简易数字频率计

熊雪兰 安徽理工大学

1.绪论

数字频率计是一种专门对被测信号进行频率计数的电子测量仪器，被测信号可以是正弦波，方波或其他周期性变化的的信号。测量频率的方法有两种：测频法和测周法。

测频法是将被测信号加到计数器进行计数，用时基信号来控制计数周期，假设标准信号周期为2T(半个周期计数，半个周期处理数据)，计数器得到的计数值为N,则被测信号频率为f=N/T，改变T,则可改变测量频率的范围。当T=1s时，计数器测得的数据N即为被测频率。用该方法进行测量时，当被测频率越大时，误差越小，被测频率越小时，误差越大，为了减小这种误差，我们可以通过增大T来实现，让误差控制在测量误差范围内。

而测周法是用被测信号来控制计数周期，把标准信号加到计数器，这样计数器得到的值就是被测信号的周期值，然后求其倒数，就得到所测频率值。

本文讲述了使用测频法设计频率计的原理以及各个组成部分的结构与作用。

2.电路基本原理

脉冲信号的频率就是在单位时间内所产生的脉冲个数，其表达式为f=N/T。

实验使用石英晶振作为标准信号的产生源，产生精度极高的频率，经分频后可获得各种石基脉冲，在此次试验主要产生周期分别为2s和20s的基准信号，用它们的半个周期计数，半个周期处理数据（当被测频率较高时，开关打向2s的标准信号，当频率较低时，开关打向20s的标准信号）。

输入信号经过整形放大变成矩形脉冲加到计数器的输入端，将石基信号接计数器的锁定允许端，在石基信号的一个周期内，使得计数器在石基信号高电平计数，低电平时锁存，停止计数，同时，利用基准信号产生的低电平有效的控制逻辑，通过一译码器输出清零信号，完成对计数器的清零作用，为后续新的取样做好准备，锁住一次显示的数据，保留到新的一次取样为止。

数字频率计是用于测量方波，正弦波或其他脉冲信号的频率，并用十进制数字表示，它具有精度高，测量迅速，读数方便等优点。

3.各部分电路设计

3.1 时基电路

时基电路的作用是产生标准时间信号，该信号由频率为32768HZ的晶振，经过14位CD4060分频成2HZ的信号输出后，再通过74HC160和74HC161组合分频，分别得到所要求的0.5HZ和0.05HZ的石基信号。

3.2 放大整形电路

为了测量不同类型和幅值的交流信号，要对被测信号进行放大整形处理，从而输出能够被计数器识别的方波信号，本设计采用由增益带宽为15MHZ的运算放大器LM833构成的过零比较器来实现，,被测信号3号脚输入，1号脚输出，整形成方波信号。再经过稳压管1N4731A稳压成幅度为5V的信号。

3.3 控制电路

频率计若想实现往复的计数功能，这就需要控制电路在恰当的时间发出锁存与清零信号，计数器的使能信号直接由标准时间信号来控制，而清零功能由2线-4线译码器74HC139来实现，使标准时间信号与芯片的选通输入和地址输入相接，则输出端Y1非的信号便可以控制计数器的清零端。

3.4 计数与锁存电路

计数与锁存功能由CD4553来实现，CD4553是3位十进制计数器，但只有一个输出端，要完成3位输出，采用扫描输出方式，通过它的选通脉冲信号，依次控制3位十进制的输出，从而实现扫描显示方式。其中MR引脚接受清零信号（只清计数器部分），高电平有效，LE端为锁定允许，当该端为低电平时, 3组计数器的内容分别进入 3组锁存器,当该端为高电平 时,锁存器锁定,计数器的值不能进入。

3.5 译码显示电路

译码显示电路可由BCD七段译码/驱动器CD4543来实现，只要输入BCD码就可于多种不同的数码管显示0至9，如接共阳极LED，则Ph置“1”另Bl（Blanking）如果置“1”或输入0至9以外的数值，显示会空白（黑屏），LD（Latch Disable）置“0”会锁存最近一次输入的数字，本次设计采用共阳极接法。系统总电路图如下所示(注：当测低频信号时，需点亮次高位数码管小数点，即合上与之连接的开关)。

4.总结

通过这次对简易数字频率计电路的设计，让我了解了电路设计的基本步骤，还有频率计的原理与设计理念。像这种综合性的设计需要理论与实践的结合，让我学会了快速查找有用资料的方法，也锻炼了我的动手能力，这对于工科学生是很有帮助的。