數(shù)字頻率計電路設計與分析

蘇州大學 王偉明

一、問題的提出

在電子信息領域，僅僅電壓、電流和電阻的測量已遠遠不能滿足其飛速發(fā)展的要求，所謂一塊萬用表在手可走偏天下的時代也已一去不復返。目前信號頻率、電磁輻射、有害氣體等等的測量要求非常廣泛。價格低廉、簡單實用的檢測設備是普通電子愛好者需求的目標之一。

本文利用價格低廉的集成電路CD4541、4528、4093、4026設計制作一款數(shù)字頻率計，并對具體電路進行分析。

二、電路功能

頻率是指在1S時間內(nèi)周期信號變化的次數(shù)，單位為Hz，用f來表示，周期用T來表示，他們的關系為：

當信號每秒變化N次，用上式表示的關系為：

由此可見，數(shù)字頻率計在1s標準時間內(nèi)，測出信號變化的次數(shù)，然后再用數(shù)字形式顯示出來，即完成其功能的主要部分。具體來說，數(shù)字頻率計必須具備以下三個功能部件：

圖1 數(shù)字頻率計電路功能框圖

圖2 數(shù)字頻率計電路原理圖

1.能產(chǎn)生1s標準時間的功能部件。

2.計數(shù)部件。

3.顯示部件。

電路功能框圖如圖1所示。

三、電路原理

1.電路原理圖

電路原理如圖2所示，被測信號經(jīng)“IN”輸入，經(jīng)整形后送到計數(shù)控制器輸入端，當控制定時器跳變?yōu)楦唠娖剑═H：1s）時其波形前沿觸發(fā)置零電路，使計數(shù)器瞬時置零，同時閘門打開，信號通過，允許計數(shù)，并通過LED顯示計數(shù)值。當控制計時器為低電平時，閘門關閉，計數(shù)技術停止，所計數(shù)值保持不變并被穩(wěn)定顯示。

2.單元電路工作原理分析

1）整形電路和內(nèi)置振蕩

整形電路和內(nèi)置振蕩器單元由集成電路4093中的IC3：A和B組成，集成電路4093內(nèi)部結構是4個雙輸入與非門電路組成。

整形：當SA置于“外接”時，IC3：A和B的輸入端分別短接，電路成為反相“非門”，兩個反相“非門”串聯(lián)，則總相位不變。由于門電路輸入輸出特性，其輸出只有“0”和“1”兩種狀態(tài)，整形效果較好。但要注意信號幅度必須足夠大，一般應大于4/5電源電壓，否則有可能無法計數(shù)顯示。

內(nèi)置振蕩：當SA置于“校準”時，IC3：B、RP2、RP3、C3構成內(nèi)置振蕩器，調節(jié)RP2（粗調）與RP3（細調）設定為5000HZ，5V，可作為“校準信號”，其原理與門控振蕩器相仿，這里不再重復。

2）閘門

閘門電路單元主要由集成電路4093中的IC3：C和D組成該電路利用了與非門任一輸入端輸入為“0”，其他輸入端不再對輸出狀態(tài)起作用的特點，將IC3：C的一個輸入端（4093⑨腳），另一輸入端作為信號輸入，是與非門變成一個受控的閘門。

受控輸入端接控制定時器輸出端，當控制定時器輸出“0”時，閘門關閉，無輸出。當控制定時器輸出“1”，閘門打開，波形輸出與輸入相位一致，能夠傳遞到計數(shù)器。

3）控制定時器

控制定時器單元是由集成電路4541和R1、RP1、C1組成。該電路輸出一周期為2s（TH和TL各為1s）的方波波形，電路主要由R1、RP1、C1選頻電路決定4541的內(nèi)振蕩頻率，再經(jīng)29分頻得到上述波形，當輸出Q端為“1”時閘門打開，開始計數(shù)，OUT端有波形輸出，LED顯示數(shù)字快速變化，Q端為“0”時，閘門關閉，計數(shù)停止，LED顯示數(shù)字不再變化，保持，OUT端無輸出波形。

4）置零電路

置零電路單元主要由集成電路IC2（4528）和R2、C2等組成。該電路是利用脈沖的上升沿進行觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)電路，R、C大小決定置零脈沖的寬度，置零脈沖的寬度應遠小于被測信號的周期，IC2④腳是輸入端，接4541輸出端，當接收到“1”信號上升沿時，產(chǎn)生一個正窄脈沖信號，計數(shù)器置零。窄脈沖過后，計數(shù)器恢復計數(shù)狀態(tài)。

5）顯示電路

顯示電路單元由4片4026集成電路和4只共陰極LED數(shù)碼管組成。4026集成電路是十進制譯碼、直接驅動LED電路，4為十字分別表示千位、百位、十位、個位。①腳為輸入端，上升沿有效，⑤腳為進位信號輸出端，在本電路中又為高一位計數(shù)器提供計數(shù)脈沖。圖2是數(shù)字頻率計電路原理圖。

四、結論

本電路設計結構簡單，功能比較齊全，作為電子愛好者自行設計信號源時的頻率顯示輔助電路具有一定的實用性，在調試過程中，須將標準信號源接入，SA在“外接”位，信號源頻率調節(jié)為5000HZ，然后調節(jié)定時器電路阻容網(wǎng)絡（調節(jié)RP1），使Q端輸出為T=2S，即為正電平1S，使閘門打開時間為1S，操作時為調節(jié)RP1使數(shù)碼管顯示5000。SA放到“校準”位時，調節(jié)RP2到中間位，再調節(jié)RP3使數(shù)碼管顯示5000即完成。

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