数字频率计设计

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1、第第 2 节节 数字频率计设计数字频率计设计 学习要求学习要求 了解数字频率计测频率与测周期的基本原理；熟练掌握数字频率计的设计与调试方法及减小测量误差的方法。 重点与难点重点与难点 重点：重点：数字频率计的组成框图和波形图。 难点：难点：时基电路和逻辑控制电路。 理论内容理论内容 一、数字频率计测频率的基本原理一、数字频率计测频率的基本原理 所谓频率，就是周期性信号在单位时间(1s)内变化的次数。若在一定时间间隔 T 内测得这个周期性信号的重复变化次数为 N，则其频率可表示为 f=N/T (1) 图 1 数字频率计的组成框图和波形图 图 1(a)是数字频率计的组成框图。被测信号经放大整形电路

2、变成计数器所要求的脉冲信号I，其频率与被测信号的频率相同。时基电路提供标准时间基准信号II，其高电平持续时间txvxf1=1 秒，当l秒信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，直到l秒信号结束时闸门关闭，停止计数。若在闸门时间 1s内计数器计得的脉冲个数为N，则被测信号频率=NHz。逻辑控制电路的作用有两个：一是产生锁存脉冲IV，使显示器上的数字稳定；二是产生清“0”脉冲V，使计数器每次测量从零开始计数。各信号之间的时序关系如图 1(b)所示。 xfhttp:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛二、数字频率计的主要技术指标二、数字频率计的主要技术指标 1、频率准确度

3、一般用相对误差来表示，即 +=ccxxx ff Tfff1式中，NNN Tfx11=为量化误差(即1 个字误差)，是数字仪器所特有的误差，当闸门时间 T 选定后，越低，量化误差越大；xfTT ffcc=为闸门时间相对误差，主要由时基电路标准频率的准确度决定，xcc Tfff1。 2、频率测量范围 在输入电压符合规定要求值时， 能够正常进行测量的频率区间称为频率测量范围。 频率测量范围主要由放大整形电路的频率响应决定。 3、数字显示位数 频率计的数字显示位数决定了频率计的分辨率。位数越多，分辨率越高。 4、测量时间 频率计完成一次测量所需要的时间，包括准备、计数、锁存和复位时间。 三、数字频率计

4、的电路设计与调试三、数字频率计的电路设计与调试 1.基本电路设计 数字频率计的基本框图如图 2 所示，各部分作用如下。 放大整形电路 放大整形电路由晶体管 3DG100 与 74LS00 等组成。其中 3DGl00 组成放大器将输入频率为的周期信号如正弦波、三角波等进行放大。与非门 74LS00 构成施密特触发器，它对放大器的输出信号进行整形，使之成为矩形脉冲。 xf 时基电路 时基电路的作用是产生一个标准时间信号（高电平持续时间为 1s） ，由定时器 555 构成的多谐振荡器产生。若振荡器的频率，则振荡器的输出波形如图 1 中Hz8 . 0)tt/(1f210=+=http:/ 电子发烧友

5、http:/ 电子技术论坛的波形II所示，其中t1=1s，t2=0.25s。由公式t1=0.7(R1+R2)C和t2=0.7R2C，可计算出电阻R1、R2及电容C的值。 逻辑控制电路 根据图 1(b)所示波形，在计数信号 II 结束时产生锁存信号 IV，锁存信号 IV 结束时产生清“0”信号 V。脉冲信号 IV 和 V 可由两个单稳态触发器 74LS123 产生，它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。 设锁存信号IV和清“0”信号V的脉冲宽度tw相同，如果要求tw=0.02s，则得tw=0.45RextCext=0.02s。若取Rext=10k，则Cext=tw/0.45Rext=4.4F。 由

