基于Multisim 11.0的简易数显频率计设计

叶文强，程永茂，孙艺轩，张加平

（1.海军航空工程学院 学员旅，山东 烟台264001；2.海军航空工程学院 兵器科学与技术系，山东 烟台264001）

基于Multisim 11.0的简易数显频率计设计

叶文强1，程永茂2，孙艺轩1，张加平1

（1.海军航空工程学院 学员旅，山东 烟台264001；2.海军航空工程学院 兵器科学与技术系，山东 烟台264001）

使用直接测频法设计了一种简易的数显频率计，用于测量常见的正弦波、方波、三角波信号。该数显频率计主要包括时间信号电路、计数显示电路和时序控制电路，并进行了层次化的设计优化。时间信号电路完成输入信号与时钟信号的与运算，并把与运算后的脉冲传递给计数显示电路。计数显示电路完成频率计的频率计数以及显示功能。时序控制电路实现当上升沿或下降沿来临时触发脉冲的功能。在Multisim 11.0软件环境下进行总体电路的设计及调试，仿真结果表明数显频率计实现了正常的测量功能，满足设计要求。

Multisim；频率计；数字显示；时序控制；555定时器

数显频率计是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器，主要由3个部分构成：时间电路、计数显示电路以及时序控制电路。数显频率计的测量频率的方法有很多，按照其工作原理分为无源测频法、比较法、示波器法和计数法等[1-2]。最基本的工作原理为：在一个测量周期过程中（1秒钟），被测周期信号在输入电路中经过放大、整形后形成周期不改变的方波信号，送到与门的一个输入端。在与门开启的期间（高电平），测量被测信号的脉冲数，即可得到被测信号的频率[3-4]。

1 总体设计

数显频率计的总体设计图如图1所示，设计电路分成3个部分，一为时间信号电路，二为计数显示电路，三为时序控制电路。其中，时间信号电路由时钟信号、被测信号、放大整形电路和与门构成，计数显示电路分为计数显示部分和LED数码管，时序控制电路由时序控制单元构成。

工作时，时间信号电路完成输入信号与时钟信号的与运算，并把与运算后的脉冲传递给计数显示电路，在时序控制电路的控制下，计数显示电路显示频率结果。时间信号电路的原理是，时钟信号源产生1秒钟的高电平计数时间，在这一秒钟内与门开启，被测信号经过放大整形电路，形成频率不变的标准方波信号，通过开启的与门输出信号。计数显示电路及时序控制电路的原理是，计数显示电路的计数部分累加时间信号电路传递的信号脉冲数，当累加结束后，时钟信号产生低电平，与门关闭，时序控制电路收到时钟信号的下降沿信号，形成触发脉冲，触发脉冲控制计数显示电路的计数部分把最终累加的数传递给显示部分，并在传递完成后把计数部分的累加数清零，显示部分的LED数码管把传递来的频率数进行显示。时钟信号的高电平再次来临时，开始下一次的频率计数。

图1 数显频率计总体设计图

2 电路组成

2.1 时间信号电路

时间信号电路完成输入信号与时钟信号的与运算，并把与运算后的脉冲传递给计数显示电路。时间信号电路分为时钟信号电路、被测信号电路以及放大整形电路。

1）时钟信号电路

555与RC组成的多谐振荡器电路如图2所示，时钟电路采用555定时器的多谐振荡电路，可以直接产生所需要的方波信号。时钟电路产生信号的高电平持续时间为TH=0.7R1·C，产生的低电平持续时间为TL=0.7·2·R2·C。555定时器的工作需满足R1、R2＞1 kΩ，和R1+R2＜3.3 MΩ

