数字频率计制作
作者：dolphin时间：2016-09-08
数字频率计是直接用十进制数码来显示被测信号频率的一种测量装置。本频率计在电路设计中充分考虑了课余制作的特点，电路简洁，功能实用，制作方便，调试简单，性能良好，成本低廉。
电路工作原理
频率是单位时间里脉冲的个数，数字式频率计的测量原理分直接测频率法和测周期法两类，直接测频法是测量单位时间内被测信号的周期数。
考虑使用常见元件和降低成本，本设计采用直接测频率法，电路主要由五部分组成，其方框图如图1所示。
被测信号经放大、整形后，送入计数器进行计数；秒脉冲电路产生标准秒脉冲，经闸门控制电路形成控制信号控制计数器的工作模式；计数结果由数码管直接显示出来。
电路原理图如图2所示。由以下几部分电路组成：
1．放大整形电路由Q3、Q4、VD3、VD4、IC4及外围元件组成，对输入信号进行放大、整形处理，将被测信号变换成矩形开关信号。输入信号由“lN”输入端输入，C3、C4、R6、R7、VD3、VD4组成输入及限幅保护电路。Q3、Q4组成宽频带放大器，Q3为结型场效应管、用于提高输入阻抗。4049反向器D5、D6和电阻R14、R15构成施密特触发器，将模拟信号变换成边沿陡直的方波脉冲送入计数器CP。C3、C4、C5、C7为耦合电容，C6、C8为旁路电容。2．秒脉冲产生电路秒脉冲由石英钟集成电路SM5544产生。该集成电路内包含32．768kHz晶振、多级分频、放大驱动电路等。由于IC1与外接的32．768KHz实时晶振共同构成32．768KHz振荡器，其3脚交替输出窄脉冲信号。脉宽31．2ms，周期2s，两输出脉冲时差1s，经三极管QQ1、Q1、QQ2、Q2放大后再和与非门IC2B作与非运算，输出周期为1s的窄脉冲。
各点波形如图3所示。
3．闸门控制电路其作用是形成计数器所需的控制脉冲。秒脉冲信号经八进制计数／分配器CD4022(IC3)、与非门IC2D、IC2A、IC2C处理后，形成清零信号R和闸门控制信号INH。当R=1时，计数器直接清零；INH接闸门控制信号，当INH=0时，计数器开始计数，当INH=1时。计数器停止计数，但显示的结果被保留。计数器按清零(31.2ms)→计数(1s)→显示(6．9688s)→清零(31．2ms)→……的模式循环工作，在8s的一个循环周期中，清零和计数的时间一共只有1s多，而显示时间将近7s，可以方便地读取数据。各点波形如图4所示。
4．计数，显示电路根据技术要求。选择五位计数显示电路，采用U1～U5共5块CMOS十进制计数7段译码器HCF4026BE和5个LED共阴极数码管组成十进制计数显示器。4026内部包括十进制计数器和7段译码器两部分，译码输出可以直接驱动LED数码管。 元件的选择
1．集成运放的选择根据主体设计思想、各部分电路的实际工作要求等相关内容，查阅集成电路手册，考查其内部电路结构和相关参数，石英钟集成电路选SM5544,组成施密特触发器的非门选HD14049UBP，秒脉冲处理电路选八进制计数／分配器CD4022BE，与非门电路选HEF4011BP，计数显示电路采用CMOS十进制计数／七段译码器HCF4026BE和LED共阴极数码管选GEM5101AE—D。实验得知完全能达到工作要求。
2．场效应管的选择根据技术指标，输入灵敏度30mV,为了提高输入阻抗和放大增益。所以选择3DJ7型场效应管。
3．三极管及其偏置电阻的选择由于石英钟集成电路SM554输出电平较低，小于4011与非门的开启电压，难以实现电平转换，因此选择4个三极管9013，使它们工作在开关状态，从而实现4022高低电平的转换。为保证4个三极管工作在开关状态，其偏置电阻选择10kΩ。在信号输入端，为保证较低信号整形，从场效应管输出实现波形放大，选三极管9018，同时为实现其工作在开关状态，取R9=15KΩ。R12=5．1KΩ，R10=300Ω，R13=33Ω。
