數(shù)字集成芯片構(gòu)成的頻率計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)

摘要：頻率計(jì)數(shù)器是一種用數(shù)字顯示的頻率測(cè)量儀表，它不僅可以潮量正弦信號(hào)、三角波信號(hào)、方波信號(hào)和尖脈沖信號(hào)的頻率，而且還能對(duì)其他多種非電量信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量。系統(tǒng)采用555定時(shí)器組成的多諧振蕩器作為時(shí)基產(chǎn)生電路，產(chǎn)生頻率為1 kHz的控制信號(hào)，而被測(cè)信號(hào)經(jīng)過一個(gè)放大整形電路，將其變化成滿足系統(tǒng)要求的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)，然后用頻率計(jì)數(shù)器測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)變化次數(shù)，即被測(cè)信號(hào)的頻率。
關(guān)鍵詞：頻率測(cè)量；555定時(shí)器；LED顯示；頻率計(jì)數(shù)器

    頻率計(jì)數(shù)器是一種用數(shù)字顯示的頻率測(cè)量儀表，它不僅可以測(cè)量正弦信號(hào)、三角波信號(hào)、方波信號(hào)和尖脈沖信號(hào)的頻率，而且還能對(duì)其他多種非電量信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量，例如機(jī)械振動(dòng)次數(shù)，物體轉(zhuǎn)動(dòng)速度，明暗變化的閃光次數(shù)，單位時(shí)間里經(jīng)過傳送帶的產(chǎn)品數(shù)量等，這
些物理量的變化情況可以通過相應(yīng)的傳感器先轉(zhuǎn)變成周期變化的電量信號(hào)，然后用頻率計(jì)數(shù)器測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)變化次數(shù)，利用8421碼編碼的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)的結(jié)果由譯碼顯示電路顯示出來。

1 頻率計(jì)數(shù)器整體方案設(shè)計(jì)
    所謂頻率就是信號(hào)在單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為f=N／T，其中f為被測(cè)信號(hào)的頻率；N為T時(shí)間內(nèi)所累計(jì)的脈沖個(gè)數(shù)；T為計(jì)數(shù)時(shí)間。計(jì)數(shù)器單位時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)結(jié)果，即為被測(cè)信號(hào)的頻率。本系統(tǒng)就是按照頻率的這一定義來實(shí)現(xiàn)其測(cè)量的，其系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

    本系統(tǒng)由輸入電路、邏輯控制電路、計(jì)數(shù)顯示電路、時(shí)基產(chǎn)生電路4大部分構(gòu)成，其工作原理為：被測(cè)頻率信號(hào)經(jīng)過放大、整形之后，將其變換為頻率與之相等的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)，作為閘門的一路輸入信號(hào)，而時(shí)基產(chǎn)生電路產(chǎn)生方波信號(hào)，送給邏輯控制電路，產(chǎn)生控制閘門開啟和關(guān)閉的門控信號(hào)，作為閘門的另一路輸入信號(hào)。門控信號(hào)為高電平時(shí)，閘門開啟，計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)通過閘門進(jìn)入十進(jìn)制計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)；門控信號(hào)為低電平時(shí)，閘門關(guān)閉，十進(jìn)制計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)的結(jié)果通過譯碼顯示電路顯示出來。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)10～9 999 Hz信號(hào)的頻率測(cè)量，還可通過調(diào)節(jié)555定時(shí)電路的輸出頻率改變測(cè)量精度。
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2 頻率計(jì)數(shù)器硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 輸入電路設(shè)計(jì)
    實(shí)際測(cè)量中的輸入信號(hào)種類繁多，可能是正弦波、三角波、方波或其他形式的波形，不能夠滿足后級(jí)的閘門或計(jì)數(shù)電路要求，所以在測(cè)量的時(shí)候需要將被測(cè)信號(hào)經(jīng)過一個(gè)整形電路，將其變化成滿足計(jì)數(shù)電路要求的脈沖信號(hào)。并且在整形之前由于不清楚被測(cè)信號(hào)的強(qiáng)弱的情況，所以還要考慮信號(hào)的放大衰減處理。當(dāng)輸入信號(hào)電壓幅度較大時(shí)，通過輸入衰減電路將電壓幅度降低。當(dāng)輸入信號(hào)電壓幅度較小時(shí)，則調(diào)節(jié)輸入放大的增益，使被測(cè)信號(hào)得以放大。如圖2所示為放大整形電路。為保證測(cè)量精度，在整形電路的輸入端加一前置放大器，對(duì)幅值
較低的被測(cè)信號(hào)經(jīng)放大后再送入整形電路整形。模塊電路由單級(jí)共射放大電路、74LS00與非門和基本RS觸發(fā)器所構(gòu)成，其中3DG100為放大器，可對(duì)周期信號(hào)進(jìn)行放大后再傳入整形器中對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形。輸入電路通過基于multisim仿真軟件的電路仿真，可實(shí)現(xiàn)正弦波、三角波到脈沖信號(hào)的轉(zhuǎn)換，如圖3所示。

