電子小信號數字頻率計的設計與制作

一、設計思路

該頻率計的測頻范圍0Hz～999Hz，測量的電壓范圍為0～7mV，本電路結構簡(jiǎn)單，成本低廉，對于提高動(dòng)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字兩個(gè)部分：

模擬部分包括信號放大電路、信號整形電路；數字部分包括計數電路、顯示電路、時(shí)基信號發(fā)生電路與計數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換為數字信號，然后實(shí)現頻率的計算。當在該電路的輸入端輸入微小變化的模擬信號時(shí)。經(jīng)過(guò)第一部分的放大電路放大后。 再通過(guò)由比較器組成的整形電路進(jìn)行整形。此時(shí)該部分輸出的信號就變成了規則的數字脈沖信號，最后通過(guò)數字電路來(lái)實(shí)現計數功能。整形過(guò)后數字信號就可以通過(guò) 計數器等數字電路來(lái)處理。計數器與顯示電路相連。即可顯示所測的頻率。其中時(shí)基信號發(fā)生電路的作用是產(chǎn)生一秒鐘脈寬的時(shí)基信號，來(lái)控制計數器實(shí)現一秒鐘的 計數，同時(shí)時(shí)基信號還控制鎖存電路，當計數結束后及時(shí)鎖存數據以實(shí)現穩定的顯示。

二、電路原理

系統電路如下圖所示。

(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?大來(lái)提高通頻帶，根據實(shí)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)計數電路：計數電路部分我們選用3片十進(jìn)制加法計數器74LS160的級聯(lián)來(lái)實(shí)現0-999Hz的頻率顯示，74LS160為可預置的十進(jìn)制同步計數器，利用其級聯(lián)，可以構成任意進(jìn)制的計數器。
74LS160(a) 的2腳為脈沖信號的輸入端，1腳清零端。74LS160(a)的CO進(jìn)位端接74LSl60(b)的CLK脈；中輸入端，74LS160(b)的進(jìn)位端接 74LS160(c)的CLK脈沖輸入端，三塊計數器的PE、TE及LD端接電源．使計數器工作在計數的狀態(tài)，CLR端接時(shí)基電路，由時(shí)基電路來(lái)控制計數 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(gè)紅色發(fā)光二極管組成，74LS273是8位數據／地址鎖存器。他是 一種帶清除功能的8D觸發(fā)器，主要實(shí)現對計數電路的輸出信號進(jìn)行鎖存，由于計數器的頻率較快。采用的是動(dòng)態(tài)顯示，我們?yōu)榱孙@示的穩定，便于觀(guān)察，所以在計 數器的輸出端進(jìn)行鎖存。該鎖存器的鎖存信號由時(shí)基電路來(lái)提供，且當1腳為高電平時(shí)，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(gè) 上升沿，立即鎖存輸入腳3、4、7、8、13、14、17、18的數據，并且立即呈現在輸出腳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(shí)基信號產(chǎn)生電 路：該電路的主要作用是產(chǎn)生O．5Hz的時(shí)基信號(即周期為2秒，脈寬為1秒的閘門(mén)信號)為鎖存器提供鎖存信號和為計數電路提供計數閘門(mén)信號，實(shí)現頻率計 數與顯示。時(shí)基信號產(chǎn)生電路由一個(gè)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(shí)需外接R、C元件或石英晶體和電容器。內部包含兩個(gè)非門(mén)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(gè)2Hz的脈沖信號。下圖H端為2Hz信號的輸出端。

(6)計數器與鎖存器控制電路該部分電路主要是控制計數電路的清零、計數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(mén)74LS00組成。H為2Hz方波信號(即周期為0.5s，時(shí)基電路產(chǎn)生)的輸入端I、J為控制信號的輸出端，分別接 計數器的清零端與鎖存電路的CLK時(shí)鐘端，H、I、J端的信號時(shí)序如下圖所示。

基準信號經(jīng)過(guò)D觸發(fā)器分頻后便獲得1Q和2Q的方波信號，經(jīng)由兩個(gè)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(shí)計數器工作在計數狀態(tài)，低電平時(shí)對計數器清零。當l端的信號處于下降沿的時(shí)候，此時(shí)J端的信號處于上升沿。
該上升沿信號使鎖存器開(kāi)始工作，直到下一個(gè)上升沿的到來(lái)．這樣便實(shí)現輸入信號的計數與鎖存。
(7)電源電路：該電路的整體供電需要雙5V，因此我們可以設計一個(gè)簡(jiǎn)單的雙電源供電電路。電路原理圖如下圖所示。

三、心得體會(huì )

電路簡(jiǎn)單易懂，而且元件易選易采。該電路主要涉及到數字電子技術(shù)與模擬電子技術(shù)兩本書(shū)中放大器以及計數器等許多專(zhuān)業(yè)知 識，通過(guò)本電路的設計與搭建，能夠在提高動(dòng)手能力的同時(shí)，也能夠將書(shū)本所學(xué)的知識真正的應用到實(shí)踐的過(guò)程中，達到理論與實(shí)踐相結合的效果。感興趣的讀者不 防親手實(shí)踐一番。