数字频率计的设计

数字频率计的设计

1．基本要求 （1）频率测量

a．测量范围 信号：方波、正弦波；幅度：0.5V～5V；频率：1Hz～10MH b.八位十进制数字显示. （2）脉冲宽度测量

a．测量范围 信号：脉冲波；幅度：0.5V～5V；脉冲宽度≥100μs b．测量误差≤1% （3）显示器

十进制数字显示，显示刷新时间1～10秒连续可调，对上述三种测量功能分别用不同颜色的发光二极管指示。

（4）具有自校功能，时标信号频率为1MHz。

（5）自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。

1.1 数字频率计的基本原理框图

图1-1

电源部分：为识字频率计的各部分提供+5V直流电源。

标准频率源部分：由一个4MHz晶体振荡器和14级二进制分频器CD4060、双十进制分频器CD4518和八进制分频器CD4022构成。

输入门：由两个集成运放和两个施密特触发器组成，实现了对输入信号的放大与整形。

控制门：由四个与非门组成，实现控制功能。 计数、译码显示：由五片HCP4026组成。

1.2数字频率计的电路设计

放大整形电路

放大整形系统包括放大器、施密特触发器。它将正弦波输入信号整形为同方波，测试信号通过开关选择输入放大倍数，放大器由同向比例放大器U1、U3构成，以免波形失真。由运算放大器构成的同向比例放大器起阻抗变换作用，使输入阻抗提高。系统的整形电路由施密特触发器U4A、U4B组成，整形后的方波送到控制门以便计数。

电路原理如图2-1所示

5v

输入

1.3数字频率计的电路图

数字频率计的电路图如图2-5所示

1.4 在制作高频电路时，会经常碰到频率测量的问题，实际上频率计(frequency counter)是一种比较容易自制的电子设备。以下将要制作的频率计，其性能并不逊色于一般厂商所制造的产品。

所制作的频率计电气指标如下：

(1)显示的位数：8位数LED (2)频率测试范围：10Hz~10MHz，利用预置分频器(Prescaler)做1/100分频，可达150MHz

(3)基准时间稳定度：由於使用TCXO单元(温度补偿型晶体振荡电路)，温度特性±3PPm/-20~60℃aging rate±1ppm/年。

以上指标参数达到甚至超过了一般厂商所生产的频率计指标参数。

所制作的频率计方块图

(主要电路为输入用放大器，Prescaler，显示器。

除此之外，王要的控制电路，计数电路，显示电路等，都已经包括在频率计用LSI的内部。) 频率计的构成

所制作的为频率计的方框图，图38为其电路图。以下，针对方框图加以说明。

准备制作的频率计电路原理图

▲计数用(计频用)lS重；

此制作使用ICM7216B(Intersil)公司。此一IC的内部含有8位数BCD计数器，BCD to 7 字节解码器segment deco

der，控制电路等。再追加周边的宽频带放大器，LED躯动器等，便可以完成频率计。

▲基准时间信号产生电路

TCXO单元主要参数指标，可以看出它具备了相当优异的频率稳定性能。TCXO的振荡频率为12.8MHz，利用分频用IC 74HC4060，做1/12 8分频，然后将基准频率100kHz供给频率计用LSI。

温度补偿型晶体振荡器TCXO TCO·703A的特性(由於内藏有温度补偿电路，频率稳定度良好。振荡频率为12.8MHz，再利用分频用IC74HC4060做1/128分频，成为100kHz)

TCXO TCO-703A性能指标参数

输出频率 10MHz 12.8MHz或14.5MHz 电源电压 5V±5% 工作耗电 ≤5mA 输出电平 1VP-P 负载 20KΩ//5pF

频率稳定度 温度特征 ±3ppm/-20~60℃ 电源变动特征 ±0.3ppm/5V±5% 长期特征 ±1ppm/（年）

频率可调范围 大于（内含修整电容） 同系列产品可供频率选择 10MHz~24MHz

▲前置分频器电路

由於ICM 7216B的频率上限为10MHz，利用前置分频器，可以提高频率的应用上限。图41所示的为前置分频器电路图，前置分频器为做1/100分频。 ▲其他的电路

频率计LSI输入端在宽频带放大器的输出或前置分频器的输出间切换是利用了3状态缓冲器(3 State Buffer)74HCl25做为切换器，如图41。

l/100分频的前置分频电路

(计频器IC最大输入频率仅为10MHz，因此，利用预置分频器做1/100分频，可以扩大测试的频率范围。) 频率计的制作与调整

图42为频率计的零件配置与印刷电路基板图样。在印刷电路基板上，包含有整流电路与稳压电路。

数值显示用的LED使用八段共阴极型(Common Cathode) LED，尺寸大点可以得到良好的观察效果。当然如果无法得到此种规格的LED，也可以视所能取得LED规格，对印刷电路基板作必要的修改。

图43所示的为前置分频器的零件配置与印刷电路铜箔图样。 基板完成後，利用宽频带放大器的VR 10k，将2SC2347的集电极电压调整为2.5V。其它没什么需要调整的地方，找个漂亮的外壳把整个电路装上，整个频率器的制作便算完成了。