電子小信號(hào)數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)與制作

一、設(shè)計(jì)思路

該頻率計(jì)的測(cè)頻范圍0Hz～999Hz，測(cè)量的電壓范圍為0～7mV，本電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，對(duì)于提高動(dòng)手能力加強(qiáng)對(duì)理論知識(shí)的靈活運(yùn)用具有很大的幫助。該電路大致可分為模擬和數(shù)字兩個(gè)部分：

模擬部分包括信號(hào)放大電路、信號(hào)整形電路；數(shù)字部分包括計(jì)數(shù)電路、顯示電路、時(shí)基信號(hào)發(fā)生電路與計(jì)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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后實(shí)現(xiàn)頻率的計(jì)算。當(dāng)在該電路的輸入端輸入微小變化的模擬信號(hào)時(shí)。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(jìn)行整形。此時(shí)該部分輸出的信號(hào)就變成了規(guī)則的數(shù)字脈沖信號(hào)，最后通過數(shù)字電路來實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。整形過后數(shù)字信號(hào)就可以通過 計(jì)數(shù)器等數(shù)字電路來處理。計(jì)數(shù)器與顯示電路相連。即可顯示所測(cè)的頻率。其中時(shí)基信號(hào)發(fā)生電路的作用是產(chǎn)生一秒鐘脈寬的時(shí)基信號(hào)，來控制計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)一秒鐘的 計(jì)數(shù)，同時(shí)時(shí)基信號(hào)還控制鎖存電路，當(dāng)計(jì)數(shù)結(jié)束后及時(shí)鎖存數(shù)據(jù)以實(shí)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(yùn)放及外圍元件組成。本放大電路采用兩級(jí)放大，第一級(jí)信號(hào)的增益為20dB，第二級(jí)的信號(hào)增益為 40dB，兩級(jí)的放大倍數(shù)為1000倍，其頻率的帶寬為0～5kHz。采用多級(jí)放大可以提高的放大電路的通頻帶，如果被測(cè)的信號(hào)頻率較高?？梢圆捎枚嗉?jí)放 大來提高通頻帶，根據(jù)實(shí)際情況而定，由于本電路的測(cè)頻范圍低，對(duì)通頻帶不做太多的要求。圖2中，A端為被測(cè)信號(hào)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(hào)整形為數(shù)字信號(hào)(即幅度為5V的方波信號(hào))，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(jì)數(shù)電路：計(jì)數(shù)電路部分我們選用3片十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器74LS160的級(jí)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)0-999Hz的頻率顯示，74LS160為可預(yù)置的十進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器，利用其級(jí)聯(lián)，可以構(gòu)成任意進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。
74LS160(a) 的2腳為脈沖信號(hào)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(jì)數(shù)器的PE、TE及LD端接電源．使計(jì)數(shù)器工作在計(jì)數(shù)的狀態(tài)，CLR端接時(shí)基電路，由時(shí)基電路來控制計(jì)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(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)數(shù)電路的輸出信號(hào)進(jìn)行鎖存，由于計(jì)數(shù)器的頻率較快。采用的是動(dòng)態(tài)顯示，我們?yōu)榱孙@示的穩(wěn)定，便于觀察，所以在計(jì) 數(shù)器的輸出端進(jìn)行鎖存。該鎖存器的鎖存信號(hào)由時(shí)基電路來提供，且當(dāng)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(dāng)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(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(shí)基信號(hào)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(hào)(即周期為2秒，脈寬為1秒的閘門信號(hào))為鎖存器提供鎖存信號(hào)和為計(jì)數(shù)電路提供計(jì)數(shù)閘門信號(hào)，實(shí)現(xiàn)頻率計(jì) 數(shù)與顯示。時(shí)基信號(hào)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(jí)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(nèi)部包含兩個(gè)非門和14級(jí)2分頻電路，它所產(chǎn)生的信號(hào)頻率為32768Hz，經(jīng)14 級(jí)兩二分頻后，得到一個(gè)2Hz的脈沖信號(hào)。下圖H端為2Hz信號(hào)的輸出端。

(6)計(jì)數(shù)器與鎖存器控制電路該部分電路主要是控制計(jì)數(shù)電路的清零、計(jì)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(hào)(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(hào)的輸出端，分別接 計(jì)數(shù)器的清零端與鎖存電路的CLK時(shí)鐘端，H、I、J端的信號(hào)時(shí)序如下圖所示。

基準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)過D觸發(fā)器分頻后便獲得1Q和2Q的方波信號(hào)，經(jīng)由兩個(gè)與非即可得到l端和J端的方波信號(hào)。當(dāng)l端的信號(hào)在高電平時(shí)計(jì)數(shù)器工作在計(jì)數(shù)狀態(tài)，低電平時(shí)對(duì)計(jì)數(shù)器清零。當(dāng)l端的信號(hào)處于下降沿的時(shí)候，此時(shí)J端的信號(hào)處于上升沿。
該上升沿信號(hào)使鎖存器開始工作，直到下一個(gè)上升沿的到來．這樣便實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的計(jì)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(jì)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(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(jì)數(shù)器等許多專業(yè)知 識(shí)，通過本電路的設(shè)計(jì)與搭建，能夠在提高動(dòng)手能力的同時(shí)，也能夠?qū)舅鶎W(xué)的知識(shí)真正的應(yīng)用到實(shí)踐的過程中，達(dá)到理論與實(shí)踐相結(jié)合的效果。感興趣的讀者不 防親手實(shí)踐一番。