简易数显频率计的设计

摘　要：设计采用计数器74LS160、74LS161集成运算放大器、555定时器、无源晶振和共阳极数码管为主要硬件，分析了数字频率计的proteus、multisim软件仿真电路的设计，最后用PROTEL软件完成印刷电路板的设计制作。设计的频率计可以测量50Hz～99.999kHz的中低频正弦波、三角波和方波频率测量误差小于1%。

关键词：频率计　中低频测量　软件仿真

中图分类号：TM935

文献标识码：A

文章编号：1007-3973（2012）008-044-02

1 概述

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。本设计采用直接测评法，由时基电路产生一秒闸门时间，并在闸门内完成对信号频率的计数。

2 方案选择

利用电子计数器测量具有准确度高、显示醒目直观、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等一系列突出优点。因此我们选择电子计数法作为设计方向。在此基础上我们直接使用使用十进制计数器74LS160完成对脉冲的计数，同时利用晶振电路产生一秒的高电平，运用门电路及单稳控制计数器在一秒高电平中完成计数。最后使用锁存器计数所得数值并输送给译码显示电路。

时间基准T=1S

数字频率计由可控的计数锁存电路、译码显示电路、石英晶体振荡器及多级分频电路、带衰减的放大整形电路和闸门电路等4个基本单元电路组成。

由晶体振荡器及多级分频电路得到具有固定宽度T的方波脉冲做门控信号，时间基准称为闸门时间T。宽度为T的方波脉冲控制闸门的一个输入端。被控信号频率为Fx，它的周期为Tx，该信号经放大整形后变成序列窄脉冲，送到闸门另一输入端。当门控信号到来后，闸门开启，周期为Tx的信号脉冲和宽度为T的门控信号相“与”通过闸门，从闸门输出端输出的脉冲信号送到计数器，计数器开始计数，直到门控信号结束，闸门关闭。

单稳态的暂态送入锁存器的使能端，锁存器将计数结果锁存，通过译码器送入七段数码管显示。

3.1 时间基准T=1S产生电路

测量频率是按照频率的定义进行的，若T=1s，计数器显示数字Ｎ，则Fx＝N。若取T=0.1s，通过闸门的脉冲个数为N1时，则Fx＝N1/0.1=10N1。由此可见闸门时间决定量程，T的大小可以通过分频器选择，选择大一些，测量准确度就高一些。根据被测频率选择闸门时间，闸门时间为1s，被测信号频率通过计数锁存可以直接从计数显示器上读出。

这部分的作用就是提供准确的计数时间T，它由高稳度的石英晶体振荡器，分频整形电路组成。

3.2 计数脉冲形成电路

这部分电路的作用是将被测的周期信号转换为可计数的窄脉冲，它一般由放大整形电路和主门（与门）电路组成。被测输入周期信号（频率为Fx，周期为Tx）经放大整形的周期为Tx的窄脉冲，送至与门的一个输入端。主门的另一个控制端输入的是时间基准产生的闸门脉冲。在闸门脉冲开启主门期间，周期为Tx的窄脉冲才能经过主门，在主门的输出端产生输出。在闸门脉冲关闭主门期间，周期为Tx的窄脉冲不能经过主门，在主门的输出端产生输出。

整形放大电路由集成运算放大器LM358、斯密特触发器74LS14N等元件组成，对输入的三角波、正弦波、方波信号进行整形，使其转化为0-5V的方波信号，以便进行计数采样。

3.3 计数显示电路

这部分电路的作用简单的说，就是计数被测周期信号在闸门宽度T的时间内重复的次数，显示被测信号的频率。它由计数器、锁存器、译码器、单稳态触发器和显示器组成。其中计数器按十进制计数。如果在系统中不接锁存器，则显示器上数字就会随计数器的状态不停地变化，只有在计数器停止计数时，显示器上的显示数字才能稳定，所以，在计数器后边必须接锁存器。锁存器的工作是受单稳态触发器控制的。单稳的上升沿作为锁存器的锁存脉冲。

锁存器在锁存脉冲作用下，将门控信号周期T内的计数

结果存储起来，并隔离计数器对译码显示的作用，同时把所存出的状态送入译码器译码，在显示器上得到稳定的计数显示。

为了使计数器稳定准确的工作，利用开关的开启闭合产生清零脉冲，使所有的计数器74LS160清零，为下次测量做好准备。

3.4 稳压电源设计

我们采用DC-DC转化芯片IE—1205s直接由+12v输入，得到系统所的全部电+5，-5V。在+12V的输入上我们采用开关电源供电，电压稳定。

4 理论误差分析

4.1 计数器计数误差(·误差)

测频时，主门的开启时刻与计数脉冲之间的时间关系是不相关的，也就是说它们在时间轴上的相对位置是随机的。这样，即便在相同的主门开启时间T 内，计数器所得的数却不一定相同，造成多计一个数或者少计一个数。%=N的取值只有三个值，即%=N=0，1，-1。所以，脉冲计数的最大相对误差为

式中，fx为被测信号频率，T为闸门时间。

4.2 闸门时间误差（时基误差）

闸门时间不准，造成主门启闭时间或长或短，产生测频误差。闸门时间T是由晶振信号分频而得。设晶振频率为fc（周期为Tc)，分频系数为K，所以有闸门时间T：

由误差合成原理可知，闸门时间相对误差为：

上式表明：闸门时间相对误差在数字上等于晶振频率的相对误差，所以也称为时基误差。

4.3 计数测频总误差

有误差合成原理可得计数总误差最大为：

由于晶振相对量化误差很小，所以忽略不计。将测量下限fc=50Hz代入上式，可得最大频率测量误差约为2%。

参考文献：

[1]　康华光.电子技术基础(数字部分)[M].北京:高等教育出版社,2005.

[2]　李希文,等.电子测量技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2009.