文档介绍：简易数字频率计设计
摘要
在电子领域内,频率是一种最基本的参数,并与其他许多电参量的测量方案和测量结果都有着十分密切的测量精度。因此,频率的测量就显示得尤为重要,测频方法的研究越来越受到重视。频率计作为测量仪器的一种,常称为电子计数器,它的基本功能是测量信号的频率和周期,频率计的应用范围很广,它不仅应用于一般的简单仪器测量,而且还广泛应用于教学、科研、高精度仪器测量、工业控制等其他领域。数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。它是一种用十进制数字,显示被测信号频率的数字测量仪器。它的基本功能是测量正弦信号,方波信号以及其他各种单位时间内变化的物理量。在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中,由于其使用十进制数显示,测量迅速,精度高,显示直观,所以经常要用到数字频率计。下面我们就来设计一种简易数字频率计。数字频率计的设计包括时基电路、整形电路、控制电路和计数显示电路四部分组成。
由时基电路产生一标准时间信号控制阀门,调节时基电路中的电阻可产生需要的标准时间信号。信号输入整形电路中,经过整形,输出一方波,通过阀门后,计时器对其计数。当计数完毕,时基电路输出一个上升沿,使锁存器打开,计数器计数结果输入译码器,从而让显示器显示,达到测量频率的目的。
关键词时基电路闸门电路计数锁存电路显示电路
1 设计概述
整体功能要求
系统结构要求:
测量电路
数字频率计的整体结构要求如图所示。图中被测信号为外部信号,送入测量电路进行处理、测量,档位转换用于选择测试的范围,,若测量范围不合适则进一步选择档位。
显示电路
被测信号
档位转换
图 1-1 数字频率计整体方案结构方框图
电气指标
被测信号波形:正弦波、三角波和矩形波。
测量频率范围:分四档:*1,*10,*100,*1000
整体设计方案
算法设计
频率是周期信号每秒钟内所含的周期数值。可根据这一定义采用如图2-1所示的算法。图2计数值N1
T
被测信号
标准闸门
-2是根据算法构建的方框图。
图1-2测频法测量原理
计数电路
输入电路
闸门
被测信号
闸门产生
显示电路
图1-3频率测量算法对应的方框图
在测试电路中设置一个闸门产生电路,用于产生脉冲宽度为1s的闸门信号。改闸门信号控制闸门电路的导通与开断。让被测信号送入闸门电路,当1s闸门脉冲到来时闸门导通,被测信号通过闸门并到达后面的计数电路(计数电路用以计算被测输入信号的周期数),当1s闸门结束时,闸门再次关闭,此时计数器记录的周期个数为1s内被测信号的周期个数,即为被测信号的频率。测量频率的误差与闸门信号的精度直接相关,因此,为保证在1s内被测信号的周期量误差在10 ̄³量级,则要求闸门信号的精度为10 ̄⁴量级。例如,当被测信号为1kHz时,在1s的闸门脉冲期间计数器将计数1000次,由于闸门脉冲精度为10 ̄⁴,,固由此造成的计数误差不会超过1,符合5*10 ̄³的误差要求。进一步分析可知,当被测信号频率增高时,在闸门脉冲精度不变的情况下,计数器误差的绝对值会增大,但是相对误差仍在5*10 ̄³范围内。
整体方框图及原理
时
基
电
路
译
码
显
示
器
锁
存
器
计
数
器
闸
门
电
路
整
形
电
路
fx
图1-4 整体方框图
输入电路:由于输入的信号可以是正弦波,三角波。而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波,所以需要设计一个整形电路则在测量的时候,首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。
频率测量:被测信号经整形后变为脉冲信号(矩形波或者方波),送入闸门电路,等待时基信号的到来。时基电路产生一个标准的时基信号,作为闸门开通的基准时间。被测信号通过闸门,作为计数器的时钟信号,计数器即开始记录时钟的个数,这样就达到了测量频率的目的。
2 单元电路设计
整形电路是将待测信号整形变成计数器所要求的脉冲信号。电路形式采用由555所构成的施密特触发器。当输入被测波形后,经过整形电路后,输出可以被计数器计数的矩形波。从而达到整形目的,其图示如图2-1
图2-1整形电路
时基电路
时基信号控制计数器计数的标准时间信号,其精度在很大程度上决定了频率计的频率测量精度。要求较高时,一般使用晶体振荡器通过分频获得。在本设计中依然使用了555定时器构成了单稳态触发器,输入单脉冲,输出一标准时间信号,从而在时间上控制计数器计数的时间。
在此频率计中,时钟信号采用由555构成的单稳态触发器。由一个按钮开关来产生脉冲源,其原理为悬空为高电平,按下开关