简单易制的数字频率计及自检工作状态

数字频率计是一种高精度、多功能的数字化测量仪器，可以用来测量频率、周期、脉宽、速率、频率比等，还可以用来计数。所有测量数据均用数码管显示。由于该仪器不存在一般测量仪器所具有的刻度误差和读数误差，以及采用频率稳定度极高的石英晶体振荡器作为时基标准，因而测量精度非常高。

一、工作原理

脉冲信号的频率就是在单位时间内所产生的脉冲个数，其表达式为f=N/T。其中，f为被测信号的频率，N为计数器所累计的脉冲个数，T为产生N个脉冲所需的时间。计数器所记录的结果，就是被测信号的频率。如在1 s内记录1 000个脉冲，则被测信号的频率为1 000 Hz。

本实验仅讨论一种简单易制的数字频率计，其原理如图2.14.1所示。

图2.14.1 数字频率计原理框图

晶振产生较高的标准频率，经分频后可获得各种时基脉冲（1 ms，10 ms，0.1 s，1 s等），时基信号的选择由开关S2（S21和S22）控制。被测频率的输入信号经放大整形后变成矩形脉冲加到主控门的输入端。如果被测信号为方波，则放大整形电路可以省去，将被测信号直接加到主控门的输入端。时基信号经控制电路产生闸门信号至主控门，只有在闸门信号采样期间内（时基信号的一个周期），输入信号才通过主控门。若时基信号的周期为T，进入计数器的输入脉冲数为N，则被测信号的频率fx=N/T。改变时基信号的周期T，即可得到不同的测频范围。当主控门关闭时，计数器停止计数，显示器显示记录结果。此时控制电路输出一个置零信号，经延时，整形电路的延时，当达到所调节的延时时间时，延时电路输出一个复位信号，使计数器和所有的触发器置0，为后续新的一次取样做好准备，即能锁住一次显示的时间，保留到接受新的一次取样为止。

当开关S2改变量程时，小数点能自动移位。

若开关S1，S2配合使用，可将测试状态转为“自检”工作状态（即用时基信号本身作为被测信号输入）。

二、有关单元电路的设计及其工作原理

1. 控制电路

控制电路与主控门电路如图2.14.2所示。

主控电路由双D触发器CC4013及与非门CC4011构成。CC4013（a）的任务是输出闸门控制信号，以控制主控门2的开启与关闭。如果通过开关S2选择一个时基信号，当给与非门1输入一个时基信号的下降沿时，门1就输出一个上升沿，则CC4013的Q1端就由低电平变为高电平，将主控门2开启。允许被测信号通过该主控门并送至计数器输入端进行计数。相隔1 s （或0.1 s，10 ms，100 ms）后，又给与非门1输入一个时基信号的下降沿，与非门1输出端又产生一个上升沿，使 CC4013（a）的 Q1端变为低电平，将主控门关闭，使计数器停止计 数，同时端产生一个上升沿，使CC4013（b）翻转成Q2=1，。由于，它立即封 锁与非门1，不再让时基信号进入CC4013（a），保证在显示读数的时间内Q1端始终保持低电平，使计数器停止计数。

图2.14.2 控制电路及主控门电路

利用Q2端的上升沿送到下一级的延时、整形单元电路。当到达所调节的延时时间时，延时电路输出端立即输一个正脉冲，将计数器和所有D触发器全部置0。复位后，Q1=0，， 为下一次测量做好准备。当时基信号又产生下降沿时，则上述过程重复。

2. 微分、整形电路

电路如图 2.14.3所示。CC4013的Q2端所产生的上升沿经微分电路后，送到由与非门CC4011组成的施密特整形电路的输入端，在其输出端可得到一个边沿十分陡峭且具有一定脉宽的负脉冲，然后再送至下一级延时电路。