4.二极管及限流电阻的选择查集成电路手册知，SM5544供电为1.2—1．8V，而整个系统工作电压是+5V，为此选择VD1、VD2、R1回路为IC1提供1．4V电源电压，VD1、VD2选1N4148，R1=5．1kΩ。
在信号输入端，为保证场效应管不致因输入电压过高而损坏，选择VD3、VD4两二极管IN4148对3DJ7起限幅保护作用。
5．耦合电容的选择技术指标要求测量频率的范围是1Hz-99．999kHz,根据XC=1／2πfC，如耦合电容取的过小，容抗太大，信号无法顺利传递；电容取的过大，会增加成本，为此耦合电容C3、C5、C7均选择容量为100μF/50V的电解电容,实验验证符合要求。6．其他辅件的选择选择21cm×23cm×8cm的塑料外壳做本机机壳。面板上有：数字显示窗口、信号输入端和一个电源开关。另外，在机壳后面装有两个接线柱是+5V电源的输入端，以备外接电源使用。外形如图5所示。
机内两线路板的连接导线用带插头的软排线；连接电源输入、开关的导线用红、黑色软线；信号输入用同轴电缆线。
制作及调试说明
该印制电路板图(双面板)如图6所示。先安装线路板，在装配线路板时，应注意：安装集成电路IC1～IC4，U1一U5可采用管座，切忌装反，引脚不折弯，若直接焊接动作要快，不能产生虚焊、脱焊现象。安装三极管9013、9018，场效应管3DJ7时，高度要适当。电解电容安装时注意极性，尽量贴近印制面。安装数码管DS1～DS5，小数点应在右下角，直立焊。
装配完毕，检查无误后,即可通电观测与调试，主要是调。整晶振频率为准确的32．768kHz,其他部分无需调试。调试方法有两种：(1)用一台可以测量时间的标准数字频率计，测量自制频率计秒脉冲产生电路中与非门IC2—4脚输出的秒脉冲信号周期。调节晶振微调电容器C2,使周期T精确地等于1S。
(2)用自制频率计与标准频率计，同时测量某一信号源产生的固定频率信号，调节晶振微调电容器C2，使自制频率计的读数。与标准频率计完全一致。
接通电源前，将开关置于“OFF”，再接通后面板电源，插入信号输入端子输入信号，将开关置于“ON”后，即可显示读数。
电路工作原理
频率是单位时间里脉冲的个数，数字式频率计的测量原理分直接测频率法和测周期法两类，直接测频法是测量单位时间内被测信号的周期数。
考虑使用常见元件和降低成本，本设计采用直接测频率法，电路主要由五部分组成，其方框图如图1所示。
被测信号经放大、整形后，送入计数器进行计数；秒脉冲电路产生标准秒脉冲，经闸门控制电路形成控制信号控制计数器的工作模式；计数结果由数码管直接显示出来。
电路原理图如图2所示。由以下几部分电路组成：
1．放大整形电路由Q3、Q4、VD3、VD4、IC4及外围元件组成，对输入信号进行放大、整形处理，将被测信号变换成矩形开关信号。输入信号由“lN”输入端输入，C3、C4、R6、R7、VD3、VD4组成输入及限幅保护电路。Q3、Q4组成宽频带放大器，Q3为结型场效应管、用于提高输入阻抗。4049反向器D5、D6和电阻R14、R15构成施密特触发器，将模拟信号变换成边沿陡直的方波脉冲送入计数器CP。C3、C4、C5、C7为耦合电容，C6、C8为旁路电容。2．秒脉冲产生电路秒脉冲由石英钟集成电路SM5544产生。该集成电路内包含32．768kHz晶振、多级分频、放大驱动电路等。由于IC1与外接的32．768KHz实时晶振共同构成32．768KHz振荡器，其3脚交替输出窄脉冲信号。脉宽31．2ms，周期2s，两输出脉冲时差1s，经三极管QQ1、Q1、QQ2、Q2放大后再和与非门IC2B作与非运算，输出周期为1s的窄脉冲。
各点波形如图3所示。
3．闸门控制电路其作用是形成计数器所需的控制脉冲。秒脉冲信号经八进制计数／分配器CD4022(IC3)、与非门IC2D、IC2A、IC2C处理后，形成清零信号R和闸门控制信号INH。当R=1时，计数器直接清零；INH接闸门控制信号，当INH=0时，计数器开始计数，当INH=1时。计数器停止计数，但显示的结果被保留。计数器按清零(31.2ms)→计数(1s)→显示(6．9688s)→清零(31．2ms)→……的模式循环工作，在8s的一个循环周期中，清零和计数的时间一共只有1s多，而显示时间将近7s，可以方便地读取数据。各点波形如图4所示。
