一種10MHz數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)電路與工作原理

歐小東

（郴州綜合職業(yè)中專學(xué)校 湖南省郴州市 423000）

頻率是電工、電子課程中最重要的基本參量之一，數(shù)字頻率計(jì)是電子測(cè)量與儀表中最基礎(chǔ)的一種測(cè)量并顯示單位時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)的數(shù)字儀表，由于其使用十進(jìn)制數(shù)顯示，測(cè)量迅速，顯示直觀，所以是計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可或缺的測(cè)量?jī)x器。頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方案很多，或基于數(shù)字電路，或基于單片機(jī)系統(tǒng)。本文公開的是一種基于數(shù)字電路來設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)。

1 數(shù)字頻率計(jì)的脈沖計(jì)數(shù)原理

數(shù)字頻率計(jì)脈沖個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)原理方框圖[1]如圖1 所示。

工作原理：測(cè)量前先將計(jì)數(shù)器復(fù)位（清零），然后將待測(cè)脈沖和t2-t1=1s 的闡門脈沖一起加到電控與門（闡門）。在t2～t1期間，闡門開通并輸出被測(cè)信號(hào)脈沖，此脈沖送至計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值就是t2～t1期間被測(cè)脈沖個(gè)數(shù)N。根據(jù)頻率和周期的定義可知，待測(cè)脈沖頻率和周期分別為：

闡門脈沖產(chǎn)生電路作為信號(hào)源，提供基準(zhǔn)。實(shí)際上，闡門脈沖發(fā)生器是一個(gè)能對(duì)晶體諧振器產(chǎn)生的高頻信號(hào)實(shí)施整形，并經(jīng)多次分頻形成基準(zhǔn)秒脈沖的電路。該信號(hào)與待測(cè)脈沖一同進(jìn)入闡門，只有在脈沖存在期間的那一部分，才能通過闡門，這就鎖定了1s 的待測(cè)脈沖數(shù)。最后經(jīng)過計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路的作用顯示出頻率數(shù)。

2 10MHz數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)電路

電路方框如圖2 所示。整個(gè)電路的組成按功能可分為電源電路、振蕩與14 級(jí)分頻器、闡門，鎖存控制信號(hào)產(chǎn)生電路，被測(cè)信號(hào)放大與整形電路，闡門與計(jì)數(shù)器復(fù)位信號(hào)產(chǎn)生電路，1M 進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路，計(jì)數(shù)狀態(tài)鎖存電路，BCD 譯碼、驅(qū)動(dòng)與顯示電路。

3 10MHz數(shù)字頻率計(jì)電路工作原理簡(jiǎn)析

10MHz 數(shù)字頻率計(jì)電路設(shè)計(jì)如圖3 所示。

3.1 電源電路

包括變壓、整流、濾波和三端集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的穩(wěn)壓電路。

3.2 振蕩與14級(jí)分頻器電路[2]

包括CD4060 及其外圍元件。振蕩頻率為32768Hz，輸出2Hz信號(hào)和2048Hz 的自檢信號(hào)。

3.3 闡門、鎖存控制信號(hào)產(chǎn)生電路

雙上升沿D 觸發(fā)器CD4013 通過級(jí)聯(lián)，接成四分頻器，2Q 端和端分別輸出闡門控制信號(hào)和計(jì)數(shù)狀態(tài)鎖存控制信號(hào)，如圖4 所示。

