数字集成芯片构成的频率计数器设计

摘要：频率计数器是一种用数字显示的频率测量仪表，它不仅可以潮量正弦信号、三角波信号、方波信号和尖脉冲信号的频率，而且还能对其他多种非电量信号的频率进行测量。系统采用555定时器组成的多谐振荡器作为时基产生电路，产生频率为1 kHz的控制信号，而被测信号经过一个放大整形电路，将其变化成满足系统要求的计数脉冲信号，然后用频率计数器测量单位时间内变化次数，即被测信号的频率。
关键词：频率测量；555定时器；LED显示；频率计数器

    频率计数器是一种用数字显示的频率测量仪表，它不仅可以测量正弦信号、三角波信号、方波信号和尖脉冲信号的频率，而且还能对其他多种非电量信号的频率进行测量，例如机械振动次数，物体转动速度，明暗变化的闪光次数，单位时间里经过传送带的产品数量等，这
些物理量的变化情况可以通过相应的传感器先转变成周期变化的电量信号，然后用频率计数器测量单位时间内变化次数，利用8421码编码的十进制计数器进行计数，计数的结果由译码显示电路显示出来。

1 频率计数器整体方案设计
    所谓频率就是信号在单位时间内所产生的脉冲个数，其数学表达式为f=N／T，其中f为被测信号的频率；N为T时间内所累计的脉冲个数；T为计数时间。计数器单位时间内的计数结果，即为被测信号的频率。本系统就是按照频率的这一定义来实现其测量的，其系统原理框图如图1所示。

    本系统由输入电路、逻辑控制电路、计数显示电路、时基产生电路4大部分构成，其工作原理为：被测频率信号经过放大、整形之后，将其变换为频率与之相等的计数脉冲信号，作为闸门的一路输入信号，而时基产生电路产生方波信号，送给逻辑控制电路，产生控制闸门开启和关闭的门控信号，作为闸门的另一路输入信号。门控信号为高电平时，闸门开启，计数脉冲信号通过闸门进入十进制计数器进行计数；门控信号为低电平时，闸门关闭，十进制计数器停止计数，计数的结果通过译码显示电路显示出来。本系统可实现10～9 999 Hz信号的频率测量，还可通过调节555定时电路的输出频率改变测量精度。
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2 频率计数器硬件电路设计
2．1 输入电路设计
    实际测量中的输入信号种类繁多，可能是正弦波、三角波、方波或其他形式的波形，不能够满足后级的闸门或计数电路要求，所以在测量的时候需要将被测信号经过一个整形电路，将其变化成满足计数电路要求的脉冲信号。并且在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况，所以还要考虑信号的放大衰减处理。当输入信号电压幅度较大时，通过输入衰减电路将电压幅度降低。当输入信号电压幅度较小时，则调节输入放大的增益，使被测信号得以放大。如图2所示为放大整形电路。为保证测量精度，在整形电路的输入端加一前置放大器，对幅值
较低的被测信号经放大后再送入整形电路整形。模块电路由单级共射放大电路、74LS00与非门和基本RS触发器所构成，其中3DG100为放大器，可对周期信号进行放大后再传入整形器中对信号进行整形。输入电路通过基于multisim仿真软件的电路仿真，可实现正弦波、三角波到脉冲信号的转换，如图3所示。

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2．2 时基产生电路设计
    为了获得较为稳定的时间基准信号，以便准确地控制闸门的开启与关闭时间，本设计采取用555定时器组成的多谐振荡器作为时基产生电路，要求其产生频率为1 kHz的脉冲。振荡器的频率计算公式为：，因此，可确定各个参数，并通过电路仿真得到了比较稳定的脉冲信号，这里取R1=47 kΩ，R2=39 kΩ，C=10μF。为了提高测频精度以及显示稳定，这里加入了一个电位器，可改变振荡器的输出频率，以改变闸门时间。
2．3 逻辑控制电路设计
    逻辑控制电路是本设计最为关键和难搞的模块，主要是控制闸门的开启和关闭，同时也控制整机系统的逻辑关系，包括产生74LS90的清零信号，74LS373的锁存信号以及译码显示电路的控制信号。这里采用两个单稳态触发器74LS123组成逻辑控制电路，当1，触发脉冲从A端输入，其输出信号控制整机系统正常工作。当控制电路输出为高电平时，闸门开启，被测信号通过闸门进入计数电路，于是计数器译码器同时工作，从而记下所测信号频率值。当控制电路输出为低电平时，闸门关闭，计数器停止工作，数码管继续显示所测频率值。直到下一次测量，当手动复位开关S按下时，计数器清零，数码管显示消失，频率计数器完成一次测量。这里闸门采用74LS00与非门。时基产生电路原理图和仿真波形图如图4、图5所示。

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2．4 计数与显示电路设计
    本模块电路如图6所示，由计数器、锁存器、译码器和LED显示4部分组成。其中74LS90是常用的二-五-十进制异步计数器。本设计要求采用8421码的十进制计数，所以，当R01R02=0，S01S02=0，计数脉冲从CP1输入，CP2接QA，实现十进制计数功能。而R01R02连接控制电路的输出，在控制信号为高电平时，闸门开启，计数器工作。74LS273是带有清除端的8D触发器，只有在清除端CLR为高电平时，才具有锁存功能，锁存控制端为11脚CLK，采用上升沿锁存。这里如果不加74LS273锁存器，那么器的输出结果一直往数码管里送。由于在计数一直在工作，所以数码管上面一直显示数字，并且数字快速闪动，无法观测数据，计数停止，数码管也停止显示。为解决这个问题，可通过锁存信号，实现计数时数码管不显示，计数停止后，数码管再显示计数器的计数结果的功能。

3 结语
    本频率计数器经过测试与应用，确保能正确传输信号及实现频率的测量。在电路改进方面可在时基电路的555定时器的管脚2与7之间加了2个反方向的二极管，并设置参数相等的电阻R1、R2，这样可得到占空比为50％的脉冲波形；还可将芯片CC4511和共阴极LED显示器换为芯片74LS48和共阳极LED显示器实现共阳极显示，以及为提高测量精度，增加由74LS90构成的分频电路。