数字频率计

应用

　　数字频率仪器是数字电路中一个典型应用，实际的硬件设计用到的器件较多，连线比较复杂，而且会产生比较大的延时。随着复杂可编程逻辑器件的广泛应用，将使整个系统大大简化。提高整体性能。 数字频率仪是直接用十进制数字来显示被测信号频率的一种测量装置。它不仅可以测量正选拨、方波、三角波、尖脉冲信号和其他具有周期的信号的频率，而且还可以测量他们的周期。经过改装，可以测量脉冲宽度，做成数字式脉宽测量仪；可以测量电容做成数字式电容测量仪；在电路中增加传感器，还可以做成数字脉搏仪、计价器等。因此数字频率仪在测量物理量方面有广泛应用。

原理

　　数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。频率是单位时间（ 1S ）内信号发生周期变化的次数。如果我们能在给定的 1S 时间内对信号波形计数，并将计数结果显示出来，就能读取被测信号的频率。数字频率计首先必须获得相对稳定与准确的时间，同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号，然后通过计数器计算这一段时间间隔内的脉冲个数，将其换算后显示出来。这就是数字频率计的基本原理。

　　数字频率计由四部分组成：时基电路、闸门电路、逻辑控制电路以及可控制的计数、译码、显示电路。由555 定时器，分级分频系统及门控制电路得到具有固定宽度T 的方波脉冲做门控制信号，时间基准T 称为闸门时间.宽度为T 的方波脉冲控制闸门的一个输入端 B.被测信号频率为 fx，周期 Tx，到闸门另一输入端 A.当门控制电路的信号到来后，闸门开启，周期为Tx 的信号脉冲和周期为T 的门控制信号结束时过闸门，于输出端C 产生脉冲信号到计数器，计数器开始工作，直到门控信号结束，闸门关闭.，单稳1 的暂态送入锁存器的使能端，锁存器将计数结果锁存，计数器停止计数并被单稳态清零，在整个电路中，时基电路是关键，闸门信号脉冲宽度是否精确直接决定了测量结果是否精确。 因此，可得出数字频率计的原理框图如下：

设计

　　多周期同步测量法的基本思路是使被测信号与闸门之间实现同步化，从而从根本上消除了在闸门时间内对被测信号进行计数时的±1量化误差，使测量精度大大提高。倒数计数器就是基于该方法而设计出来的一种具有创新思想的测频、测周期的仪器。它采用多周期同步测量法，即测量输入多个（整数个）周期值，再进行倒数运算而求得频率。其优点是：可在整个测频范围内获得同样高的测试精度和分辨率。

　　（一）系统级方案设计

　　在选择多周期同步等精度测量法的情况下，按照自顶向下的设计方法，可以画出该频率计的系统级框图，如图1所示。根据测周期、频率的原理，可以将总体框图分为三个子系统：输入通道（即前置整形电路）该部分主要由模拟电路组成的；多周期同步等精度频率、周期的测量、控制及功能切换（中间部分），该部分基本上由数字硬件电路组成；单片机及外围电路，包括单片机、数码显示。

　　图 1 频率计的系统方框图

　　（二）子系统设计

　　1．输入通道的设计。输入通道是由前置放大器和整形器组成的，所以要对前置放大器的增益和带宽指标进行估计。为了能准确测量信号，将输入信号经过一个放大整形电路。其具体实施方案为：将输入信号经过LM358运放放大，再通过74LS132整形，此时的信号还不能直接送入单片机，这是因为在硬件上CPU对INT0和INT1引脚的信号不能控制，解决这个问题要通过硬件，再配合软件来解决。

　　2．预置闸门时间发生电路设计。闸门时间的确定，可以先由一个555定时器产生一个脉冲信号，将555产生的脉冲信号送入到74LS90十进制计数器当中，由于74LS90具有二-五进制混合计数的功能，所以可以用它来实现五进制计数，将74LS90的输出接到3—8线译码器74LS138的输入端，再将译码器的输出端接上五个发光二极管，这样就可以实现硬件上的闸门时间控制。但是考虑到硬件实现上的复杂性，可以通过软件上来实现，就是将五个发光二极管直接接到单片机的P1口由软件上来实现，通过按键来改变它的闸门时间。

　　3．数码显示电路的设计。该部分电路是由单向八位移位寄存器74LS164和数码管组成的。考虑到精度的问题，取五位计数值，采用五片74LS164级联，同时还要显示频率和周期的单位，所以还需再级联一块74LS164，在74LS164的输出端接六个单位指示灯，分别表示周期频率的三个不同的单位数量级，即周期单位s，ms，μs和频率单位Hz，KHz及MHz。移位寄存器的时钟信号是由单片机的串行输出口TXD脚控制。

技术指标

　　测量 频率、频率比、时间间隔、周期、上升/下降时间、正/负脉冲宽度、占空比、相位、总合、峰值电压、平均时间间隔、时间间隔延迟

　　分析 自动极限测试、数学运算（定标、偏置）、统计（最小、、平均、标准偏差）。统计功能可适用于全部测量结果或在极限内的测量结果。

　　测量功能

　　频率范围 CH1&2：DC-225MHz

　　频率分辨率 12字/s

　　测量速度 可达200测量/秒

　　时间间隔分辨率 150ps

　　输入调节 (CH1&2可独立选择)

　　阻抗、耦合 1MΩ或50Ω,ac或dc

　　低通滤波器 100kHz,可切换

　　衰减器 x1或 x10

　　外部时基

　　基准输入 10MHz

　　触发 CH1&2

　　上升/下降沿触发，按信号电平的百分数或电压设置出发电平，灵敏读设置为Low,Med或High。

　　闸门和待命 自动、手动（设置闸门时间或分辨率位数）外部；延迟

　　接口 带SCPI兼容语言和标准GPIB(IEEE 488.1和488.2)RS-232只讲工作方式。