DIY频率计

　　一、系统设计
　　
　　用数字频率计测量信号频率，需要将被测信号转换成脉冲形式，再用计数器记录一秒内信号脉冲的个数，即得到信号频率值，最后将该频率值进行锁存、显示，这就完成了一次频率测量，如果需要进行实时测量，则应对计数器清零之后再次重复上述操作。
　　
　　因此可以将整个系统划分为下列模块：
　　
　　(1)放大模块，将小信号放大，以便测量信号频率；　　
　　
　　(2)整形模块，将放大后的被测信号进行过零比较，变成方波供计数器识别；
　　
　　(3)计数模块，计量输入脉冲信号的个数；
　　
　　(4)锁存模块，将得到的频率值锁存，并输出到LED进行显示；
　　
　　(5)控制模块，控制计数器的启动、停止和清零，锁存器的数据置入；
　　
　　(6)秒脉冲模块，由晶振产生精度较高的时间基准，为控制电路提供触发信号。
　　
　　整个系统框图如下图所示。

　　二、模块分析
　　
　　1．放大模块
　　
　　放大模块比较简单，但参数要求较高，需达到60dB，同时保证500kHz的带宽。
　　
　　可使用给定的TLV2464芯片构成多级放大器，既得到高增益，又保证电路工作的稳定性。如果采用三级放大，则每级只需放大10倍，如下图所示即为10倍放大的反相放大器，因输入信号为交流，应采用±3V双电源供电。由于输入信号幅度很小，而且频率最低达10Hz，所以应采用直接耦合的方式级联。

　　2．整形模块
　　
　　整形模块应使用给定的TLC372芯片构成过零电压比较器，将放大信号转换成TTL电平，因此采用+5v单电源供电即可，如下图所示。

　　3．计数模块
　　
　　计数模块使用给定的CC4518芯片构成，EN端作为时钟输入端以便级联使用，CLK作为计数控制端，MR接清零信号，即实现十进制计数，如下图所示。其最高位输出Q3直接连接次级EN，即可实现级联，每个CC4518包含两个计数器，因此至少需要3片CC4518才能完成lOOk计数。

　　4．锁存模块
　　
　　锁存模块使用给定的SN74LS175芯片构成，由于测量精度为lOHz~lOOkHz，因此至少需要显示4个数据。每个锁存器存储4位BCD二进制码，DO—D3接计数器的数据输出，CLK接锁存控制信号，MR接高电平禁止清零，输出接LED显示，如下图所示。

　　
　　5．秒脉冲模块
　　
　　秒脉冲应由给定的晶振和CC4060芯片产生，由于4060最大只能实现16384分频，而晶振频率为32768Hz，因此还需要1片CC4518芯片进行四分频，才能得到高低电平各持续1s的0.5Hz脉冲，如下图所示。

　　
　　6．控制模块
　　
　　控制模块使用给定的SN74LS123芯片实现。可以将0.5Hz脉冲直接作为计数控制信号，在脉冲信号为低电平的时候进行计数，当脉冲上升沿到来时计数完成，用该上升沿作为单稳的触发信号，产生正脉冲作为锁存器的锁存控制信号，再由该信号的下降沿触发另一个正脉冲作为计数器清零信号，如下图所示。

　　7．频率计系统
　　
　　将上述模块按照框图连接，系统参考电路如下图所示。

　　三、电路调试
　　
　　在焊接结束后，应按信号流程进行高效率的电路调试，逐步排除故障，具体步骤如下：
　　
　　(1)给TLV2464加±2V电源，若正常，可增加至±3V：
　　
　　(2)输入幅度为ImV的正弦波，用双踪示波器逐级观察各级放大电路的输入和输出，每一级是否完成10倍的信号放大；
　　
　　(3)给TLC372加+5V单电源，用示波器观察TLC372的方波输出，注意此方波频率应与原始输入信号一致；
　　
　　(4)将输入信号调整至lOOkHz，计数控制信号和清零控制信号暂时接地。用示波器观察各个计数器输出，每一级的QO实现2分频、Ql实现5分频、Q2和Q3都是10分频，因此第一个计数器的4个输出端频率应分别为50kHz、20kHz、lOkHz、lOkHz，以此类推，第五个计数器的4个输出端频率应分别为5Hz、2Hz、1Hz、1Hz；
　　
　　(5)将锁存控制信号暂时接高电平，调节输入频率，观察各组LED计数显示；
　　
　　(6)用示波器观察4060的3脚输出，频率应为2Hz；
　　
　　(7)用示波器观察4518的四分频输出，频率应为0.5Hz：
　　
　　(8)用双踪示波器同时观察计数控制信号和锁存控制信号，锁存控制信号应为在计数控制信号上升沿时产生单稳脉冲，如下图所示；
　　
　　(9)用双踪示波器同时观察锁存控制信号和清零控制信号，清零控制信号应为在锁存控制信号下降沿时产生单稳脉冲，如下图所示；
　　
　　(10)按连接电路，调节频率，观察LED显示是否为频率值的BCD码。　　
　　

　　四、问题解决
　　
　　在电路的设计与调试的过程中，遇到了一些问题，列举如下：
　　
　　1．TLV2464的电源电压问题为避免放大器烧毁，应注意电源电压一定不能超过±3V。
　　
　　2．电源纹波干扰问题电源干扰一般来源于工频干扰和自激振荡，可选用10μF电解滤除工频干扰，选用0.01μF退耦电容滤除电源纹波。在电路搭建过程中电解电容应尽量靠近电源线人口，而退耦电容应尽可能靠近运放电源引脚放置，这样可以形成低电感接地回路。需要注意，选择退耦电容并不是越大越好，因为越大的电容具有更大的封装，而更大的封装可能引入更大的等效串联电感，会引起在引脚处的电压抖动。
　　
　　3．模拟地与数字地的连接问题。
　　
　　数字地产生的干扰是非常严重的，尤其对模拟放大器的通频带影响较大，在电路设计时应予以重视。在整体布局时就应将数字部分与模拟部分划分开，两部分地线应分别汇总后再用较短线连接。另外，模拟和数字电源也应互相独立。
　　
　　4．比较器的输入限压问题放大部分电源压差达到6V，而比较器采用5V单电源，因此应接输入过压保护电路，将两支二极管反向并联，接于正、负输入端之间即可。
　　
　　5．放大之后存在直流电平，导致过零比较器输出恒为+5v。由于放大器失调电压等影响，其放大输出叠加了直流电平，若该直流电平对信号影响较大，可经电容耦合后再接入比较器。
　　
　　6．模拟比较器与TTL的连接问题TLC372作为模拟比较器，要连接数字电路，需将输出转换为TTL电平，具体实现方法很简单，在输出端接入上拉电阻即可。
　　
　　7．计数器到8就进位的问题如果使用4518的CP(CLK)端作为时钟输入端进行级联就会出现该问题，原因是CP为上升沿触发，当计数到8时，最高位输出端(Q4)由O变l，将触发次级进位。因此应采用CP作控制端，而用EN作时钟输入端。
　　
　　8．周期测量问题要实现周期的测量实际很简单，只需将0.5ms的时间基准作为时钟信号，而将被测信号作为计数控制即可。也就是说，数一下每半个信号周期中包含多少个0.5ms，即可得到周期值。关于0.5ms的时间基准在本电路中无法准确得到，但4060的7脚输出信号是将32768Hz进行16分频，可樗到0.4883ms的信号，再将4060的10脚对地接入可变电容，进行频率微调即可。