关于测试微波信号的数字频率计逻辑电路的设计

【摘要】设计了一种多功能数字频率计，通过数字计数器对输入的周期信号进行计数，并通过显示电路LED显示出来，以测试频率信号。

【关键词】集成电路；稳压电路；显示电路

1.引言

在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此，频率的测量就显得更为重要。测量频率的方法有多种，最初的经典的振簧式频率表经电动式、铁磁电动式结构的指针式型频率表和后来发展到使用示波器。但不管使用哪一种，不仅体积大、价格昂贵，而且操作过程复杂，携带也不方便。现在电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。频率计作为电子测量和仪器仪表专业领域中的重要仪器要经常用于测量频率、周期、频率比和进行计数以及测量时间，文中应用数字电路知识设计出了数字频率计。它不仅体积小、价格低廉，而且操作方便快捷，可以广泛应用于计算机系统，通信广播设备，生产自动化测控装置，带有LED，LCD数字显示单元的多种仪器仪表以及诸多的科学技术领域。

2.设计基本框图

数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。由于频率和周期之间存在倒数关系（f=1/T），所以只要测得两者中的一个，另一个可通过计算求得。频率是在单位时间（1s）内信号周期性变化的次数。这里我们采用直接测在给定的1s时间内对信号波形计数，并将计数结果显示出来，就能读出被测信号的频率。由于计数脉冲必须为方波信号，所以要用施米特触发器对输入波形进行整形放大。由于日常用交流电的频率为50Hz，这里可以利用记数器记录50个脉冲的时间作为秒脉冲信号。这个秒脉冲加到门与上就能控制检测出待测信号在1秒内通过与门的个数，脉冲个数由计数器计数，结果由七段显示器显示。因此该频率计电路由输入整形电路，秒脉冲信号发生电路，计数器，显示器等组成。

3.具体设计过程

3.1 放大整形电路

为了使放大器的输出信号能与数字电路相适应，故采用低电压（+5V），单电源运算放大器这里选用F158，整形器通常的是用施米特触发器。施米特触发器也可由555或其它门电路组成，在这个设计方案中将选用7555。

3.2 秒信号发生电路

（1）输入电源

这里采用利用W78XX系列的三端稳压器将日用交流电（220V.50Hz）变压后的电压（5V，50Hz）作为秒信号发生电路的输入电压。W78XX系列的三端稳压器为固定式稳压电路稳压器，其输出电压有5V，6V，9V，12V，15V，18V和24V共7个档次，型号后面的2个数字表示输出电压值。输出电流分1.5A（W7800），0.5A（W78M00）和0.1A（W78L00）3个档次。如W7805，表示输出电压为5V，输出电流为1.5A。它因性能稳定，价格低廉而得到广泛的应用。

（2）秒信号产生

由于日常用交流电的频率为50Hz，变压后的5V交流电频率仍为50Hz。这里可以利用记数器记录50个脉冲的时间作为秒脉冲信号。在把信号送入记数器前仍要整形，这里仍采用555定时器与其它门电路组成整形电路。

3.3 主控门电路

该部分电路在整个电路中起着控制频率计数的开始的作用，相当于一个开关电路。这部分由RS触发器和一只反相器组成，原理如图1所示。

在秒信号发生电路中，也有同样的闸门电路来控制记数的开始和结束，只不过那里的开启信号是待测信号。

3.4 计数，译码，显示设计

这一部分是频率计电路的核心部分，也是设计的重点。在这一部分中整形后的脉冲首先通过的计数器，计数器输出的信号为8421BCD代码，再经译码变成七段字形代码，七段数码管显示出来。计数器选用十进制中规模集成计数器，在这儿选用74LS160，译码器选74LS48，显示的为LED数码管显示器。这一部分的连线电路图如图2所示。

4.总电路图

数字频率计设计的总电路图如图3所示。本数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。当没有信号输入时，555定时器电路输出低电平，通过RS触发器使与门1关闭，则定时计数器不工作，电路处于不工作状态。当有信号输入时，通过与非门组成的施密特触发器整形后输出一个高电平，通过RS触发器把与门1打开，此时定时计数器开始工作，同时，用于显示的计数器也开始工作。在测频率前首先要将频率计上的复位开关按一下，让内部的RS触发器复位，而后开始测频率。

5.结束语

该电路只可以测1～9999Hz范围的频率，如果想测更大范围就需要对电路进行扩展。可以在输入整形脉冲后加一级分频器，如果是10倍分频，电路的测量范围可以增加到10倍；还可以在定时整形脉冲后加倍频器，如果是10倍频，则电路的测量范围可以增加到10倍。

利用数字电路知识设计了一种数字频率计，它实际上就是一个脉冲计数器，即在单位时间里（如1秒）所统计的脉冲个数。电路由输入整形电路、时钟振荡器、分频电路、量程选择开关电路和计数、译码、显示电路等组成。本多功能数字频率计电路设计的使用方便、体积小、成本低、测量误差小，实用性强，可在1～9999Hz范围内使用。虽然测量量程有限，但是可扩展性比较强。要想获得较宽的量程可以对电路进行扩展。

参考文献

[1]薛瑞福，马国琳编.数字电子电路（第一版）[M].高等教育出版社，1983.

[2]皇甫正贤编著.数字集成电路基础[M].南京：南京大学出版社，2002.

[3]施良驹编著.集成电路应用集锦[M].北京：电子工业出版社，1988.

[4]周仲编著.集成电路应用350例[M].北京：电子工业出版社，1988.

[5]童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第3版）[M].北京：高等教育出版社，2003.

[6]阎石.数字电子技术基础（第4版）[M].北京：高等教育出版社，1997.

作者简介：张俊秀（1964—），男，山东临沂人，大学本科，工程师，现供职于山东省广播电影电视局蒙山转播台。