数字频率计的设计与制作在许多情况下我们要对信号的频率进行测量.doc

数字频率计的设计与制作 在许多情况下，我们要对信号的频率进行测量。利用示波器可以粗略测量被测信号的频率，精确测量则要用到数字频率计。数字频率计的设计中用到的数字技术很多，本节数字频率计的设计与制作项目可以进一步加深我们对数字电路应用技术方面的了解与认识，进一步熟悉数字电路系统设计、制作与调试的方法和步骤。 1.1 电路设计 1．设计要求 设计并制作出一种数字频率计，其技术指标如下： （1）频率测量范围：10~9999Hz。 （2）输入电压幅度：300mV~3V。 （3）输入信号波形：任意周期信号。 （4）显示位数：4位。 （5）电源：220V、50Hz。 2．数字频率计的基本原理 数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。频率是单位时间(1s)内信号发生周期变化的次数。如果我们能在给定的1s时间内对信号波形计数，并将计数结果显示出来，就能读取被测信号的频率。数字频率计首先必须获得相对稳定与准确的时间，同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号，然后通过计数器计算这一段时间间隔内的脉冲个数，将其换算后显示出来，这就是数字频率计的基本原理。 3．系统框图 从数字频率计的基本原理出发，根据设计要求，得到如图1所示的电路框图。 图1 数字频率计框图 下面介绍框图中各部分的功能及实现方法。 （1）电源与整流稳压电路 框图中的电源采用50Hz的交流市电。市电被降压、整流、稳压后为整个系统提供直流电源。系统对电源的要求不高，可以采用串联式稳压电源电路来实现。 （2）全波整流与波形整形电路 本频率计采用市电频率作为标准频率，以获得稳定的基准时间。按国家标准，市电的频率漂移不能超过0.5Hz，即在1%的范围内。用它作普通频率计的基准信号完全能满足系统的要求。全波整流电路首先对50Hz交流市电进行全波整流，得到如图2（a）所示100Hz的全波整流波形。波形整形电路对100Hz信号进行整形，使之成为如图2（b）所示100Hz的矩形波。 图2 全波整流与波形整形电路的输出波形 采用过零触发电路可将全波整流波形变为矩形波，也可采用施密特触发器进行整形。 （3）分频器 分频器的作用是为了获得1s的标准时间。电路首先对图2所示的100Hz信号进行100分频，得到如图3（a）所示周期为1s的脉冲信号，然后再进行二分频得到如图3（b）所示占空比为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，可以获得在1s时间内通过控制门的被测脉冲的数目。 图3 分频器的输出波形 分频器可以由计数器通过计数获得。二分频可以采用T'触发器来实现。 （4）信号放大、波形整形电路 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放大与整形处理，使之成为能被计数器有效识别的脉冲信号。信号放大与波形整形电路的作用即在于此。信号放大可以采用一般的运算放大电路，波形整形可以采用施密特触发器。 （5）控制门 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。控制门可以用与门或或门来实现。当采用与门时，秒信号为正时进行计数；当采用或门时，秒信号为负时进行计数。 （6）计数器 计数器的作用是对输入脉冲计数。根据设计要求，最高测量频率为9999Hz，应采用4位十进制计数器。可以选用现成的十进制集成计数器。 （ 7）锁存器 在确定的时间（1s）内计数器的计数结果(被测信号频率)必须经锁定后才能获得稳定的显示值。锁存器通过触发脉冲的控制，将测得的数据寄存起来，送显示译码器。锁存器可以采用一般的8位并行输入寄存器，为使数据稳定，最好采用边沿触发方式的器件。 （8）显示译码器与数码管 显示译码器的作用是把用BCD码表示的十进制数转换成能驱动数码管正常显示的段信号，以获得数字显示。 显示译码器的输出方式必须与数码管相匹配。 4．实际电路 根据系统框图，设计出的数字频率计的电路如图4所示。 图4 数字频率计的电路图 图中，稳压电源采用7805来实现，电路简单可靠，电源的稳定度与波纹系数均能达到要求。 对100Hz全波整流输出信号分频，由7位二进制计数器74HC4024组成一百进制计数器来实现。计数脉冲下降沿有效。在74HC4024的Q7、Q6、Q3端通过与门加入反馈清零信号。当计数器输出为二进制数1100100(十进制数为100)时，计数器异步清零，实现一百进制计数。为了获得稳定的分频输出，清零信号与输入脉冲“与”后再清零，使分频输出脉冲在计数脉冲为低电平时能保持一段时间(10ms)的高电平。 电路中采用双JK触发器74HCl09中的一个触发器组成T'触发器。它将分频输出脉冲整形为脉宽为ls、周期为2s的方波。从触发器Q端输出的信号加至控制门，确保计数器只在ls的时间内计数。从触发器端