频率计报告原理部分

数字频率计的设计

一、 设计要求和指标

1、可测频率范围为10Hz~1MHz。

2、采用数码管显示，显示位数不少于6位。 3、显示时间从2~7秒可调。 4、输入阻抗大于10KΩ。

5、输入信号峰峰电压值在0.5~20V范围内可测。 二、 函数发生器的基本原理

一、测量原理

频率为单位时间内信号的周期数。对脉冲信号而言，其频率为一秒钟内的脉冲个数；计数器在一秒钟内对脉冲信号进行计数，计数的结果就是该信号的频率。只要计数结果以十进制方式显示出来，就是最简单的频率计。如图2.1.1所示，被测脉冲信号为X，在T1时刻出现一个脉冲宽度为一秒的闸门脉冲信号P，用闸门脉冲P取出一秒时间内的输入脉冲信号X形成计数脉冲Y，计数器对计数脉冲信号Y进行计数；计数的结果（频率值）在T2时刻被锁存信号S控制，锁存到寄存器，并通过译码器、显示器把并率显示出来。在T3时刻计数器被清除信号R清零，准备下一次的计数，一次测量结束。

图2.1.1 频率器的测量原理

显示数值在T2时刻更换，S脉冲信号的周期为显示时间，其大小反映显示值的变化快慢。 显示时间Tx为：

Tx=T3-T2+（0~2） （秒）

可见，改变T3-T2的值可调节显示时间，通常T3是通过T2的延时而得，通过调节延时时间来调节显示时间。

二、方案框图

频率计的框图如图2.1.2，由六部分组成，以计数器为核心，各部分的功能如下：

图2.1.2 频率计总体框图

1、计数器：在规定的时间内完成对被测脉冲信号的计数。由输入电路提供计数脉冲输入，对脉

冲进行计数（在规定的测量频率范围内计数无益出）。计数结果一般为十进制，并将计数结果输出送往寄存器，再由控制电路提供的清除信号R清零。等待下一次计数的开始。该部分主要考虑计数器的工作频率和计数容量问题。

2、锁存器：暂存每次测量的计数值。为显示电路提供显示数据。锁存器由控制电路提供的琐存信号S控制更换数值。以正确地显示每一次的测量结果。

3、译码显示电路：对锁存器的输出数据译码，变为七段数码显示码，并驱动数码显示器显示出十进制的测量结果。包括译码电路和驱动显示电路。

4、时基电路：提供电路所需的各种工作脉冲信号。主要由控制电路形成各种控制时序脉冲。频率的稳定和精确是重要考虑的问题，它决定了频率测量的准确程度。

5、输入电路：对各种输入信号进行放大处理，产生计数脉冲。该部分要适应各种输入信号，如对小信号进行放大，对大信号进行限幅，对高频信号和低频信号都能形成计数脉冲输出，以激励门电路。

6、控制电路：产生有一定的时序要求的锁存信号S、清除信号R等控制信号。给基准脉冲控制的闸门脉冲信号给输入电路取出计数脉冲。 三、 单元电路设计

1、输入电路 1）原理设计

输入电路是对输入信号进行放大或衰减，变成合适的电压范围，同时对输入信号进行隔直、比较、整形，处理成脉冲信号，再通过闸门电路，由基准脉冲选出计数脉冲进入计数器。

输入电路首先要隔离直流，然后对信号进行限幅和放大处理。放大电路可采用运算放大器构成。由于输出脉冲要求的幅度较大，要求能够驱动门电路，对运算放大器要求速度较高。图1是采用高速CMOS反相器74HC04构成放大电路的输入电路。该集成电路的平均传输延迟时间约9nS。采用三级串接，形成足够的放大倍数，放大电路的输出幅度大。输入端通过电容C隔离直流。二极管对输入信号进行限幅，使输入信号的电压范围变宽，满足设计要求。二极管最好选用结电容较小、开关速度较高的高频二极管，以免对高频信号造成损失。后两级形成施蜜特触发器对信号进行整形，同时也有一定的放大作用。调节RW可改变施密特触发器的阀值电压。

4HC04

图1 是采用74HC04构成的输入电路

2）电路调试

在电流板上焊接好元器件，对连接好的电路先不加输入信号，测量各级直流工作电压和电流是否正常。直流电压的测试非常方便，可直接测量。进行静态测试的目的主要是检测电路板中是否出现短路和断路的情况，防止在焊接电路的过程中出现的焊接问题给后面的电路检测带来问题。

