一种实用数字频率计的实现方法

高跃东 蒋家强

摘 要：目前测量频率的方法主要有计数法和周期法两种[1]，其计数工作一般需要使用单片机来完成，虽然测量精度较高，但也会增加设计的工作量。本文介绍一种利用低频频压转换芯片设计高频数字频率计的方法，不仅可实现对高达200kHz脉冲信号的测量，而且还能够大幅度降低设计成本。

关键词：频率计；频压转换；高频电源；分频器

一、原理分析

本文的基本思想是将被测脉冲信号转换为电压信号，找到频率与电压间的线性关系，最后通过测量电压来实现测量频率的目的。在选择频率电压转换芯片（VFC）时发现，工作频率超过200kHz的频率电压转换芯片，如VFC320、AD650等，其内部集成的功能多，精度高，但成本也相对较高。本文选择成本较低的LM331芯片配合双D触发器来设计，其原理框图见图1所示。由于LM331的工作频率只能达到100kHz，需要先对被测信号（最高频率200kHz）进行4分频，即将0～200kHz的被测信号转化为0～50kHz的信号，再利用VFC芯片转化为0～2V的电压，最后通过控制数字电压表的小数点和单位实现0～200kHz频率的显示。实验中用控制芯片SG3525产生被测PWM信号，双D触发器实现对输入信号的整形和4分频。

二、电路设计

LM331是NS公司生产的单片频压转换芯片，可用作精密频率电压转换或电压频率转换，为DIP8封装。它的工作频率范围在1～100kHz之间，最大非线性失真小于0.01%，图2是LM331用作频压转换时的外围电路，工作原理见图1。

输入脉冲信号经R3、Cin组成的微分电路接入比较器的负极（6脚），正极（7脚）接R1、R2的分压信号。在每个脉冲信号的下降沿，微分电路使6脚出现一个负的窄脉冲，此时7脚电平高于6脚，芯片内部的定时比较器输出高电平，内部恒流源经1脚向CL充电。与此同时，复位晶体管导通，接于5脚的Ct迅速对地放电[2]。

当Ct的电压下降至低位时，定时比较器将输出低电平，恒流源停止向CL充电，等待下一个时钟下降沿的到来。CL的充电时间是由Ct和Rt组成的暂稳态电路决定的，输入信号的频率越高，在单位时间内向CL的充电次数也越多，CL两端的电压也就越高，从而实现了频率与电压的转换。

三、元件参数的计算方法

本次设计的最高频率为200kHz，经4分频后是50kHz，完成转换后的电压最大值为2V，即200kHz的频率对应2V的电压。如果使用量程是0～199两位半的数字电压表显示，则可实现200kHz对应1.99V，100kHz对应1.00V等一一对应的关系。电路的主要参数可按以下步骤计算[3]。

第一步：确定充电时间Tw。由上述分析可知，Tw必须小于输入信号的周期T（20μs），如果预先将Rt定为2k，则可计算出Ct的最大值为0.0091μF，设计中选择0.0047μF即可。

第二步：确定恒流源的电流Ir。根据芯片的技术资料，其值一般在100～500μA之间，即Rs和Rws的阻值应该在3.8k至19k之间，设计时使用一个5k的电阻和一个10k的滑动变阻器实现调节，最后将通过调节此阻值来实现200kHz与2V的对应。

第三步：确定输出电阻RL。将第二步中Rs和Rws的阻值确定在一个中间值10k，即可计算出RL的值为14.6k。滤波电容RL的选择主要影响输出电压的纹波，如果其值较大，输出电压会相对平滑一些，但电压与频率的跟踪也会变得缓慢，设计中选择1μF比较合理。

四、调试结果

频率计的设计思想是将0～200kHz的方波信号经四分频器转化到0～50kHz，再用LM331将频率信号转化为电压信号显示。图3中黄色波形为输入的PWM信号，蓝色波形为分频器输出信号，可以看到，信号频率变成原来的四分之一，波形质量也较好，增加了抗干扰的能力。

图3中的方波信号经过LM331外接微分电路后，在比较器负极（6脚）和正极（7脚）得到的信号如图4所示，在输入脉冲下降沿时7脚的电平高于6脚，从而触发内部电流源向外接电容充电。通过调整充电电流的大小（2脚的滑动变阻器），使输入脉冲频率为50kHz时对应输出电压为2V，如图5所示。

改变输入信号的频率，记录部分频率点与输出电压的对应关系如表1所示，可以看到，基本实现了频率与电压的一一对应关系。

五、结语

实践表明，利用频压转换芯片配合双D触发器设计数字频率计有三个好处。

（1）節约成本。使用VFC320、AD650等工作频率较高的VFC芯片，其单支芯片的价格在数十元，而使用LM331芯片和双D触发器设计成本仅需几元。

（2）增加了抗干扰的能力。通过双D触发器后的4分频信号占空比为50%，信号质量较好，可以克服在调节PWM信号占空比时造成对频压转换的影响。

（3）可扩展性强。如果要设计频率超过200kHz的频率计，可通过8分频或16分频来实现。对于精度要求不是很高的数字频率计来说，此种设计方法具有很强的实用性。

参考文献

[1] 尹海峰，尹海潮，孙树强.频率的测量在单片机设计中的运用[J].科技信息，2008（7）：37-38.

[1] 吕建国.一种用LM331实现的频率/标准电压转换电路[J].四川大学学报，2004（41）：262-263.

[1] 林健.LM331的V/F电路调试中的若干问题分析[J].集成电路应用，1995（2）：36-39.