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2．2 時(shí)基產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)
    為了獲得較為穩(wěn)定的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，以便準(zhǔn)確地控制閘門的開啟與關(guān)閉時(shí)間，本設(shè)計(jì)采取用555定時(shí)器組成的多諧振蕩器作為時(shí)基產(chǎn)生電路，要求其產(chǎn)生頻率為1 kHz的脈沖。振蕩器的頻率計(jì)算公式為：，因此，可確定各個(gè)參數(shù)，并通過電路仿真得到了比較穩(wěn)定的脈沖信號(hào)，這里取R1=47 kΩ，R2=39 kΩ，C=10μF。為了提高測(cè)頻精度以及顯示穩(wěn)定，這里加入了一個(gè)電位器，可改變振蕩器的輸出頻率，以改變閘門時(shí)間。
2．3 邏輯控制電路設(shè)計(jì)
    邏輯控制電路是本設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵和難搞的模塊，主要是控制閘門的開啟和關(guān)閉，同時(shí)也控制整機(jī)系統(tǒng)的邏輯關(guān)系，包括產(chǎn)生74LS90的清零信號(hào)，74LS373的鎖存信號(hào)以及譯碼顯示電路的控制信號(hào)。這里采用兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123組成邏輯控制電路，當(dāng)1，觸發(fā)脈沖從A端輸入，其輸出信號(hào)控制整機(jī)系統(tǒng)正常工作。當(dāng)控制電路輸出為高電平時(shí)，閘門開啟，被測(cè)信號(hào)通過閘門進(jìn)入計(jì)數(shù)電路，于是計(jì)數(shù)器譯碼器同時(shí)工作，從而記下所測(cè)信號(hào)頻率值。當(dāng)控制電路輸出為低電平時(shí)，閘門關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止工作，數(shù)碼管繼續(xù)顯示所測(cè)頻率值。直到下一次測(cè)量，當(dāng)手動(dòng)復(fù)位開關(guān)S按下時(shí)，計(jì)數(shù)器清零，數(shù)碼管顯示消失，頻率計(jì)數(shù)器完成一次測(cè)量。這里閘門采用74LS00與非門。時(shí)基產(chǎn)生電路原理圖和仿真波形圖如圖4、圖5所示。

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2．4 計(jì)數(shù)與顯示電路設(shè)計(jì)
    本模塊電路如圖6所示，由計(jì)數(shù)器、鎖存器、譯碼器和LED顯示4部分組成。其中74LS90是常用的二-五-十進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器。本設(shè)計(jì)要求采用8421碼的十進(jìn)制計(jì)數(shù)，所以，當(dāng)R01R02=0，S01S02=0，計(jì)數(shù)脈沖從CP1輸入，CP2接QA，實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制計(jì)數(shù)功能。而R01R02連接控制電路的輸出，在控制信號(hào)為高電平時(shí)，閘門開啟，計(jì)數(shù)器工作。74LS273是帶有清除端的8D觸發(fā)器，只有在清除端CLR為高電平時(shí)，才具有鎖存功能，鎖存控制端為11腳CLK，采用上升沿鎖存。這里如果不加74LS273鎖存器，那么器的輸出結(jié)果一直往數(shù)碼管里送。由于在計(jì)數(shù)一直在工作，所以數(shù)碼管上面一直顯示數(shù)字，并且數(shù)字快速閃動(dòng)，無法觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)數(shù)停止，數(shù)碼管也停止顯示。為解決這個(gè)問題，可通過鎖存信號(hào)，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)時(shí)數(shù)碼管不顯示，計(jì)數(shù)停止后，數(shù)碼管再顯示計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果的功能。

3 結(jié)語
    本頻率計(jì)數(shù)器經(jīng)過測(cè)試與應(yīng)用，確保能正確傳輸信號(hào)及實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量。在電路改進(jìn)方面可在時(shí)基電路的555定時(shí)器的管腳2與7之間加了2個(gè)反方向的二極管，并設(shè)置參數(shù)相等的電阻R1、R2，這樣可得到占空比為50％的脈沖波形；還可將芯片CC4511和共陰極LED顯示器換為芯片74LS48和共陽極LED顯示器實(shí)現(xiàn)共陽極顯示，以及為提高測(cè)量精度，增加由74LS90構(gòu)成的分頻電路。