一种10MHz数字频率计设计电路与工作原理

欧小东

（郴州综合职业中专学校 湖南省郴州市 423000）

频率是电工、电子课程中最重要的基本参量之一，数字频率计是电子测量与仪表中最基础的一种测量并显示单位时间内的脉冲个数的数字仪表，由于其使用十进制数显示，测量迅速，显示直观，所以是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可或缺的测量仪器。频率计的设计方案很多，或基于数字电路，或基于单片机系统。本文公开的是一种基于数字电路来设计的数字频率计。

1 数字频率计的脉冲计数原理

数字频率计脉冲个数计数原理方框图[1]如图1 所示。

工作原理：测量前先将计数器复位（清零），然后将待测脉冲和t2-t1=1s 的阐门脉冲一起加到电控与门（阐门）。在t2～t1期间，阐门开通并输出被测信号脉冲，此脉冲送至计数器计数，计数值就是t2～t1期间被测脉冲个数N。根据频率和周期的定义可知，待测脉冲频率和周期分别为：

阐门脉冲产生电路作为信号源，提供基准。实际上，阐门脉冲发生器是一个能对晶体谐振器产生的高频信号实施整形，并经多次分频形成基准秒脉冲的电路。该信号与待测脉冲一同进入阐门，只有在脉冲存在期间的那一部分，才能通过阐门，这就锁定了1s 的待测脉冲数。最后经过计数、译码、显示电路的作用显示出频率数。

2 10MHz数字频率计设计电路

电路方框如图2 所示。整个电路的组成按功能可分为电源电路、振荡与14 级分频器、阐门，锁存控制信号产生电路，被测信号放大与整形电路，阐门与计数器复位信号产生电路，1M 进制计数器电路，计数状态锁存电路，BCD 译码、驱动与显示电路。

3 10MHz数字频率计电路工作原理简析

10MHz 数字频率计电路设计如图3 所示。

3.1 电源电路

包括变压、整流、滤波和三端集成稳压器构成的稳压电路。

3.2 振荡与14级分频器电路[2]

包括CD4060 及其外围元件。振荡频率为32768Hz，输出2Hz信号和2048Hz 的自检信号。

3.3 阐门、锁存控制信号产生电路

双上升沿D 触发器CD4013 通过级联，接成四分频器，2Q 端和端分别输出阐门控制信号和计数状态锁存控制信号，如图4 所示。

3.4 长期锁存功能的作用与原理

图1：脉冲计数原理方框图

图2：10MHz 数字频率计电路设计方框图

锁存器每次数据刷新时间间隔为2s，时间较短，当来不及从容读取数码管显示的频率数据时，可使用长期锁存功能。闭合长期锁存开关S3后，无论锁存控制信号是否变化，1M 进制计数器数据是否变化，由于锁存器的时钟输入端维持高电平不变，所以锁存器之前锁存的频率数据以及数码管的显示均保持不变，达到长期锁存从容不迫读取数据的目的。数据读取完毕，断开S3后，频率计才能重新恢复工作状态。VD5、R6与VD6起隔离作用，对锁存控制信号与长期锁存高电平进行隔离，避免二者相互影响，C3为消颤电容，防止S3闭合/断开瞬间的开关“抖动”引起锁存器误触发。

3.5 被测信号放大与整形电路

μA741 和74HC14 分别完成被测信号放大与整形[3]，将被测信号转换为可计数的脉冲信号。

3.6 量程选择与十分频电路

被测信号经整形变换送入阐门之前，须经过量程开关S2进行量程选择：如果频率在1MHz 以内，S2选择×1 挡，数码管显示的数据即为被测信号的频率；如果频率在1MHz 以上，S2选择×10 挡，送入阐门为经分频电路十分频后的脉冲信号，所以，被测信号的实际频率为显示频率的10 倍，即量程扩展了10 倍。

3.7 开阐选通与计数器复位信号产生电路

CC4081 内部（1A、1B、1Y）与门完成对被测信号/自检信号的开阐选通控制；CC4081 内部（2A、2B、2Y 和3A、3B、3Y）与门产生计数器复位信号（脉宽0.25s 的正脉冲，由3Y 端输出），在每次开阐前0.5s 对1M 进制计数器清零，以确保每次开阐都是从0 开始计数。

图3：10MHz 数字频率计电路设计图

图4：阐门、锁存、计数器复位信号波形图

3.8 1M进制计数器电路

三片74HC4518 分别构成一百进制计数器[4]，级联后总模长为1M，采用异步进位方式。当低位74HC4518 的状态由99 →00 瞬间，74LS20 输出一个正跳变，使高位74HC4518 计数器的模加1。

3.9 计数状态锁存电路

由三片八上升沿D 触发器74HC374 组成。当阐门关闭的瞬间，锁存信号产生一个正跳变，74HC374 利用此正跳变，将1M 进制计数器的状态读取并可靠锁存。

3.10 BCD译码、驱动与显示电路

由六片74LS4511、六块LED 显示器共同构成，其工作原理此处不再赘述。

4 结论

综上分析可知，本文公开的10MHz 数字频率计电路设计电路具有设计巧妙、性能完善、可靠性高、实用性强的特点，适合在本、专科院校的数字电路教学实践中推广和应用。