1 頻率計數(shù)器整體方案設計
所謂頻率就是信號在單位時間內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖個數(shù)，其數(shù)學表達式為f=N／T,，其中f為被測信號的頻率,；N為T時間內(nèi)所累計的脈沖個數(shù)；T為計數(shù)時間,。計數(shù)器單位時間內(nèi)的計數(shù)結果,，即為被測信號的頻率。本系統(tǒng)就是按照頻率的這一定義來實現(xiàn)其測量的,，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,、計數(shù)顯示電路,、時基產(chǎn)生電路4大部分構成，其工作原理為：被測頻率信號經(jīng)過放大,、整形之后,，將其變換為頻率與之相等的計數(shù)脈沖信號，作為閘門的一路輸入信號,，而時基產(chǎn)生電路產(chǎn)生方波信號,，送給邏輯控制電路，產(chǎn)生控制閘門開啟和關閉的門控信號,，作為閘門的另一路輸入信號,。門控信號為高電平時，閘門開啟,，計數(shù)脈沖信號通過閘門進入十進制計數(shù)器進行計數(shù),；門控信號為低電平時，閘門關閉,，十進制計數(shù)器停止計數(shù),，計數(shù)的結果通過譯碼顯示電路顯示出來。本系統(tǒng)可實現(xiàn)10～9 999 Hz信號的頻率測量,，還可通過調(diào)節(jié)555定時電路的輸出頻率改變測量精度,。
2 頻率計數(shù)器硬件電路設計
2．1 輸入電路設計
實際測量中的輸入信號種類繁多，可能是正弦波、三角波,、方波或其他形式的波形,，不能夠滿足后級的閘門或計數(shù)電路要求，所以在測量的時候需要將被測信號經(jīng)過一個整形電路,，將其變化成滿足計數(shù)電路要求的脈沖信號,。并且在整形之前由于不清楚被測信號的強弱的情況，所以還要考慮信號的放大衰減處理,。當輸入信號電壓幅度較大時,，通過輸入衰減電路將電壓幅度降低。當輸入信號電壓幅度較小時,，則調(diào)節(jié)輸入放大的增益,，使被測信號得以放大。如圖2所示為放大整形電路,。為保證測量精度，在整形電路的輸入端加一前置放大器,，對幅值
較低的被測信號經(jīng)放大后再送入整形電路整形,。模塊電路由單級共射放大電路、74LS00與非門和基本RS觸發(fā)器所構成,，其中3DG100為放大器,，可對周期信號進行放大后再傳入整形器中對信號進行整形。輸入電路通過基于multisim仿真軟件的電路仿真,，可實現(xiàn)正弦波,、三角波到脈沖信號的轉(zhuǎn)換，如圖3所示,。
2．2 時基產(chǎn)生電路設計
為了獲得較為穩(wěn)定的時間基準信號,，以便準確地控制閘門的開啟與關閉時間，本設計采取用555定時器組成的多諧振蕩器作為時基產(chǎn)生電路,，要求其產(chǎn)生頻率為1 kHz的脈沖,。振蕩器的頻率計算公式為：
，因此,，可確定各個參數(shù),，并通過電路仿真得到了比較穩(wěn)定的脈沖信號，這里取R1=47 kΩ,，R2=39 kΩ,，C=10μF。為了提高測頻精度以及顯示穩(wěn)定,，這里加入了一個電位器,，可改變振蕩器的輸出頻率，以改變閘門時間。
2．3 邏輯控制電路設計
邏輯控制電路是本設計最為關鍵和難搞的模塊,，主要是控制閘門的開啟和關閉,，同時也控制整機系統(tǒng)的邏輯關系，包括產(chǎn)生74LS90的清零信號,，74LS373的鎖存信號以及譯碼顯示電路的控制信號,。這里采用兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123組成邏輯控制電路，當
1,，觸發(fā)脈沖從A端輸入,，其輸出信號控制整機系統(tǒng)正常工作。當控制電路輸出為高電平時,，閘門開啟,，被測信號通過閘門進入計數(shù)電路，于是計數(shù)器譯碼器同時工作,，從而記下所測信號頻率值,。當控制電路輸出為低電平時，閘門關閉,，計數(shù)器停止工作,，數(shù)碼管繼續(xù)顯示所測頻率值。直到下一次測量,，當手動復位開關S按下時,，計數(shù)器清零，數(shù)碼管顯示消失,，頻率計數(shù)器完成一次測量,。這里閘門采用74LS00與非門。時基產(chǎn)生電路原理圖和仿真波形圖如圖4,、圖5所示,。
2．4 計數(shù)與顯示電路設計
本模塊電路如圖6所示，由計數(shù)器,、鎖存器,、譯碼器和LED顯示4部分組成。其中74LS90是常用的二-五-十進制異步計數(shù)器,。本設計要求采用8421碼的十進制計數(shù),，所以，當R01R02=0,，S01S02=0,，計數(shù)脈沖從CP1輸入，CP2接QA,，實現(xiàn)十進制計數(shù)功能,。而R01R02連接控制電路的輸出,，在控制信號為高電平時，閘門開啟,，計數(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,，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,，那么器的輸出結果一直往數(shù)碼管里送。由于在計數(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，無法觀測數(shù)據(jù),，計數(shù)停止,，數(shù)碼管也停止顯示。為解決這個問題,，可通過鎖存信號,，實現(xiàn)計數(shù)時數(shù)碼管不顯示，計數(shù)停止后,，數(shù)碼管再顯示計數(shù)器的計數(shù)結果的功能。
3 結語
本頻率計數(shù)器經(jīng)過測試與應用,，確保能正確傳輸信號及實現(xiàn)頻率的測量,。在電路改進方面可在時基電路的555定時器的管腳2與7之間加了2個反方向的二極管，并設置參數(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顯示器實現(xiàn)共陽極顯示,，以及為提高測量精度,，增加由74LS90構成的分頻電路。