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。

　　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。

　　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,。

　　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(yǔ)

　　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(yáng)極LED顯示器實(shí)現(xiàn)共陽(yáng)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。