新型數(shù)字頻率計(jì)

浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院 胡漢章

寧波易倍特電子科技有限公司 俞海云

數(shù)字頻率計(jì)一種能把頻率和時(shí)間等兩種以上的物理量進(jìn)行數(shù)字化測(cè)量的儀器。數(shù)字頻率計(jì)主要用于測(cè)量正弦波、矩形波、三角波和尖脈沖等周期信號(hào)的頻率值。頻率計(jì)主要用于測(cè)量。數(shù)字頻率計(jì)是在規(guī)定的基準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)把測(cè)量的脈沖數(shù)記錄下來，換算成頻率并以數(shù)字形式顯示出來。測(cè)量頻率的方法有很多，按照其工作原理分為無源測(cè)量法、比較法、示波器法和計(jì)數(shù)法等。計(jì)數(shù)法實(shí)質(zhì)上屬于比較法，其中最常用的方法是電子計(jì)數(shù)器法。電子計(jì)數(shù)器是一種最常見、最基本的數(shù)字化測(cè)量?jī)x器。數(shù)字計(jì)數(shù)式頻率計(jì)能直接計(jì)數(shù)單位時(shí)間內(nèi)被測(cè)信號(hào)的脈沖數(shù)，然后以數(shù)字形式顯示頻率值。這種方法測(cè)量精確度高、快速，適合不同頻率、不同精確度測(cè)頻的需要。電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻有兩種方式：一是直接測(cè)頻法，即在一定閘門時(shí)間內(nèi)測(cè)量被測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)；二是間接測(cè)頻法，如周期測(cè)頻法。電子計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率具有精度高、使用方便、測(cè)量迅速，以及便于實(shí)現(xiàn)測(cè)量過程自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，是頻率測(cè)量的重要手段。它的基本功能是測(cè)量正弦信號(hào)、方波信號(hào)、尖脈沖信號(hào)以及其他周期性變化的物理量。如配以適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，可以?duì)多種物理量進(jìn)行測(cè)試，比如機(jī)械振動(dòng)的頻率、轉(zhuǎn)速、聲音的頻率以及產(chǎn)品的計(jì)件等等。它是電子測(cè)試、自動(dòng)化控制等設(shè)備中不可或缺的重要測(cè)量?jī)x器。它應(yīng)用于晶體振蕩器、各種信號(hào)發(fā)生器、倍頻和分頻電路的輸出信號(hào)的頻率測(cè)量，在廣播、電視、電訊、微電子技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。

數(shù)字頻率計(jì)的工作原理是將被測(cè)信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)一起通過一個(gè)閘門，然后用計(jì)數(shù)器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)該信號(hào)脈沖的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將其結(jié)果用LED數(shù)碼顯示管顯示出來。根據(jù)課題設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)并制作了產(chǎn)品。其測(cè)頻范圍為1Hz～99999Hz。本設(shè)計(jì)由數(shù)字電路來實(shí)現(xiàn)，既降低了成本，又簡(jiǎn)化了原理結(jié)構(gòu)。其中主要電路有波形整形電路，分頻電路，控制電路和控制門，以及計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路。

本數(shù)字頻率計(jì)電源采用直流穩(wěn)壓電源得到穩(wěn)定的5V電源，利用分頻器獲得1s的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，同時(shí)利用A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸出脈沖信號(hào)并將它們送入控制門，然后通過計(jì)數(shù)器計(jì)算這一段時(shí)間間隔內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)，將其換算后再顯示出來。然后，在下一個(gè)信號(hào)到來時(shí)，利用555完成計(jì)數(shù)器的清零工作，再繼續(xù)上述操作。具體由數(shù)字電路來實(shí)現(xiàn)，包括波形整形電路；分頻電路；控制電路和控制門；計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路四部分組成。使用了NE555、LM358、74LS00、74LS48、74LS90等集成塊。其系統(tǒng)框圖如圖所示。

電路分析：在555振蕩器輸出的波形經(jīng)分頻電路逐級(jí)分頻后，可獲得各種時(shí)間基準(zhǔn)，通過時(shí)間基準(zhǔn)選擇開關(guān)，將所選用的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)作為控制電路的觸發(fā)信號(hào)?？刂齐娐返妮敵鰹榫哂泄潭▽挾龋═）的方波脈沖，寬度稱為閘門時(shí)間，對(duì)應(yīng)得脈沖稱為閘門信號(hào)。閘門信號(hào)控制主控門的一個(gè)輸入端，該信號(hào)經(jīng)波形整形電路送到控制門，當(dāng)閘門信號(hào)到來后，控制門開啟，被測(cè)信號(hào)脈沖和閘門信號(hào)通過控制門，控制門再將輸出的脈沖信號(hào)送到計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。最后通過譯碼顯示電路，把被測(cè)頻率顯示出來。

