基于51设计频率计（含代码，原理图）

ID:133369 · 发表于 2016-7-18 13:58

数字频率计设计
一、设计任务
设计一个数显频率计。要求如下：
1、测量频率采用4位LED数字显示。
2、频率测量范围1Hz~1MHz。
3、分辨率：1Hz。
4、输入信号波形：正弦波、方波、三角波。
5、输入信号幅度：0.5~5V。
6、量程选择：×1、×10、×100三档。

二、设计方案分析
所谓“频率”就是周期信号在单位时间（1秒）内变化的次数。若在一定的时间间隔T
内将信号变化的次数N测量出来，即可测量出信号的频率，传统的测量频率的方法就是直接测频法。为了说明直接测频法的工作原理，可参考图所示的方框图。首先将被测量的信号通过脉冲整形电路转换成脉冲信号，然后将其输入到“闸门”的一个输入端。“闸门”的另一个输入信号是来自“门控电路”的输出，“门控电路”信号的输出时间T非常准确，T是由一个高稳定的石英晶体振荡器和一系列的分频器形成的，当“门控电路”输出时间T时，“闸门”被打开，被测量的脉冲信号通过闸门，送入到计数、译码显示电路上，若选择合适的T(假设1秒)，则计数器计数的脉冲个数就是要测量的信号的频率。由于“闸门”的开启时刻与计数脉冲之间的时间关系是不相关的，即它们在时间上是随机的，所以测频存在“±1”误差，在T(一般1秒)一定时，计数频率越高，测频相对误差越小；反之计数频率越低，测频的相对误差越大。所以直接测频法适合于测量高频信号的频率。

                              图1  直接频率测量原理图
另外为了能够稳定的显示测量信号的频率，实际电路中还应加入逻辑控制单元，为了扩大测量信号的频率范围，还要有量程扩展电路等。一个实用的频率计电路的组成框图如图
所示。时基信号产生电路主要由晶体振荡器和分频器组成，产生我们所需要的不同频率（例如1Hz、10Hz、100Hz）的时标信号，通过“闸门时间”选择开关S选出我们需要的时标信号，并加到“门控电路”电路，例如当S打在位置1Hz时，“门控电路”产生T=1s的门控信号，此时频率计量程相当于×1；当S打在位置10Hz时，“门控电路”产生T=0.1s的门控信号，此时频率计量程相当于×10。逻辑控制单元电路就是控制计数器正常顺序工作的，控制电路的作用是：其一，产生锁存信号，使显示的数字稳定。其二，产生定时清零信号，使计数器每次从零开始计数，控制电路的各点时序波形图如图所示。

图2  数字频率计系统组成框图

                           图3  数字频率计控制电路的工作波形图

三、主要单元电路参考设计
1、放大整形电路
为了能够正确测量小信号幅值的频率，首先要把小信号放大到合适的幅度，在进行将其
整形成同频率的脉冲信号，然后对脉冲信号计数。图  电路就是实现了这个功能，三极管T组成放大器，要求放大器的频带要足够宽。CD4093是施密特触发器，其整形作用。

图4  输入信号放大整形电路

2、晶体振荡及时标信号产生电路
晶体振荡器选择输出频率为1MHz的有源晶体振荡器。有源晶振一般都采用金属外壳封装，而且采用完全密封方式，所以工作稳定，使用简单，只要外加正确电源电压，即可输出稳定的信号。
时标信号产生电路是将有源晶体振荡器输出的1MHz信号经过由集成同步十进制计数器CD4518组成的一系列十分频器构成的，电路如图  。CD4518是一个双十进制计数器，要得到1Hz、10Hz、100Hz的标准时标信号，采用3片CD4518即可。

图5  时标信号产生电路

3、门控及逻辑控制电路
门控及逻辑控制电路的各点波形的要求如图  所示。其基本功能是：在时标脉冲信号的作用下，首先输出一个门控标准时间T（例如1s），在这个时间内，计数器记录下输入脉冲的个数；然后逻辑控制电路发出一锁存保持信号，使记录下的脉冲个数被锁存并显示；最后逻辑控制电路输出一清零脉冲，使计数器的原记录数据被清零，准备下次计数。图5.8.5所示电路即可实现上述功能。

