摘要：頻率計數器是一種用數字顯示的頻率測量儀表，它不僅可以潮量正弦信號、三角波信號、方波信號和尖脈沖信號的頻率，而且還能對其他多種非電量信號的頻率進行測量。系統采用555定時器組成的多諧振蕩器作為時基產生電路，產生頻率為1kHz的控制信號，而被測信號經過一個放大整形電路，將其變化成滿足系統要求的計數脈沖信號，然后用頻率計數器測量單位時間內變化次數，即被測信號的頻率。
頻率計數器是一種用數字顯示的頻率測量儀表，它不僅可以測量正弦信號、三角波信號、方波信號和尖脈沖信號的頻率，而且還能對其他多種非電量信號的頻率進行測量，例如機械振動次數，物體轉動速度，明暗變化的閃光次數，單位時間里經過傳送帶的產品數量等，這些物理量的變化情況可以通過相應的傳感器先轉變成周期變化的電量信號，然后用頻率計數器測量單位時間內變化次數，利用8421碼編碼的十進制計數器進行計數，計數的結果由譯碼顯示電路顯示出來。
1 頻率計數器整體方案設計
所謂頻率就是信號在單位時間內所產生的脈沖個數，其數學表達式為f=N/T，其中f為被測信號的頻率；N為T時間內所累計的脈沖個數；T為計數時間。計數器單位時間內的計數結果，即為被測信號的頻率。本系統就是按照頻率的這一定義來實現其測量的，其系統原理框圖如圖1所示。
本系統由輸入電路、邏輯控制電路、計數顯示電路、時基產生電路4大部分構成，其工作原理為：被測頻率信號經過放大、整形之后，將其變換為頻率與之相等的計數脈沖信號，作為閘門的一路輸入信號，而時基產生電路產生方波信號，送給邏輯控制電路，產生控制閘門開啟和關閉的門控信號，作為閘門的另一路輸入信號。門控信號為高電平時，閘門開啟，計數脈沖信號通過閘門進入十進制計數器進行計數；門控信號為低電平時，閘門關閉，十進制計數器停止計數，計數的結果通過譯碼顯示電路顯示出來。本系統可實現10～9 999Hz信號的頻率測量，還可通過調節555定時電路的輸出頻率改變測量精度。
2 頻率計數器硬件電路設計
2.1 輸入電路設計
實際測量中的輸入信號種類繁多，可能是正弦波、三角波、方波或其他形式的波形，不能夠滿足后級的閘門或計數電路要求，所以在測量的時候需要將被測信號經過一個整形電路，將其變化成滿足計數電路要求的脈沖信號。并且在整形之前由于不清楚被測信號的強弱的情況，所以還要考慮信號的放大衰減處理。當輸入信號電壓幅度較大時，通過輸入衰減電路將電壓幅度降低。當輸入信號電壓幅度較小時，則調節輸入放大的增益，使被測信號得以放大。如圖2所示為放大整形電路。為保證測量精度，在整形電路的輸入端加一前置放大器，對幅值較低的被測信號經放大后再送入整形電路整形。模塊電路由單級共射放大電路、74LS00與非門和基本RS觸發器所構成，其中3DG100為放大器，可對周期信號進行放大后再傳入整形器中對信號進行整形。輸入電路通過基于multisim仿真軟件的電路仿真，可實現正弦波、三角波到脈沖信號的轉換，如圖3所示。
2.2 時基產生電路設計
為了獲得較為穩定的時間基準信號，以便準確地控制閘門的開啟與關閉時間，本設計采取用555定時器組成的多諧振蕩器作為時基產生電路，要求其產生頻率為1kHz的脈沖。振蕩器的頻率計算公式為：
，因此，可確定各個參數，并通過電路仿真得到了比較穩定的脈沖信號，這里取R1=47kΩ，R2=39kΩ，C=10μF。為了提高測頻精度以及顯示穩定，這里加入了一個電位器，可改變振蕩器的輸出頻率，以改變閘門時間。
2.3 邏輯控制電路設計
邏輯控制電路是本設計最為關鍵和難搞的模塊，主要是控制閘門的開啟和關閉，同時也控制整機系統的邏輯關系，包括產生74LS90的清零信號，74LS373的鎖存信號以及譯碼顯示電路的控制信號。這里采用兩個單穩態觸發器74LS123組成邏輯控制電路，當
1，觸發脈沖從A端輸入，其輸出信號控制整機系統正常工作。當控制電路輸出為高電平時，閘門開啟，被測信號通過閘門進入計數電路，于是計數器譯碼器同時工作，從而記下所測信號頻率值。當控制電路輸出為低電平時，閘門關閉，計數器停止工作，數碼管繼續顯示所測頻率值。直到下一次測量，當手動復位開關S按下時，計數器清零，數碼管顯示消失，頻率計數器完成一次測量。這里閘門采用74LS00與非門。時基產生電路原理圖和仿真波形圖如圖4、圖5所示。
2.4 計數與顯示電路設計
本模塊電路如圖6所示，由計數器、鎖存器、譯碼器和LED顯示4部分組成。其中74LS90是常用的二-五-十進制異步計數器。本設計要求采用8421碼的十進制計數，所以，當R01R02=0，S01S02=0，計數脈沖從CP1輸入，CP2接QA，實現十進制計數功能。而R01R02連接控制電路的輸出，在控制信號為高電平時，閘門開啟，計數器工作。74LS273是帶有清除端的8D觸發器，只有在清除端CLR為高電平時，才具有鎖存功能，鎖存控制端為11腳CLK，采用上升沿鎖存。這里如果不加74LS273鎖存器，那么器的輸出結果一直往數碼管里送。由于在計數一直在工作，所以數碼管上面一直顯示數字，并且數字快速閃動，無法觀測數據，計數停止，數碼管也停止顯示。為解決這個問題，可通過鎖存信號，實現計數時數碼管不顯示，計數停止后，數碼管再顯示計數器的計數結果的功能。
3 結語
本頻率計數器經過測試與應用，確保能正確傳輸信號及實現頻率的測量。在電路改進方面可在時基電路的555定時器的管腳2與7之間加了2個反方向的二極管，并設置參數相等的電阻R1、R2，這樣可得到占空比為50%的脈沖波形；還可將芯片CC4511和共陰極LED顯示器換為芯片74LS48和共陽極LED顯示器實現共陽極顯示，以及為提高測量精度，增加由74LS90構成的分頻電路。