4．计数，显示电路根据技术要求。选择五位计数显示电路，采用U1～U5共5块CMOS十进制计数7段译码器HCF4026BE和5个LED共阴极数码管组成十进制计数显示器。4026内部包括十进制计数器和7段译码器两部分，译码输出可以直接驱动LED数码管。 元件的选择
1．集成运放的选择根据主体设计思想、各部分电路的实际工作要求等相关内容，查阅集成电路手册，考查其内部电路结构和相关参数，石英钟集成电路选SM5544,组成施密特触发器的非门选HD14049UBP，秒脉冲处理电路选八进制计数／分配器CD4022BE，与非门电路选HEF4011BP，计数显示电路采用CMOS十进制计数／七段译码器HCF4026BE和LED共阴极数码管选GEM5101AE—D。实验得知完全能达到工作要求。
2．场效应管的选择根据技术指标，输入灵敏度30mV,为了提高输入阻抗和放大增益。所以选择3DJ7型场效应管。
3．三极管及其偏置电阻的选择由于石英钟集成电路SM554输出电平较低，小于4011与非门的开启电压，难以实现电平转换，因此选择4个三极管9013，使它们工作在开关状态，从而实现4022高低电平的转换。为保证4个三极管工作在开关状态，其偏置电阻选择10kΩ。在信号输入端，为保证较低信号整形，从场效应管输出实现波形放大，选三极管9018，同时为实现其工作在开关状态，取R9=15KΩ。R12=5．1KΩ，R10=300Ω，R13=33Ω。
4.二极管及限流电阻的选择查集成电路手册知，SM5544供电为1.2—1．8V，而整个系统工作电压是+5V，为此选择VD1、VD2、R1回路为IC1提供1．4V电源电压，VD1、VD2选1N4148，R1=5．1kΩ。
在信号输入端，为保证场效应管不致因输入电压过高而损坏，选择VD3、VD4两二极管IN4148对3DJ7起限幅保护作用。
5．耦合电容的选择技术指标要求测量频率的范围是1Hz-99．999kHz,根据XC=1／2πfC，如耦合电容取的过小，容抗太大，信号无法顺利传递；电容取的过大，会增加成本，为此耦合电容C3、C5、C7均选择容量为100μF/50V的电解电容,实验验证符合要求。6．其他辅件的选择选择21cm×23cm×8cm的塑料外壳做本机机壳。面板上有：数字显示窗口、信号输入端和一个电源开关。另外，在机壳后面装有两个接线柱是+5V电源的输入端，以备外接电源使用。外形如图5所示。
机内两线路板的连接导线用带插头的软排线；连接电源输入、开关的导线用红、黑色软线；信号输入用同轴电缆线。
制作及调试说明
该印制电路板图(双面板)如图6所示。先安装线路板，在装配线路板时，应注意：安装集成电路IC1～IC4，U1一U5可采用管座，切忌装反，引脚不折弯，若直接焊接动作要快，不能产生虚焊、脱焊现象。安装三极管9013、9018，场效应管3DJ7时，高度要适当。电解电容安装时注意极性，尽量贴近印制面。安装数码管DS1～DS5，小数点应在右下角，直立焊。
装配完毕，检查无误后,即可通电观测与调试，主要是调。整晶振频率为准确的32．768kHz,其他部分无需调试。调试方法有两种：(1)用一台可以测量时间的标准数字频率计，测量自制频率计秒脉冲产生电路中与非门IC2—4脚输出的秒脉冲信号周期。调节晶振微调电容器C2,使周期T精确地等于1S。
(2)用自制频率计与标准频率计，同时测量某一信号源产生的固定频率信号，调节晶振微调电容器C2，使自制频率计的读数。与标准频率计完全一致。
接通电源前，将开关置于“OFF”，再接通后面板电源，插入信号输入端子输入信号，将开关置于“ON”后，即可显示读数。
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