電子小信號數(shù)字頻率計的設(shè)計與制作

一、設(shè)計思路

該頻率計的測頻范圍0Hz～999Hz，測量的電壓范圍為0～7mV，本電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，對于提高動手能力加強對理論知識的靈活運用具有很大的幫助。該電路大致可分為模擬和數(shù)字兩個部分：

模擬部分包括信號放大電路、信號整形電路；數(shù)字部分包括計數(shù)電路、顯示電路、時基信號發(fā)生電路與計數(shù)器與鎖存器控制電路等，基本框如下圖所示。
該電路的整體思路就是將交變的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后實現(xiàn)頻率的計算。當在該電路的輸入端輸入微小變化的模擬信號時。經(jīng)過第一部分的放大電路放大后。再通過由比較器組成的整形電路進行整形。此時該部分輸出的信號就變成了規(guī)則的數(shù)字脈沖信號，最后通過數(shù)字電路來實現(xiàn)計數(shù)功能。整形過后數(shù)字信號就可以通過計數(shù)器等數(shù)字電路來處理。計數(shù)器與顯示電路相連。即可顯示所測的頻率。其中時基信號發(fā)生電路的作用是產(chǎn)生一秒鐘脈寬的時基信號，來控制計數(shù)器實現(xiàn)一秒鐘的計數(shù)，同時時基信號還控制鎖存電路，當計數(shù)結(jié)束后及時鎖存數(shù)據(jù)以實現(xiàn)穩(wěn)定的顯示。

二、電路原理

系統(tǒng)電路如下圖所示。

(1)放大電路：放大電路部分主要由一塊LM324集成運放及外圍元件組成。本放大電路采用兩級放大，第一級信號的增益為20dB，第二級的信號增益為40dB，兩級的放大倍數(shù)為1000倍，其頻率的帶寬為0～5kHz。采用多級放大可以提高的放大電路的通頻帶，如果被測的信號頻率較高?？梢圆捎枚嗉壏糯髞硖?a href="http://srfitnesspt.com/tags/高通/" target="_blank">高通頻帶，根據(jù)實際情況而定，由于本電路的測頻范圍低，對通頻帶不做太多的要求。圖2中，A端為被測信號的輸入端。B端為放大電路的輸出端，接整形電路的輸入。
(2)整形電路：整形電路的主要作用是將第一部分放大的交變信號整形為數(shù)字信號(即幅度為5V的方波信號)，其電路主要由比較器組成，該電路中我們選用LM393比較器，B端為整形電路輸入端，C為整形電路的輸出端接E端。
(3)計數(shù)電路：計數(shù)電路部分我們選用3片十進制加法計數(shù)器74LS160的級聯(lián)來實現(xiàn)0-999Hz的頻率顯示，74LS160為可預(yù)置的十進制同步計數(shù)器，利用其級聯(lián)，可以構(gòu)成任意進制的計數(shù)器。
74LS160(a)的2腳為脈沖信號的輸入端，1腳清零端。74LS160(a)的CO進位端接74LSl60(b)的CLK脈；中輸入端，74LS160(b)的進位端接74LS160(c)的CLK脈沖輸入端，三塊計數(shù)器的PE、TE及LD端接電源．使計數(shù)器工作在計數(shù)的狀態(tài)，CLR端接時基電路，由時基電路來控制計數(shù)與清零。
(4)顯示電路：顯示電路部分主要由二塊74LS273鎖存器和12個紅色發(fā)光二極管組成，74LS273是8位數(shù)據(jù)／地址鎖存器。他是一種帶清除功能的8D觸發(fā)器，主要實現(xiàn)對計數(shù)電路的輸出信號進行鎖存，由于計數(shù)器的頻率較快。采用的是動態(tài)顯示，我們?yōu)榱孙@示的穩(wěn)定，便于觀察，所以在計數(shù)器的輸出端進行鎖存。該鎖存器的鎖存信號由時基電路來提供，且當1腳為高電平時，11(CLK)腳是鎖存控制端，并且是上升沿觸發(fā)鎖存，當11腳有一個上升沿，立即鎖存輸入腳3、4、7、8、13、14、17、18的數(shù)據(jù)，并且立即呈現(xiàn)在輸出腳2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)上。74LS273的CLR端接高電平，使其工作在不清零狀態(tài)。
(5)時基信號產(chǎn)生電路：該電路的主要作用是產(chǎn)生O．5Hz的時基信號(即周期為2秒，脈寬為1秒的閘門信號)為鎖存器提供鎖存信號和為計數(shù)電路提供計數(shù)閘門信號，實現(xiàn)頻率計數(shù)與顯示。時基信號產(chǎn)生電路由一個頻率為3.2768MHz的晶振和一塊CD4060分頻器以及外圍元件夠成。CD4060(IC)是一種帶有振蕩器的14級分頻器電路。用作振蕩器時需外接R、C元件或石英晶體和電容器。內(nèi)部包含兩個非門和14級2分頻電路，它所產(chǎn)生的信號頻率為32768Hz，經(jīng)14級兩二分頻后，得到一個2Hz的脈沖信號。下圖H端為2Hz信號的輸出端。

(6)計數(shù)器與鎖存器控制電路該部分電路主要是控制計數(shù)電路的清零、計數(shù)與鎖存電路的鎖存顯示。該電路的核心器件是一塊D觸發(fā)器74L．S74與一塊與非門74LS00組成。H為2Hz方波信號(即周期為0.5s，時基電路產(chǎn)生)的輸入端I、J為控制信號的輸出端，分別接計數(shù)器的清零端與鎖存電路的CLK時鐘端，H、I、J端的信號時序如下圖所示。

基準信號經(jīng)過D觸發(fā)器分頻后便獲得1Q和2Q的方波信號，經(jīng)由兩個與非即可得到l端和J端的方波信號。當l端的信號在高電平時計數(shù)器工作在計數(shù)狀態(tài)，低電平時對計數(shù)器清零。當l端的信號處于下降沿的時候，此時J端的信號處于上升沿。
該上升沿信號使鎖存器開始工作，直到下一個上升沿的到來．這樣便實現(xiàn)輸入信號的計數(shù)與鎖存。
(7)電源電路：該電路的整體供電需要雙5V，因此我們可以設(shè)計一個簡單的雙電源供電電路。電路原理圖如下圖所示。

三、心得體會

電路簡單易懂，而且元件易選易采。該電路主要涉及到數(shù)字電子技術(shù)與模擬電子技術(shù)兩本書中放大器以及計數(shù)器等許多專業(yè)知識，通過本電路的設(shè)計與搭建，能夠在提高動手能力的同時，也能夠?qū)舅鶎W的知識真正的應(yīng)用到實踐的過程中，達到理論與實踐相結(jié)合的效果。感興趣的讀者不防親手實踐一番。