6、 74LS123 的功能可得，当1B1R1D=、触发脉冲从 1A 端输入时，在触发脉冲的负跳变作用下，输出端Q1可获得一负脉冲，其波形关系正好满足图 1 所示的波形 IV 和 V 的要求。手动复位开关 S 按下时，计数器清“0” 。 http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛图 2 频率计整机电路图 锁存器 锁存器的作用是将计数器在 1s 结束时所计得的数进行锁存，使显示器上能稳定地显示此时计数器的值。如图 1(b)所示，1s 计数时间结束时，逻辑控制电路发出锁存信号 IV，将此时计数器的值送译码显示器。 http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛选用两个 8 位锁存器 7

7、4L273 可以完成上述功能。当时锁存信号 CP 的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，即。从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。高电平结束后，无论 D 为何值，输出端的状态仍保持原来的状态不变。所以在计数期间内，计数器的输出不会送到译码显示器。 2、扩展电路的设计 按照上述方法所设计的数字频率计电路，测量的最高频率只能为 9.999kHz，完成一次测量的时间约 1.25s。若被测信号频率增加到数百千赫兹或数兆赫兹时，则需要增加频率范围扩展电路。 图 3 频率范围量程扩展电路 频率范围扩展电路如图 3 所示，该电路可实现频率量程的自动转换。其工作原理是：当被测信号频率升高，千位计数器已满，需

8、要升量程时，计数器的最高位产生进位脉冲Q3，送到由 74LS92 与两个D触发器共同构成的进位脉冲采集电路。第一个D触发器的 1D端接高电平，当Q3的下跳沿来到时，74LS92 的Q0端输出高电平，则第一个D触发器的 1Q端产生进位脉冲并保持到清“0”脉冲到来。该进位脉冲使多路数据选择器 74LS151 的地址计数器74LS90 加 1， 多路数据选择器将选通下一路输入信号， 即比上一次频率低 10 倍的分频信号，由于此时个位计数器的输入脉冲的频率比被测频率低 10 倍，故要将显示器的数乘以 10才能得到被测频率值，这可以通过移动显示器上小数点的位置来实现。如图 3 所示，若被测xfhttp:

9、/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛信号不经过分频（100输出） ，显示器上的最大值为 9.999kHz，若经过 101分频后，显示器上的最大值为 99.99 kHz，即小数点每向右移动一位，频率的测量范围扩大 10 倍。 进位脉冲采集电路的作用是使电路工作稳定，避免当千位计数器到 8 或 9 时，产生小数点的跳动。第二个 D 触发器用来控制清“0” ，即有进位脉冲时电路不清“0” ，而无进位时则清“0” 。 当被测频率降低需要转换到低量程时，可用千位（最高位）是否为零来判断。在此利用千位译码器 74LS48 的灭零输出端RBO，当RBO端为零时，输出为零，这时就需要降量程。因此，取其非

10、作为地址计数器 74LS90 的清“0”脉冲。为了能把高位多余的零熄灭，只需把高位的灭零输入端RBI，同时把高位的RBO与低位的RBI相连即可。由此可见，只有当检测到最高位为“0” ，并且在该 1 秒钟内没有进位脉冲时，地址计数器才清“0”复位，即转换到最低量程，然后再按升量程的原理自动换档，直到找到合适的量程。若将地址译码器 74LS138 的输出端取非，变成高电平以驱动显示器的小数点 h，则可显示扩展的频率范围。 四、数字频率计测周期的基本原理四、数字频率计测周期的基本原理 当被测信号的频率较低时， 采用直接测频方法由量程误差引起的测频误差太大， 为了提高测低频时的准确度，应先测周期，然后

11、计算。 xTxfxT/1数字频率计测周期的原理框图如图 4 所示。被测信号经过放大整形电路变成方波，加到门控电路产生闸门信号，如10ms，则闸门打开的时间也为 10ms，在此期间内，周期为的标准脉冲通过闸门进入计数器计数。若1us，则计数器计得的脉冲数 N=/ =10000 个。若以毫秒（ms）为单位，则显示器上的读数为 10.000。 xTsTxTxTsT以上分析可见， 频率计测周期的基本原理正好与测频相反， 即被测信号用来控制闸门电路的 开通与关闭，标准时基信号作为计数脉冲。 图 4 数字频率计测周期的基本原理 http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