在实验箱上调+5v的电源，给电路通上电，输入检测信号，从被检测的信号输入端输入幅值在1V左右，频率在1kHz，打开示波器，自检，把示波器的第一通道的接地端接地，探针放到输出端，用示波器观察电路的输出波形，理论上正常情况下，可以观测到与输入频率一致、信号幅值在5V的矩形波，在示波器上我们可以观察频率一致的波形但是波形有一点失真，通过请教老师可知，只是因为器件的性能关系，才带来的失真误差。

2、时基电路

图2 用CD4060集成电路的时基产生电路 图3 CD4060的引脚图 如图2，采用CD4060集成电路，它集振荡器和分频器于一体，用32.768KHz的石英晶体构成振荡器，经内部14级二进制分频获得2Hz的脉冲信号，再经一个由D触发器组成的2分频电路分

频得1S的基准脉冲信号，该电路结构最为简单，但只有一个1S的基准脉冲输出。

CD4060的引脚图如图3所示。

2）电路调试

时基电路的作用是产生一个标准时间信号，即高电平的持续时间为1S，该电路的静态调试已经在之前进行过，连接好电源和电路，函数信号发生器上产生一个2V频率为100Hz的信号，连入到电路，在示波器上观察波形，可是这次我们没有在示波器上发现波形，于是断开电源，对集成块的管脚进行检测，最终发现管脚子焊接时出错，排除了故障，最终可以再示波器上显示预期的波形，断开电源，整理好试验箱和导线。

3、计数器 1）原理设计

图4是采用三位十进制计数器CD4553的方案。CD4553为三位BCD码计数器，该电路的特点是只有一组BCD码输出端，但通过分时控制可形成三位BCD码输出，实现动态扫描，可节省译码

图5 CD4553内部逻辑框图

表1 CD4553的真值表

图6 CD4553功能引脚图

CD4553内部逻辑框图如图5所示。CD4553的真值表见表1。功能引出见图6。三个用负沿触发的BCD码计数器以同步工作方式级联。每个BCD码计数器输出端都有一个四位锁存器，通过门锁端LE控制。对计数器结果加以存储或传送。LE为高电平时执行锁存，LE为低电平时执行传数。锁存器与多路转换器配合，完成三组BCD码计数值的分时输出。数字选择输出端为分时输出同步控制信号，以实现对LED的动态显示，输出低电平有效。芯片内设置了一个扫描振荡器，用来产生扫描时钟脉冲，通过扫描器驱动多路转换器，完成分时输出。扫描频率由芯片3、4脚外接的电容器C值来设定，作为内部时钟；或由4脚直接输入外部时钟。使用内时钟时，电容器C的数值可按下式选取：扫描频率f (Hz)=1.2/C（uF）。

在时钟输入端设置了脉冲整形电路，因此对输入计数脉冲的沿口无特殊要求。13脚为复位端（MR），在高电平时，扫描振荡被禁止，扫描器被复位，数字选择输出端DS1、DS2、DS3均输出高电平，使显示消隐；同时还将3位BCD码计数器全部清零，14脚（OVF）为进位端，当本级输入第1000个计数脉冲时，OF端输出一正脉冲。

2）电路调试

连接好电路，通上+5V的电压，连接好示波器，观察示波器上的波形，我们可以观察到相邻计数器始终端的波形频率一次大约相差十倍，各电平值或波形与电路给出的状态大约一致其实对于这个电路的检测，我们发现在示波器上显示的波形的频率关系并不一致，而且波形也不正常，于是在老师的指导下对计数器和反馈门的各引脚电平与波形进行检测，最终发现了原因，原来我们的导线有问题，排除了故障。

4、译码显示电路 1）原理设计

图7为配合CD4553的译码显示方案，其中三极管Q1、Q2、Q3由CD4553控制循环选择动态的三位数码显示器。R1~R7为限流电阻。CD4543为七段锁存/译码/驱动器，其特点是既可驱动共阳或共阴的LED，也可驱动LCD，使用比较方便。