3.4 長(zhǎng)期鎖存功能的作用與原理

圖1：脈沖計(jì)數(shù)原理方框圖

圖2：10MHz 數(shù)字頻率計(jì)電路設(shè)計(jì)方框圖

鎖存器每次數(shù)據(jù)刷新時(shí)間間隔為2s，時(shí)間較短，當(dāng)來不及從容讀取數(shù)碼管顯示的頻率數(shù)據(jù)時(shí)，可使用長(zhǎng)期鎖存功能。閉合長(zhǎng)期鎖存開關(guān)S3后，無論鎖存控制信號(hào)是否變化，1M 進(jìn)制計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)是否變化，由于鎖存器的時(shí)鐘輸入端維持高電平不變，所以鎖存器之前鎖存的頻率數(shù)據(jù)以及數(shù)碼管的顯示均保持不變，達(dá)到長(zhǎng)期鎖存從容不迫讀取數(shù)據(jù)的目的。數(shù)據(jù)讀取完畢，斷開S3后，頻率計(jì)才能重新恢復(fù)工作狀態(tài)。VD5、R6與VD6起隔離作用，對(duì)鎖存控制信號(hào)與長(zhǎng)期鎖存高電平進(jìn)行隔離，避免二者相互影響，C3為消顫電容，防止S3閉合/斷開瞬間的開關(guān)“抖動(dòng)”引起鎖存器誤觸發(fā)。

3.5 被測(cè)信號(hào)放大與整形電路

μA741 和74HC14 分別完成被測(cè)信號(hào)放大與整形[3]，將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為可計(jì)數(shù)的脈沖信號(hào)。

3.6 量程選擇與十分頻電路

被測(cè)信號(hào)經(jīng)整形變換送入闡門之前，須經(jīng)過量程開關(guān)S2進(jìn)行量程選擇：如果頻率在1MHz 以內(nèi)，S2選擇×1 擋，數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)即為被測(cè)信號(hào)的頻率；如果頻率在1MHz 以上，S2選擇×10 擋，送入闡門為經(jīng)分頻電路十分頻后的脈沖信號(hào)，所以，被測(cè)信號(hào)的實(shí)際頻率為顯示頻率的10 倍，即量程擴(kuò)展了10 倍。

3.7 開闡選通與計(jì)數(shù)器復(fù)位信號(hào)產(chǎn)生電路

CC4081 內(nèi)部（1A、1B、1Y）與門完成對(duì)被測(cè)信號(hào)/自檢信號(hào)的開闡選通控制；CC4081 內(nèi)部（2A、2B、2Y 和3A、3B、3Y）與門產(chǎn)生計(jì)數(shù)器復(fù)位信號(hào)（脈寬0.25s 的正脈沖，由3Y 端輸出），在每次開闡前0.5s 對(duì)1M 進(jìn)制計(jì)數(shù)器清零，以確保每次開闡都是從0 開始計(jì)數(shù)。

圖3：10MHz 數(shù)字頻率計(jì)電路設(shè)計(jì)圖

圖4：闡門、鎖存、計(jì)數(shù)器復(fù)位信號(hào)波形圖

3.8 1M進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路

三片74HC4518 分別構(gòu)成一百進(jìn)制計(jì)數(shù)器[4]，級(jí)聯(lián)后總模長(zhǎng)為1M，采用異步進(jìn)位方式。當(dāng)?shù)臀?4HC4518 的狀態(tài)由99 →00 瞬間，74LS20 輸出一個(gè)正跳變，使高位74HC4518 計(jì)數(shù)器的模加1。

3.9 計(jì)數(shù)狀態(tài)鎖存電路

由三片八上升沿D 觸發(fā)器74HC374 組成。當(dāng)闡門關(guān)閉的瞬間，鎖存信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)正跳變，74HC374 利用此正跳變，將1M 進(jìn)制計(jì)數(shù)器的狀態(tài)讀取并可靠鎖存。

3.10 BCD譯碼、驅(qū)動(dòng)與顯示電路

由六片74LS4511、六塊LED 顯示器共同構(gòu)成，其工作原理此處不再贅述。

4 結(jié)論

綜上分析可知，本文公開的10MHz 數(shù)字頻率計(jì)電路設(shè)計(jì)電路具有設(shè)計(jì)巧妙、性能完善、可靠性高、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，適合在本、?？圃盒５臄?shù)字電路教學(xué)實(shí)踐中推廣和應(yīng)用。