào)。D觸發(fā)器可由74LS74構(gòu)成。要注意在電路中CD4060的清零端必須接地，否則計(jì)數(shù)器清零、同時(shí)振蕩器停振。

2.3 閘門電路

閘門電路用來(lái)控制計(jì)數(shù)時(shí)間，由一個(gè)與非門構(gòu)成。與非門的一端由時(shí)基電路提供的秒脈沖輸入，另一端由待測(cè)信號(hào)整形后輸入。電路的工作原理為：時(shí)基電路提供的秒脈沖作為門控信號(hào)，當(dāng)門控信號(hào)為高電平時(shí)，閘門開通，整形后的脈沖信號(hào)經(jīng)過閘門進(jìn)入分頻電路；當(dāng)門控信號(hào)為低電平時(shí)，閘門關(guān)閉，禁止脈沖信號(hào)通過。這樣通過閘門的通斷就可記錄1s內(nèi)經(jīng)過的脈沖次數(shù)N。

2.4 邏輯控制電路

時(shí)基信號(hào)結(jié)束時(shí)產(chǎn)生一個(gè)正跳變以產(chǎn)生鎖存信號(hào)、觸發(fā)鎖存器，鎖存后才能對(duì)計(jì)數(shù)器清零，使計(jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)完畢后更新鎖存信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用CD4511，其為上升沿鎖存、維持高電平，因而用正跳變的非端接CD4511的⑤腳。鎖存和清零的間隔要充分小，否則會(huì)對(duì)準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響。所以鎖存信號(hào)的負(fù)跳變又用來(lái)產(chǎn)生清零信號(hào)?；诖耍瑢?duì)鎖存集成須采用邊沿觸發(fā)式，且計(jì)數(shù)器與鎖存同步工作，既都在時(shí)鐘的上升沿觸發(fā)工作脈沖信號(hào)。74LS123可完成該部分功能，其脈沖寬度由電路的時(shí)間常數(shù)決定，但為保證系統(tǒng)正常工作，單穩(wěn)電路產(chǎn)生的脈沖寬度不能大于該量程分頻器輸出信號(hào)的周期。

2.5 計(jì)數(shù)器電路

計(jì)數(shù)器對(duì)經(jīng)整形（分頻）后的待測(cè)信號(hào)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)完畢后送入鎖存譯碼電路，并在顯示器上顯示。電路采用4位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)而成，十進(jìn)制計(jì)數(shù)器使用74LS90，其中計(jì)數(shù)器的清零由清零脈沖加手動(dòng)復(fù)位開關(guān)實(shí)現(xiàn)。

2.6 鎖存譯碼電路

鎖存譯碼電路由鎖存器和譯碼器構(gòu)成，本設(shè)計(jì)采用CD4511來(lái)實(shí)現(xiàn)。CD4511具有鎖存、譯碼和和驅(qū)動(dòng)功能，可直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。若計(jì)數(shù)器輸出直接接譯碼顯示，則在閘門信號(hào)為高電平期間、頻率的顯示將會(huì)隨著計(jì)數(shù)值的增加而不斷變化。為防止該現(xiàn)象產(chǎn)生，須在計(jì)數(shù)和顯示之間加入鎖存。只有當(dāng)計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)后（閘門信號(hào)由高電平變低電平后），才將計(jì)數(shù)值鎖存并輸出譯碼顯示，鎖存信號(hào)由邏輯控制電路提供。因CD4511為上升沿鎖存，低電平導(dǎo)通、高電平保持，因而CD4511的鎖存端⑤腳接鎖存信號(hào)的非端，即74LS123的④腳。這樣在跳變的瞬間，鎖存器導(dǎo)通，計(jì)數(shù)器的數(shù)值輸入鎖存器鎖存、并對(duì)計(jì)數(shù)器清零。為防止顯示時(shí)出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，鎖存信號(hào)的周期必須大于人眼的視覺滯留時(shí)間。

3 設(shè)計(jì)總結(jié)

本簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)由多個(gè)子電路組成，為保證電路達(dá)到設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)度，電路制作過程中要注意對(duì)元器件兼容性的檢查，電路制作完成后還應(yīng)使用示波器等儀器對(duì)其進(jìn)行必要的檢查調(diào)試。

參考文獻(xiàn)

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