一种数字频率计电路设计系统的方案研究

李享

【摘 要】本文主要设计一种具有对频率信号进行测试的数字频率计，在数字频率计的单元电路设计中主要包括整形电路、计数电路、显示电路等当面的设计，上述电路的设计实现精确完美时能够更好的保证频率计的正常使用。

【关键词】测频；频率计；电路设计

1.相关理论概述

数字频率计采用数字电路制作成以十进制码来现实被测信号频率，对于周期性变化的信号频率能够实现有效的测量的一种仪器。它是教学、科研等工作中的基础测量仪器，在模拟电路和数字电路实验中有着重要的作用，其能够直接读出信号源所产生的不同频率范围的信号将会对实验产生很大的影响。频率计主要用在正弦波、矩形波等周期性信号频率值的测量等，它的拓展功能能够实现对信号周期及其脉冲宽度的测量，引起对信号源的接受敏捷度使得其称为试验箱中的重要组成部分。

信号频率测量方法按照工作原理可以分为无源测量、比较测量、示波测量及技术等测量方法。其中最常见的测量方法是电子计数器，在该种技术下，频率计实现单位时间内被测信号脉冲数的直接计数，并将其频率值以数字的形式显示。实现了对不同频率、精确度的测频需求，保障了测量结果的精确度和速度。

2.整形电路的设计

整形电路就像把模拟的信号转换成为二值信号，也就是使其成为只有高电平和低电平的离散信号。在电路设计时我们可以将电压比较器用作模拟电路及数字电路的接口电路，通过其把非矩形信号转换成矩形信号。在选择比较器时，我们要充分考虑影响信号接收和转换功能的各种因素。下图为其整体设计结构图：

首先，是信号传播可能存在的延迟及时时间。信号传播的延迟时间是比较器选择时所要考虑的重要参数，这种时间的延迟有当信号通过元器件时所产生的传输时间上的延迟和信号上升及下降的时间延迟，只有将延迟的时间降低到最小才能有效的缩短信号处理的时间。

其次，要充分考虑电源电压对比较器的影响。就传统而言，比较器一般需要正负 15 伏的双电源来进行供电或者需要达到36 伏的单电源进行供电，这种传统的比较器在一些工业控制中仍有使用的空间和发展前途但以不适应发展的主流。现在多数的比较器需要在限定的电压条件下进行工作，即在电池电压所能够运行的单电源单位内进行工作，因此对其提出了低电流和小封装等当面的要求，并且在实际的应用中比较器还应该具备一定的关断的功能。当具备上述条件是，比较器才能够在试验箱中得到有效的利用，保证频率计在不同电源电压条件下的正常工作。

再次，充分考虑功耗对比机器的影响。功耗的大小直接影响比较器使用寿命和工作效果，功耗越低时其比较器的耗损相对较低，使用使用寿命得到延长，然而功耗由于器件的运作速度相关，功耗降低的同时可能带来运作速度的降低，因此，在比较器选择时，充分考虑功耗与元器件寿命及其运作速度的关系，寻得一种最优组合。

最后，不可忽视门限电压对比较器的影响。外围器件的设置可以用来实现对门限电大的测量，门限电压的大小与电路抗干扰能力呈现一种正比例的关系但与其敏感度成反比例关系。当我们通过对门限电压的测量并通过一定的公式计算，根据实际工作的需要来确定门限电压的具体值。

当我们充分考虑上述影响因素时，便会有针对性的选择相应的新品用于单元电路的设计，从而实现信号在电路中的顺利传输，避免芯片烧坏等现象的发生。

3.计数电路的设计

实现对信号的整形后我们便要关注一些低频信号由于其上升速度等原因可能产生的计数影响，因此在电路设计时应该根据信号的特点来完善计数电路的设计。低频信号上升缓慢或者高频信号叠加于其中时会使得计数电路将该种抖动作为输入脉冲予以计数，从而产生计数上的误差。避免该种现象的发生，我们可以通过低通滤波器的使用来处理低频信号传输中可能产生的抖动，并经过滤波器滤除叠加的高频信号。而反相器的使用可以实现在滤波前把高频信号和低频信号予以分开，即仅使低频信号经过反相器实现滤波得到比较规则的矩形信号而高频信号则不经过该过程。经滤波后的矩形信号输入到单片机中，在单片机选择时，低电压、高性能是我们考虑的重要方面，同时还要选择体积较小功能相对较强的单片器，实现迅速有效的技术。单片机计数器的精确度和终端结构的类型都会影响计数结果，通过精密比较器的植入和振荡器电路的设置，实现频率计的精度和存储等方面的要求。在单片机选择时还应该考虑技术进步革新对于存储器程序的选择和更新的可能，并且考虑单片机大小对于整个电路系统的影响，保证程序写入的便利性。下图为其计数模块设计图：

此外，对于计数电路的设计还要考虑信号频率高低的不同对计数器可能产生的影响，实现单片机对不同信号频率进行分频处理。经过整形后的信号进入选定规格的反相器后，对不同频级的信号进行分级处理，单片机频率自动分辨处理能力的选择能够有效的降低一些频级信号的分辨和处理，保证计数器工作的效率和速度。同时计数器的显示值的大小根据信号的频值进行实现随机变动，实现对不分频信号、高频机低频信号的有效计数。

4.显示电路的设计

显示电路是数字频率计电路设计的重要组成部分，它负责将整形电路及计数电路处理的数据显示出来。在该电路设计时我们要考虑的因素便是显示材料的选择及数据显示的方式。LED 数码管的类型会对数据的现实产生一定的影响，而该种材质的数据显示方式又分为动态和静态两种。就两种现实方式的优缺点而言，静态现实具备较高的亮度，为我们及时准确的读取数值提供了视觉便利，且其接口编程相对容易，但是该种显示方式会占用较多的口线，显示的位数直接关系到锁存器的数量，这直接带来所用器件数量繁多和连线的庞杂 ；而动态显示相交而言能够避免上述一些缺点。在动态显示使用时，先确定未选实现选定未选的段码的显示，经过一定的延时再实现对下一选定为送段码显示，并依此循环。下图为其显示模块图：

其具体的工作流程可以解释为，单片机中不同的构建作为译码器实现信号的输入，由译码器的输出来确定数码管的选择位。将每个数码管的公共端与一个接有高电平的 PNP 三极管的集电极相连，同时将三极管的基极和译码器的输出端相连接，这样可以通过对软件编程来设置单片机中的不用位置构建，从而设计译码器的输入端，其输出端设为低电平且只设一位，从而使与其连接的三界关处于一种饱和的状态，实现对计数器数据的动态显示。实现显示器电路中各元件的有机连接后，还要注重送段码的相关问题，使得相应位数的送段码可以通过一定串行口在数码管上进行显示。

5.结束语

除上述电路设计外，电子频率计的设计还要注重电源、滤波等电路的设计，只有将各种影响其工作的单元电路的设计不断的精细化和完善时，才能有效的保证其工作的效率和在实验和工业中的使用效果。

【参考文献】

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