图2 主要电路组成

在Multisim软件环境中的频率测量过程中，产生的时钟信号需要有一秒种的高电平时间和尽可能低的低电平时间。也就是说，要求产生的时钟信号是尽可能接近1 Hz，且占空比尽可能的接近1。在Multisim环境下555定时器的多谐振荡电路产生的信号占空比最高为0.98，因此，我们最终选用频率为0.98 Hz，占空比为0.98的时钟信号。时钟信号的高电平持续时间为1秒钟，准确计数一秒钟内输入的脉冲个数，从而测量频率。而低电平持续时间内只需通过时序控制电路把最终计数传递给显示部分，并进行锁存，在下一次计数前把计数清零即可。低电平持续时间应该尽可能的短，从而提高整体频率测量的工作提高效率。

2）放大整形电路

过零比较器电路由LM339N芯片组成，该芯片需要一个VSS（直流电源）供电以及一个VEE（负电源）供电，另把负输入端接地，把正输入端接输入信号，可以把输入的信号转化一个VPP=10 V偏移为0 V的标准方波。

2.2 计数显示电路

计数显示电路完成频率计的频率计数以及显示功能。计数显示电路分为计数部分和显示部分，其中计数部分由计数器电路构成，显示电路由编码器电路以及锁存器电路构成。

1）计数器电路

计数显示电路的通过74LS160D十进制计数器实现计数功能，计数时，将与门送来的脉冲累加，ENP和ENT接高电平，每输入一个脉冲信号，输出端累加1，累加到9后，再次输入脉冲信号时，4位输出端清零，RCO即进位标志进1后清零。通过进位标志与其他3片74LS160连接，得到四位十进制的计数器[7-8]。

2）锁存器电路

锁存器芯片采用74LS244芯片，其原理是当锁存标志（1G）无效时（高电平），输出信号即为输入信号，当锁存标志转变为有效时（低电平），把最近的一次输入信号（In1-In4）锁存，并在输出端显示（K01-K04），之后无论输入信号如何改变，输出都不改变[9-11]。在本电路中，锁存器用于把高电平计数的最终累加值（频率数）锁住，并在LED上显示，当下一次计数累加完成，瞬间放开锁存开关读入累加数，并再次把它锁住。

3）编码器电路

编码器芯片使用4511BD编码器，当BI和LT为高电平时，把输入4位二进制数（DA-DD）转换成LED数码管读取的7位二进制数（A1-G1）。EL是伪锁存标志，本电路不使用。

2.3 单稳态时序控制电路

单稳态电路采用SN74121集成芯片如图2（b）所示，通过电阻及电容的组合，实现当上升沿或下降沿来临时触发脉冲的功能。本电路采用两片SN74121芯片构成时序控制电路，当上升沿或下降沿来临时，先后触发两个脉冲。第一个触发脉冲控制锁存组放开锁存，读取计数数值后再次锁存[12-15]。当完成锁存的脉冲结束，第二个触发脉冲产生，在锁存完成后把计数部分的计数清零，使之能够进行第二次计数。

本电路中，触发脉冲宽度Tw的计算方式如下：

Tw=0.7RC；R=0.5 KΩ；C=10 μF

所以Tw=0.7RC=0.7·0.5·103·10·10-6=3.5 ms

本单稳态时序控制电路实际使用电容50 nF两个，电阻0.5 k两个。

2.4 功能电路的层次化设计

搭建本电路时，由于芯片太多，连线过于复杂，会导致调试工作的顺利开展，不利于最终结果的正常显示。经过多次的测试摸索，本电路采用Multisim自带的层次化子电路方法，把所需的几个元件进行合并，大大简化了电路，并使得电路的修正变得方便。

3 仿真实验

3.1 总体电路图

如图3基于Multisim的简易数显频率计总体电路图所示。电路总图中部分元件符号为集成子电路所表示，过零比较器内含有接地针脚和VSS针脚，555信号源为555定时器组成的多谐振荡电路，计数组为4片74LS160D构成的四位十进制计数器，锁存组为4片474LS244的组合，编码组为4片4511BD的组合，单稳态时序控制为两片74LS121的连接。

图3中555信号源、过零比较器、函数信号发生器、与门U13构成时间显示电路，其中函数信号发生器表示被测信号。计数组，锁存组，编码组和4片LED数码管构成计数显示电路。图中还有两个灯泡，用以表示电路工作情况。