图6  门控及逻辑控制电路
在图电路中，双JK触发器74LS76中的F1触发器用来产生计数门控脉冲，假设F1、F2触发器的初始状态均为零，当第一个时标脉冲CPS到来时，F1的输出1Q变为‘1’，此时被测量的脉冲就通过闸门G送入计数器；当第二个时标脉冲到来时，F1的输出1Q由‘1’变为‘0’，同时产生一个下跳沿，F2触发器的输出2Q变为‘1’，2为‘0’，此时F2的输出对时标信号起到了“封锁”，若时钟CPS选用周期为1s，则1Q输出门控信号的高电平宽度为1s，这时计数器记录的便是1s内的输入脉冲个数，即输入信号的频率。“锁存”信号和“清零”信号是由集成单稳态触发器CD4538实现的，CD4538是双可重复触发的单稳态触发器，触发方式灵活。当1Q由‘1’变‘0’时，CD4538A被触发，输出一个“锁存”信号，用于锁存计数器的输出数据不变，“锁存”时间一般选择零点几秒到几秒，本设计选择在1s左右。当“锁存”信号结束时，CD4538B被触发，它输出一个“清零”信号，“清零”信号的脉冲较窄，一般选择0.1s左右，该信号的作用一方面使计数器的数据清零，另一方面使F2触发器被清零，2变为‘1’，为下一次测量做好准备；故F2是闭锁触发器，它保证在F1形成一次门控信号后，需要间隔显示和清零两段时间后，才可再形成下一次门控信号。该电路的工作时序关系图如图5.8.6所示。图中R—C网络是开机复零电路，目的使F1的初始状态处于“0”状态。

4、计数、锁存、译码、显示电路
根据设计任务要求最大输入信号频率为1MHz，采用4位LED显示，所以最大量程扩展×100。计数器采用两片CD4518即可完成，CD4518具有异步清零功能。BCD码显示译码器选用CD4511。CD4511译码器用于驱动共阴极LED数码管，它是将锁存、译码、驱动三种功能集于一身的集成电路。锁存器的作用是避免在计数过程中出现跳数现象，便于观察和记录。其中LE端是锁存控制端，LE=0时选通，LE=1时锁存，将单稳态触发器CD4538A的输出“锁存”信号连接显示译码器CD4511的LE端，可得到正常的显示；将单稳态触发器CD4538B的输出“清零”信号清零单稳态触发器连接到十进制计数器CD4518的清零端（高电平清零）即可。图中连接在LED数码管公共端对地的电阻是限流电阻。

图7
四、电路安装与调试
1、在安装电路之前，应仔细查阅本设计所用的电子元器件及集成电路的参数、功能及
管脚排列，画出单元电路及系统电路的安装图。
2、放大整形电路的调试。在电路加电前，首先检查电路的安装有无短路、开路及连接
有无错误。待电路正确无误后，加上电源，在无输入信号下，调节基极电位器RW，使三极管的集电极直流电位大约等于2V左右。然后输入大小等于0.5V，频率等于1KHz的正弦波信号，用示波器观察CD4093的输出波形是否正确。
3、晶体振荡及时标信号产生电路调试。在检查安装正确无误后，加入电源电压，首先用示波器观察1MHz有源晶体振荡器的输出波形是否正确，然后用示波器逐级观察由CD4518组成的分频器的输出波形。
4、计数器、锁存译码及显示单元单路调试。在检查安装正确无误后，加入电源电压。将计数器的清零端接地，译码器CD4511的LE端接地。将一标准频率为1~10Hz的方波信号输入到计数器的计数脉冲输入端，观察LED数码管显示数字发的变化是否正确。
5、门控及逻辑控制电路调试。将一频率为10Hz的标准方波信号输入到门控电路中，把示波器扫描速度打在最低处，分别观察“门控输出”、“锁存信号”、“清零信号”各点的波形变化情况。
6、整机联调。将以上调试好的单元电路相互连接起来，输入一个被测信号，观察实际测试的频率值是否准确，同时分析误差大小。

五、思考题
1、测量低频信号时，利用直接频率测量方法可能有较大的误差，人们一般采用“测量周期”的方法，是简述测量周期来实现测量频率的工作原理，并画出原理图。
2、在数字频率中，逻辑控制电路的作用是什么？是否可用其他的器件来实现逻辑控制功能？画出设计的逻辑控制电路。
3、在晶体振荡器电路中，本设计采用了有源晶体振荡器。如果现有1MHz的无源振荡器元件，试设计出产生标准时标信号的电路（产生1Hz信号）。
4、在该数字频率计中，输入信号放大电路能否采用通用型集成运算放大器LM741实现？为什么？试设计一个利用集成运算放大器实现并满足要求的信号放大电路。
5、在单稳态触发器中，什么叫做可重复触发？什么叫不可重复触发？在电路图6中，试画出在时标信号作用下，电路各点的输出波形。

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