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图7 配合CD4553的译码显示电路

译码显示器也可选用CD4544，它和CD4543功能相同，只是多了RBI、RBO两个灭零输入和灭零输出端口。它们的引脚图如图8，功能表如表2。

对于该电路的调试，在焊接前要对七段数码管进行一个管脚检测步骤，检测掐断数码管同测试普通半导体二极管一样。注意!万用表应放在R×10K档，因为R×1K档测不出数码管的正反向电阻值。对于共阴极的数码管，红表笔接数码管的“-”，黑表笔分别接其他各脚。测共阳极的数码管时，黑表笔接数码管的接地端，红表笔接其他各脚。另一种测试法，用两节一号电池串联，对于共阴极的数码管，电池的负极接数码管的“-”，电池的正极分别接其他各脚。对于共阳极的数码管，电池的正极接数码管的接地端，电池的负极分别接其他各脚，看各段是否点亮。对于不明型号不知管脚排列的数码管，用第一种方法找到共用点，用第二种方法测试出各笔段a-g、接地端、H等。通过观察数码管的电量情况就可以该段电路的好坏。

5、控制电路

控制电路主要产生闸门信号、计数器清零信号、锁存器的锁存信号等控制信号，主要由闸门电路、延时电路、整形电路组成。

闸门电路主要产生闸门脉冲，它的脉冲宽度控制每一次的测量时间，如1S，0.1S等，由时基电路提供。图9为使用双D触发器CD4013构成的方案。清零信号脉冲对触发器UB清零，UB输出端Q为“0”使得 UA清零信号无效。基准脉冲上升沿到来使触发器UA翻转，Q端输出为“1”，第二个基准脉冲到来时，触发器UA翻转，Q端输出为“0”；同时输出端Q上升沿使得UB翻转，UB的，输出一个下降沿触发延时电路，UB的Q端变为“1”，对UA置零，使UA的Q

Q输出变为“0”

图9 控制电路

图11为采用三双精密可重触发单稳态触发器CD4538构成的延时电路，可输出锁存脉冲和清零脉冲信号。电路中利用一个单稳态触发器对闸门脉冲的后沿作延迟，延迟时间由定时电路参数决定约为R1C1，通过微分电路整形成一定宽度的脉冲，脉冲宽度约为0.7R2C2，从而形成锁存脉冲。注意脉冲宽度的不要选得太大。另一个单稳态电路是对锁存脉冲的延迟得到清零脉冲，其工作原理和锁存脉冲的延迟电路原理一样。CD4538的引脚图见图10，功能表见表3。

表3 CD4538的功能表

图10 CD4538引脚图

图11 由单稳态触发器CD4538构成的延时电路

6、整机电路调试

用导线接通所有的电路模块，再用万用表检测各模块之间是否连通，检测好后，从函数信号发生器上产生一个电压为2V频率为100Hz的信号，连接到电路的输入端，给电路上电，观察七段数码管是否正确显示频率的大小，这次为了节约成本，我们只用两块七段数码管来显示有三位数的显示，我们只显示十位和百位的数字，不断的检测与该进，最终我们成功的让其显示了正确的频率。再次在函数型号发生器上产生一个电压为2V频率为90Hz的信号。连接到电路，我们发现显示电路的百位七段数码显示0，十位七段数码显示9，这说明显示成功。最后断开电源，整理好实验箱和导线，调试结束。

四、 设计心得

经过一个星期的努力，我们小组的数字频率计制作和调试都圆满成功，我很高兴也很激动。因为自己付出得到了回报。在这过程中，我们小组很努力的去做比其他同学都认真，每一个孔的焊接，每一条线路的连接我们都很细心去做也有认真的去思考老师给我们的电路原理，，我们小组分工合作，我负责电路原理图和电路元件参数的计算与选取，黎德强同学则负责电子元器件的购买，黎德强是电子协会的，在这个制作过程中我向他学习了不少的知识，关鹏毅同学主要负责电路板的焊机工作，对于焊接我一直觉得是一件比较麻烦的事，这两位同学所辛苦的远远大于我了，在这里衷心谢谢这两位同学，在设计过程中我们也是相互学习的一个过程，每个人都有自己擅长的，我们通过实践相互交流，这是一种很好的学习过程。

调试过程中，我们也面临着很多问题，有时候电路板得不到预期的效果要求，通过检测也发现问题，有时是电路的焊接问题，有时是电路元器件参数不正确，有时电阻的误用等。有时候我们也不得不请教老师，跟老师讨论出现什么问题，，老师告诉我可能什么原因，在通过检查后发现问题，再解决这问题，我们的数字频率计就是这样完成的。再此我还要感谢我们的指导老师。

电子综合技能实训课程，是针对专业理论和实践相结合的一门过程，在设计的过程中，不但可以对以前所学到的专业知识作系统性的回顾，还可以学到不少的新知识，我想只有这样的课程才能更大程度的让我们的学习得到进步。