图3 基于Multisim的简易数显频率计总体电路图

3.2 仿真结果

调试仿真的主要目的是确保电路设计中各芯片、时钟信号的产生和时序控制电路的正常工作和使用。下面为时序控制电路的仿真结果以及时钟信号的仿真结果。

1）时序控制电路

时序控制电路仿真结果如图4（a）所示，图中的SC1和SC2芯片分别表示图2（b）中的左右两个锁存器芯片电路。当SC1芯片接收到时间信号的下降沿时，产生一个向下凹的脉冲，当SC2芯片接收到SC1芯片的上升沿时产生一个向下凹的脉冲。两个脉冲是有严格的时序的，第一个脉冲完成LED数码管的显示和锁存，第二个脉冲完成计数器的清零。

2）555多谐振荡电路

图4 时序控制电路和555多谐振荡电路仿真结果

时钟信号是由555定时器组成的多谐振荡电路，其构成简单可靠，实际中被广泛使用。 555定时器多谐振荡电路脉冲宽度实验图如图4（b）所示。产生的时钟信号为0.98 Hz、占空比为0.98、VPP=10 V的方波。

555定时器电路提供了时钟信号，宽脉冲的目的是把更多的时间留给计数，之后在尽量短的低电平时间完成LED数码管的显示与锁存和计数器的清零。

3）仿真结果分析

图3中展示了方波实验结果，被测信号为200 Hz，占空比50%，VPP=10 V，偏移为0 V的方波，测量结果为200 Hz，准确完成了测量任务。

正弦波实验结果如图 5（a）所示，被测信号为300 Hz，VPP=10 V，偏移0 V的正弦波，测量结果为300 Hz，准确完成了测量任务。

三角波实验结果如图 5（b）所示，被测信号为421 Hz，占空比为60%，VPP=10 V，偏移为0 V的三角波，测量结果为420 Hz，在理论误差范围内，准确完成了测量任务。

通过对正弦波、三角波和方波的准确测量，可以确定总体电路构成合理，整形电路、显示电路及其它电路都能完成预期功能，本电路可以实现频率计测量基本信号频率的功能。

图5 数显频率计测量仿真结果

4 结 论

本数显频率计仅完成了基本的频率测量功能，适用于常用的正弦波、方波、三角波信号，lED数码显示的刷新周期约为一秒钟，并有两个小灯泡用以反映频率计处于计数状态还是刷新状态。在计数工作中，只需保证高电平持续时间为一秒钟的前提下，低电平持续时间可以自由调节。在后续设计中可以通过进一步叠加相同的元器件提升测量频率的上限并可以对放大整形电路进行进一步的优化扩展，完成更多种类的信号测量。

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Simple digital display frequency cymometer design based on Multisim 11.0

YE Wen-qiang1，CHENG Yong-mao2，SUN Yi-xuan1，ZHANG Jia-ping1
（1.Cadet Brigade，Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai 264001，China；2.Department of Ordnance Science and Technology，Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai 264001，China）

The simple digital display frequency cymometer is designed using direct frequency measurement.It is used in the frequency measurement of sinusoidal wave、square wave and triangular wave.The digital frequency cymometer is made up of time signal circuit、counting and display circuit and sequential control circuit.Circuit design is optimized by hierarchical design.The time signal circuit worked on the'and'operation of input signal and clock signal.Then it transfers pulses to the counting and display circuit.The counting and display circuit work on the frequency counting and displaying.The convert from rising or falling edges to temporary trigger pulses is done by the sequential control circuit.The general system design and simulation are completed in Multisim 11.0.Simulation results show that measure frequency function is realized and the performance meet the design requirement.

multisim；cymometer；digital display；time sequence control；555 timer

TN752

：A

：1674－6236（2017）05-0133-05

2016-03-08稿件编号：201603084

叶文强（1995—），男，福建厦门人。研究方向：测控技术与仪器。