在實(shí)際電路圖中，信號(hào)經(jīng)整形進(jìn)入控制門，555振蕩器輸出的波形經(jīng)分頻電路逐級(jí)分頻后產(chǎn)生的秒信號(hào)，也送入控制門中。控制門74LS00將輸出的脈沖信號(hào)再送入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。由于頻率計(jì)的測(cè)量范圍是1Hz～99999Hz，因此計(jì)數(shù)器按十進(jìn)制計(jì)數(shù)。設(shè)計(jì)中采用了74LS90計(jì)數(shù)器。顯示譯碼器采用與共陰數(shù)碼管匹配的74LS48，74LS48是一個(gè)7段碼數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)芯片，通過它解碼，數(shù)碼管可以直接把數(shù)字顯示出來，以顯示5位數(shù)字，滿足所測(cè)頻率范圍為1Hz～99999Hz的設(shè)計(jì)要求。

分頻器的作用是為了獲得1s的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。電路首先對(duì)1MHz信號(hào)進(jìn)行1000000分頻得到周期為1s的脈沖信號(hào)。然后再進(jìn)行二分頻得到占空比為50%脈沖寬度為1s的方波信號(hào)，由此獲得測(cè)量頻率的基準(zhǔn)時(shí)間。利用此信號(hào)去打開與關(guān)閉控制門，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)1s時(shí)間內(nèi)通過控制門的被測(cè)脈沖的數(shù)目進(jìn)行控制。

NE555的作用是用內(nèi)部的定時(shí)器來構(gòu)成時(shí)基電路，巧妙地將模擬電路和數(shù)字電路結(jié)合在一起，給其他的電路提供時(shí)序脈沖。振蕩電路如圖所示。

為了能測(cè)量不同電平值與波形的周期信號(hào)的頻率，必須對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行整形處理，使之成為能被計(jì)數(shù)器有效識(shí)別的脈沖信號(hào)。波形整形采用施密特觸發(fā)器，如圖所示。

控制門用于控制輸入脈沖是否送計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。它的一個(gè)輸入端接標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)，另一個(gè)輸入端接被測(cè)脈沖?？刂崎T可以用與非門來實(shí)現(xiàn)。

計(jì)數(shù)器的作用是對(duì)輸入脈沖計(jì)數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求量頻率為99999Hz，采用5位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。可以選用10進(jìn)制集成計(jì)數(shù)器。74LS90是一種典型的集成異步計(jì)數(shù)器，可實(shí)現(xiàn)二-五-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

LED顯示器選用的是共陰極數(shù)碼管，驅(qū)動(dòng)器，常用在各種數(shù)字電路和單片機(jī)系統(tǒng)的顯示系統(tǒng)中。

設(shè)計(jì)制作的全過程是相當(dāng)艱辛復(fù)雜的。首先要進(jìn)行整體構(gòu)思，設(shè)計(jì)出完整的框圖，然后就是要根據(jù)框圖設(shè)計(jì)電路。畫電路，至關(guān)重要，需反復(fù)修改完善，等確定了以后，就要準(zhǔn)備采購(gòu)元器件，要根據(jù)技術(shù)指標(biāo)選擇，還要根據(jù)元器件與元器件之間是否匹配。接下來是畫PCB板，制板，元器件的安裝，這一環(huán)節(jié)也相當(dāng)重要，一旦出現(xiàn)虛焊，漏焊等現(xiàn)象，說不定板子就將報(bào)廢，一切須得重頭再來，板子完工以后，最后就是要檢測(cè)與調(diào)試，這也需反復(fù)修改。這是不可避免的。設(shè)計(jì)思路是最重要的部分之一，元器件的安裝也是重要的一環(huán)。任何一環(huán)出錯(cuò)都會(huì)導(dǎo)致不成功。因此我們應(yīng)該在設(shè)計(jì)前做好充分的準(zhǔn)備，像查找資料必須充足，這樣可以打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。制作過程是一個(gè)考驗(yàn)人耐心的過程，不能有絲毫的急躁。

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