簡易數字頻率計的設計

廖穎民

摘 要 本數字頻率計采用小規模邏輯芯片，4位數碼管顯示的設計。文中對數字頻率計相關部分電路的工作原理、設計方法及實現的功能進行解析。

【關鍵詞】數字頻率計 時基電路 閘門電路 邏輯控制電路 計數器電路 鎖存譯碼電路

數字頻率計是用來測量頻率與周期，并進行計數、測時的重要儀器，在使用上較示波器經濟、便利，現已在許多領域得到廣泛應用。在產品的研發、實驗、生產過程中，許多情況下并不需要購置貴重的專用測頻計數器，而可靈活采用自行設計的測頻計數電路，這不僅方便工作需要、還可降低成本。本文論述采用小規模集成塊設計數字頻率計的方法及相應電路，對于電子產品開發、測試人員具有參考及應用價值。

1 數字頻率計測頻的基本原理

頻率的定義就是周期性信號在單位時間（1s）內變化的次數。若在一定時間間隔t內測得這個周期性信號重復變化的次數為n，則其頻率可表示為：f=n/t。本數字頻率計的工作原理為：被測信號經放大整形電路轉換成計數器所要求的脈沖信號，其頻率與被測信號相同。時基電路提供標準時間信號T，其高電平持續時間=1s，當1s信號到來時，閘門開通，被測脈沖信號通過閘門，計數器開始計數。直到1s信號結束時閘門關閉、停止計數，同時保持原有的狀態不變。若在閘門時間1s內計數器記得的脈沖個數為N，則被測信號頻率=NHz。邏輯控制電路的作用有二：

（1）產生鎖存脈沖，使顯示器上的數字穩定顯示；

（2）產生清零脈沖，使計數器每次的測量從0開始計數。

2 基本電路設計

本數字頻率計由放大整形電路、時基電路、閘門電路、邏輯控制電路、分頻器電路、數據選擇電路、進位采集電路、計數器電路、鎖存譯碼電路、顯示電路組成，鑒于篇幅本文對設計中的主要電路進行介紹。

2.1 放大、整形電路

某些輸入信號的電壓較小，為使輸入的信號更易于測量，使用晶體管放大器組成放大電路對輸入的周期信號（正弦波、三角波等）進行放大。本設計采用9014組成的放大電路對波形進行放大。

輸入的待測周期信號未必是脈沖信號，因此必須對輸入端的信號進行整形，將其轉變成計數器要求的脈沖信號。設計中采用的是由555定時器構成的施密特觸發器對波形進行整形。其工作原理為：當輸入信號電壓逐步升高時，>施密特上的，內部觸發器發生翻轉；當逐步下降到<，電路會再次發生翻轉。施密特觸發器不僅可將緩變的輸入信號轉換為邊沿陡峭的矩形波，同時在輸入信號的上升過程中，輸出狀態轉換時對應的輸入電平，與輸入信號下降過程中輸出狀態轉換時對應的輸入電平數值是不同的，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 時基電路

時基電路用來產生一個標準的時間信號以控制計數器的計數標準時間。它可由定時器555構成的多諧振蕩器、晶體振蕩器等產生。由于時鐘信號是控制計數器計數的標準時間信號，其精度在很大程度上決定了頻率計的測量精度。因而要求方波的寬度準確且穩定。由定時器555構成的多諧振蕩器精度不高且難以調節，故本設計采用晶體振蕩器經分頻獲得。設計中時鐘電路采用32.768kHz石英晶體和14級分頻器CD4060構成晶體振蕩器。CD4060內含有14級的二進制串行計數器，可進行分頻，32.768kHz諧振頻率經內部14級計數器=16384分頻后在CD4060輸出端可輸出2Hz脈沖信號，產生脈沖寬度為1s的方波f=1/T=1/（1+1）=0.5Hz。所以2Hz的信號經兩級D觸發器構成的四分頻可獲得高電平為1s的脈沖信號。D觸發器可由74LS74構成。要注意在電路中CD4060的清零端必須接地，否則計數器清零、同時振蕩器停振。

2.3 閘門電路

閘門電路用來控制計數時間，由一個與非門構成。與非門的一端由時基電路提供的秒脈沖輸入，另一端由待測信號整形后輸入。電路的工作原理為：時基電路提供的秒脈沖作為門控信號，當門控信號為高電平時，閘門開通，整形后的脈沖信號經過閘門進入分頻電路；當門控信號為低電平時，閘門關閉，禁止脈沖信號通過。這樣通過閘門的通斷就可記錄1s內經過的脈沖次數N。

2.4 邏輯控制電路

時基信號結束時產生一個正跳變以產生鎖存信號、觸發鎖存器，鎖存后才能對計數器清零，使計數器在計數完畢后更新鎖存信號。本設計采用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，否則會對準確度產生影響。所以鎖存信號的負跳變又用來產生清零信號。基于此，對鎖存集成須采用邊沿觸發式，且計數器與鎖存同步工作，既都在時鐘的上升沿觸發工作脈沖信號。74LS123可完成該部分功能，其脈沖寬度由電路的時間常數決定，但為保證系統正常工作，單穩電路產生的脈沖寬度不能大于該量程分頻器輸出信號的周期。

2.5 計數器電路

計數器對經整形（分頻）后的待測信號進行脈沖計數，計數完畢后送入鎖存譯碼電路，并在顯示器上顯示。電路采用4位十進制計數器級聯而成，十進制計數器使用74LS90，其中計數器的清零由清零脈沖加手動復位開關實現。

2.6 鎖存譯碼電路

鎖存譯碼電路由鎖存器和譯碼器構成，本設計采用CD4511來實現。CD4511具有鎖存、譯碼和和驅動功能，可直接驅動數碼管。若計數器輸出直接接譯碼顯示，則在閘門信號為高電平期間、頻率的顯示將會隨著計數值的增加而不斷變化。為防止該現象產生，須在計數和顯示之間加入鎖存。只有當計數器停止計數后（閘門信號由高電平變低電平后），才將計數值鎖存并輸出譯碼顯示，鎖存信號由邏輯控制電路提供。因CD4511為上升沿鎖存，低電平導通、高電平保持，因而CD4511的鎖存端⑤腳接鎖存信號的非端，即74LS123的④腳。這樣在跳變的瞬間，鎖存器導通，計數器的數值輸入鎖存器鎖存、并對計數器清零。為防止顯示時出現閃爍現象，鎖存信號的周期必須大于人眼的視覺滯留時間。

3 設計總結

本簡易數字頻率計由多個子電路組成，為保證電路達到設計的精準度，電路制作過程中要注意對元器件兼容性的檢查，電路制作完成后還應使用示波器等儀器對其進行必要的檢查調試。

參考文獻

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