图2.14.3 微分、整形电路

3. 延时电路

延时电路由1个D触发器CC4013（c）、积分电路（由电位器Rp1和电容器C1组成）、非门以及单稳态电路所组成，如图2.14.4所示。由于CC4013的D端接UDD，因此，在P2点所 产生的上升沿作用下，CC4013翻转，翻转后=0。由于开机置“0”时或门①（见图2.14.5）输出正脉冲将CC4013的Q3端置“0”，因此=1，经二极管2AP9迅速给电容C1充电，使C1两端的电压达“1”电平，而此时=0，电容器C1经电位器Rp1缓慢放电。当电容器C1上 的电压放电至非门3的阀值电平UT时，非门3的输出端立即产生一个上升沿，触发下一级单稳态电路。此时，P3点输出一个正脉冲，该脉冲宽度主要取决于时间常数RtCt的值，延迟时间为上一级电路的延迟时间及这一级延迟时间之和。

图2.14.4 延迟电路

由实验求得，如果电位器用510 Ω的电阻代替，C1取22 µF，则总的延迟时间也就是显示器所显示的时间为3 s左右。如果电位器用2 MΩ的电阻取代，C1取22 µF，则显示时间可在10 s左右。可见，调节电位器Rp1可以改变显示时间。

P3点产生的正脉冲送到自动清零电路，如图2.14.5所示，将各计数器及所有的触发器置零。在复位脉冲的作用下，Q3=0，=1，于是端的高电平经二极管2AP9再次对电容C1充电，补上刚才放掉的电荷，使C1两端的电压恢复为高电平。又因为CC4013（b）复位后使再次变为高电平，所以与非门又被开启，电路重复上述变化过程。

图2.14.5 自动复零电路

三、设计任务和要求

使用中、小规模集成电路设计与制作一台简易的数字频率计。应具有下述功能：(www.xing528.com)

① 位数：

计4位十进制数。计数位数主要取决于被测信号频率的高低，如果被测信号频率较高，精度又较高，可相应增加显示位数。

② 量程：

·第一挡：最小量程挡，最大读数是9.999 kHz，闸门信号的采样时间为1 s。

·第二挡：最大读数为99.99 kHz，闸门信号的采样时间为0.1 s。

·第三挡：最大读数为999.9 kHz，闸门信号的采样时间为10 ms。

·第四挡：最大读数为9 999 kHz，闸门信号的采样时间为1 ms。

③ 显示方式：

·用7段LED数码管显示读数，做到显示稳定，不跳变。

·小数点的位置跟随量程的变更而自动移位。

·为了便于读数，要求数据显示的时间在0.5～5 s内连续可调。

④ 具有“自检”功能。

⑤ 被测信号为方波信号。

⑥ 画出设计的数字频率计的电路图。

⑦ 组装和调试。

·时基信号通常使用石英晶体振荡器输出的标准频率信号经分频电路获得。为了实验调试方便，可用实验板上脉冲信号源输出的1 kHz方波信号经3次10分频获得。

·按设计的数字频率计逻辑图在实验板上布线。

·将1 kHz方波信号送入分频器的CP端，用数字频率计检查各分频级的工作是否正常。

用周期为1 s的信号作控制电路的时基信号输入，用周期等于1 ms的信号作被测信号，用示波器观察和记录控制电路输入、输出波形，检查控制电路所产生的各控制信号能否按正确的时序要求控制各个子系统。用周期为1 s的信号送入各计数器的CP端，用发光二极管指示检查各计数器的工作是否正常。用周期为1 s的信号作延时、整形单元电路的输入，用两只发光二极管作指示，检查延时、整形单元电路的输入，用两只发光二极管作指示，检查延时、整形单元电路的工作是否正常。若各个子系统的工作都正常，将各子系统连起来统调。

⑧ 写出综合实验报告。

四、实验设备与器件

+5 V直流电源；双踪示波器；连续脉冲源；0-1指示器；直流数字电压表；数字频率计；CC4518（二-十进制同步计数器）×4，CC4553（三位十进制计数器）×2，CC4013（双D型触发器）×2，CC4011（四2输入与非门）×2，CC4069（六反相器）×1，CC4001（四2输入或非门）×1，CC4071（四2输入或门）×1，2AP9（二极管）×1。

若测量的频率范围低于1 MHz，分辨率为1 Hz，建议采用如图2.14.6所示的电路，只要参数选择正确，连线无误，通电后即能正常工作，无须调试。

图2.14.6 0～999 999 Hz数字频率计线路图