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数字频率计


频率计是一种对信号的频率进行测量的仪器，是一种典型的电子测量仪器。能对频率量进行测量的仪器有许多：如模拟频率表、示波器、数字频率计、微机化智能频率计等。本文将对数字频率计项目进行探讨并设计和制作。



一、频率信号测量的基础知识
实现对频率量测量的方法有许多种。如：频率/电压（F/V）变换法或频率/电流（F/I）变换法、直接测频法、测周期法、多周期同步（等精度）测量法等。
1、频率/电压（F/V）变换法
这种方法是将频率量通过特定的电子电路实现对输出电压或输出电流进行控制，使输出电压或输出电流能按照输入的频率作某种规律的变化，以使得可以利用电磁式模拟表头指示其频率的大小。常用的这一类电子电路有VFC32、AD650和LM331等专用的集成电路。其原理框图如图1-1所示。


图1-1 频率/电压变换法或频率电流变换法测频率 2、直接测频法
这种方法的测量原理是：由于频率是单位时间内信号发生周期变化的次数，使得我们可以在给定的单位时间1S内（称为闸门）对被测信号的脉冲数计数，得到的脉冲个数就是被测信号的频率。各种中规模计数器集成电路就非常适合于这种场合的应用，如CD4518、CD4017等。其原理框图和时序图如图1-2所示。

3、测周期法
虽然直接测频法可以测出单位时间内脉冲的个数即频率，但是对于较低频率的信号其检测误差会大大增大，例如1.8Hz的信号，在通过1秒的闸门时间内其0.8会被淹没，这是在高档频率计产品设计中所不允许的。解决这种现象的办法就是改直接测频法为测周期法。其指导思想是用被测信号的周期作为闸门，在该闸门时间内允许已知标准的短周期间隔的较高频率的信号通过，通过数字电路或微型计算机的运算，通过闸门的已知信号频率的个数越多，其被测频率就越低，其原理框图和时序图如图1-3所示。


1-3  （a） 测周期法原理框图；（b） 测周期法时序图

由此可见，为了获得较高的测量精度，在高频段，宜采用直接测频法；在低频段，宜采用测周期法。
4、多周期同步等精度测量法
由上面的分析我们知道，无论是直接测频法还是测周期法，都无法保证闸门信号和另一信号的首尾实现同步，这就难以保证获得较高的测量精度，其误差在一个脉冲之内。由此，当引入多周期同步等精度测量法时，可以较好的解决这个问题。
多周期同步等精度测量法的原理是：电路需引入一个比被测信号频率高若干倍的内部时基信号，测量结果的误差范围便在这一个时基信号范围内。首先由相应的控制电路给出闸门开启信号（称预开闸门），此时计数器并不开始计数，而是等到被测信号的上升沿到来时才真正开始计数（称真开闸门）。然后，两组计数器分别对被测信号和时基信号脉冲计数，当控制电路给出闸门关闭信号（称预关闸门），此时计数器并不停止计数，而是等到被测信号的上升沿到来时才真正停止计数（称真关闸门）这样，闸门时间是由时基信号脉冲的个数决定的，因此精确度较高，并且和被测信号基本同步，因此，其测量精确度极高。其时序图如图1-4所示，原理框图略。

三、整体电路及其设计分析
1） 整个装置的电路图（图3-1）





图4-3 (a) CD4013引脚图                        图4-3 (b) CD4013功能表


④CD4518
CD4518是一个内含两个完全相同的十进制计数器的功能块，主要用于多级同步计数、多级串行计数和同步分频器等。其引脚图、功能表和时序图如图4-4所示。






图4-4 (a) CD4518引脚图      图4-4 (b) CD4518功能表              图4-4 (C) CD4518时序图










⑤CD4511
CD4511是集锁存译码驱动于一体的LED数码管显示器电路，还具有灯测试、消隐等功能。其引脚图、功能表和显示图如图4-5所示。








图4-5 (a) CD4511引脚图                      图4-5 (b) CD4511功能表


                                   图4-5 (C) CD4511显示图


⑥LED数码管
LED数码管按颜色可分为红、绿、黄、橙，按极性可分为共阴、共阳，按尺寸可分为0.3英寸、0.5英寸、0.8英寸等。此外还有单体、双体、3位或4位一体等。
这里用0.5英寸红（或绿）色共阴单体数码管共4只，其引脚图如图4-6所示。图中，dp是小数点，com是公共端。


图4-6 LED数码管引脚图

     ⑦有条件的话，可用数字集成电路检测仪将上述数字集成电路检测一下，以确保元器件完好无损。



2) 电路连接
根据具体状况选择一种电路连接载体，如面包板、万能电路板、成品电路板或数字电子线路实验箱内的集成块插座）连接（或焊接）电路元器件，注意，集成电路和数码管应通过集成块插座和数码管插座同其他元器件连接，不可直接用其引脚连接。仔细检查无误后，连接5V直流电源。注意：在全局电路图中，各集成块电源和“地”没有画出，应根据集成块引脚图将电源和“地”连接好。 最后要接入被测信号，注意，被测信号频率和幅度应在被测量程范围之内。
2） 各单元电路的测试
电路所有元器件连接好后，接通电源，可以进行测试。
① 基准时间检测
CD4013的1脚（1Q）应输出各0.5秒的高、低电平，13脚（2Q）应输出各1秒的高、低电平。
②输入信号的检测
在fi端输入任意波形的信号，经限幅、放大与整形电路后在fo端应产生VP-P=VCC的等频矩形波。
③闸门输出信号检测
最右边的与非门是闸门，其输出端的波形应该是每隔一秒产生与输入信号等频的矩形波。
④计数器电路的检测
依次检测 4 个计数器 CD4518 EN端的输入波形，正常时，相邻计数器时钟端的波形频率依次相差 10 倍。如频率关系不一致或波形不正常，则应对计数器和反馈门的各引脚电平与波形进行检测。正常情况各电平值或波形应与电路中给出的状态一致。通过检测与分析找出原因，消除故障。如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测锁存器电路。
⑤锁存电路、显示译码电路与数码管显示电路的检测
依次检测CD4511锁存器各引脚的电平与波形。正常情况各电平值应与电路中给出的状态一致。其中，第5 脚的电平每隔 1S 钟跳变一次。如不正常，则应检查电路，消除故障。如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测锁存器电路。
检测显示译码器 CD4511 各控制端与电源端引脚的电平，同时检测数码管各段对应引脚的电平及公共端的电平。通过检测与分析找出故障。
用数字集成电路检测仪对所要用的 IC 进行检测，以确定每个器件完好。如有兴趣，也可对 LED 数码管进行检测，检测方法由自己确定。