新型数字频率计

【摘要】在电子技术中，频率是最基本的电参数之一，它与许多电参数的测量方案，测量结果都有着十分密切的关系，因此频率的测量就显得更加重要。数字频率计是近代电子技术领域重要测量工具之一。数字频率计是在规定的基准时间内把测量的脉冲数记录下来，换算成频率并以数字形式显示出来。测量周期信号的频率，由数字电路来实现。设计中介绍的主要电路有波形整形电路，分频电路，控制电路和控制门，计数、译码、显示电路。本文讲述了数字频率计的工作原理，各分块电路的相关解析，主要集成块的引脚图及其主要功能，对硬件的调试，对调试结果的分析以及此次设计的成果、结论与心得。

【关键词】数字频率计；脉冲信号；控制门；译码显示；直流稳压电源；测量原理

数字频率计一种能把频率和时间等两种以上的物理量进行数字化测量的仪器。数字频率计主要用于测量正弦波、矩形波、三角波和尖脉冲等周期信号的频率值。频率计主要用于测量。数字频率计是在规定的基准时间内把测量的脉冲数记录下来，换算成频率并以数字形式显示出来。测量频率的方法有很多，按照其工作原理分为无源测量法、比较法、示波器法和计数法等。计数法实质上属于比较法，其中最常用的方法是电子计数器法。电子计数器是一种最常见、最基本的数字化测量仪器。数字计数式频率计能直接计数单位时间内被测信号的脉冲数，然后以数字形式显示频率值。这种方法测量精确度高、快速，适合不同频率、不同精确度测频的需要。电子计数器测频有两种方式：一是直接测频法，即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数；二是间接测频法，如周期测频法。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。它的基本功能是测量正弦信号、方波信号、尖脉冲信号以及其他周期性变化的物理量。如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率、转速、声音的频率以及产品的计件等等。它是电子测试、自动化控制等设备中不可或缺的重要测量仪器。它应用于晶体振荡器、各种信号发生器、倍频和分频电路的输出信号的频率测量，在广播、电视、电讯、微电子技术等现代科学领域也有广泛的应用。

数字频率计的工作原理是将被测信号与标准信号一起通过一个闸门，然后用计数器对标准时间内该信号脉冲的个数进行计数，并将其结果用LED数码显示管显示出来。根据课题设计要求，设计并制作了产品。其测频范围为1Hz～99999Hz。本设计由数字电路来实现，既降低了成本，又简化了原理结构。其中主要电路有波形整形电路，分频电路，控制电路和控制门，以及计数、译码、显示电路。

本数字频率计电源采用直流稳压电源得到稳定的5V电源，利用分频器获得1s的标准时间，同时利用A/D转换电路对信号进行转换，输出脉冲信号并将它们送入控制门，然后通过计数器计算这一段时间间隔内的脉冲个数，将其换算后再显示出来。然后，在下一个信号到来时，利用555完成计数器的清零工作，再继续上述操作。具体由数字电路来实现，包括波形整形电路；分频电路；控制电路和控制门；计数、译码、显示电路四部分组成。使用了NE555、LM358、74LS00、74LS48、74LS90等集成块。其系统框图如图所示。

电路分析：在555振荡器输出的波形经分频电路逐级分频后，可获得各种时间基准，通过时间基准选择开关，将所选用的时间基准信号作为控制电路的触发信号。控制电路的输出为具有固定宽度（T）的方波脉冲，宽度称为闸门时间，对应得脉冲称为闸门信号。闸门信号控制主控门的一个输入端，该信号经波形整形电路送到控制门，当闸门信号到来后，控制门开启，被测信号脉冲和闸门信号通过控制门，控制门再将输出的脉冲信号送到计数器计数。最后通过译码显示电路，把被测频率显示出来。

在实际电路图中，信号经整形进入控制门，555振荡器输出的波形经分频电路逐级分频后产生的秒信号，也送入控制门中。控制门74LS00将输出的脉冲信号再送入计数器计数。由于频率计的测量范围是1Hz～99999Hz，因此计数器按十进制计数。设计中采用了74LS90计数器。显示译码器采用与共阴数码管匹配的74LS48，74LS48是一个7段码数码管的驱动芯片，通过它解码，数码管可以直接把数字显示出来，以显示5位数字，满足所测频率范围为1Hz～99999Hz的设计要求。

分频器的作用是为了获得1s的标准时间。电路首先对1MHz信号进行1000000分频得到周期为1s的脉冲信号。然后再进行二分频得到占空比为50%脉冲宽度为1s的方波信号，由此获得测量频率的基准时间。利用此信号去打开与关闭控制门，可以实现对1s时间内通过控制门的被测脉冲的数目进行控制。

NE555的作用是用内部的定时器来构成时基电路，巧妙地将模拟电路和数字电路结合在一起，给其他的电路提供时序脉冲。振荡电路如图所示。

为了能测量不同电平值与波形的周期信号的频率，必须对被测信号进行整形处理，使之成为能被计数器有效识别的脉冲信号。波形整形采用施密特触发器，如图所示。

控制门用于控制输入脉冲是否送计数器计数。它的一个输入端接标准秒信号，另一个输入端接被测脉冲。控制门可以用与非门来实现。

计数器的作用是对输入脉冲计数。根据设计要求量频率为99999Hz，采用5位十进制计数器。可以选用10进制集成计数器。74LS90是一种典型的集成异步计数器，可实现二-五-十进制计数器。

LED显示器选用的是共阴极数码管，驱动器，常用在各种数字电路和单片机系统的显示系统中。

设计制作的全过程是相当艰辛复杂的。首先要进行整体构思，设计出完整的框图，然后就是要根据框图设计电路。画电路，至关重要，需反复修改完善，等确定了以后，就要准备采购元器件，要根据技术指标选择，还要根据元器件与元器件之间是否匹配。接下来是画PCB板，制板，元器件的安装，这一环节也相当重要，一旦出现虚焊，漏焊等现象，说不定板子就将报废，一切须得重头再来，板子完工以后，最后就是要检测与调试，这也需反复修改。这是不可避免的。设计思路是最重要的部分之一，元器件的安装也是重要的一环。任何一环出错都会导致不成功。因此我们应该在设计前做好充分的准备，像查找资料必须充足，这样可以打下坚实的基础。制作过程是一个考验人耐心的过程，不能有丝毫的急躁。

参考文献

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作者简介：

胡汉章（1957—），男，浙江宁波人，浙江工商职业技术学院副教授，研究方向：电工电子技术，电路分析，家用电器。

俞海云（1969—），男，浙江宁波人，宁波易倍特电子科技有限公司助理工程师，研究方向：家用电器、电机控制。