頻率計數(shù)器是一種用數(shù)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(shù)，物體轉(zhuǎn)動速度，明暗變化的閃光次數(shù)，單位時間里經(jīng)過傳送帶的產(chǎn)品數(shù)量等，這些物理量的變化情況可以通過相應(yīng)的傳感器先轉(zhuǎn)變成周期變化的電量信號，然后用頻率計數(shù)器測量單位時間內(nèi)變化次數(shù)，利用8421碼編碼的十進制計數(shù)器進行計數(shù)，計數(shù)的結(jié)果由譯碼顯示電路顯示出來。

1 頻率計數(shù)器整體方案設(shè)計

所謂頻率就是信號在單位時間內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖個數(shù)，其數(shù)學(xué)表達式為f=N／T，其中f為被測信號的頻率；N為T時間內(nèi)所累計的脈沖個數(shù)；T為計數(shù)時間。計數(shù)器單位時間內(nèi)的計數(shù)結(jié)果，即為被測信號的頻率。本系統(tǒng)就是按照頻率的這一定義來實現(xiàn)其測量的。

本系統(tǒng)由輸入電路、邏輯控制電路、計數(shù)顯示電路、時基產(chǎn)生電路4大部分構(gòu)成，其工作原理為：被測頻率信號經(jīng)過放大、整形之后，將其變換為頻率與之相等的計數(shù)脈沖信號，作為閘門的一路輸入信號，而時基產(chǎn)生電路產(chǎn)生方波信號，送給邏輯控制電路，產(chǎn)生控制閘門開啟和關(guān)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(shù)脈沖信號通過閘門進入十進制計數(shù)器進行計數(shù)；門控信號為低電平時，閘門關(guān)閉，十進制計數(shù)器停止計數(shù)，計數(shù)的結(jié)果通過譯碼顯示電路顯示出來。本系統(tǒng)可實現(xiàn)10～9 999 Hz信號的頻率測量，還可通過調(diào)節(jié)555定時電路的輸出頻率改變測量精度。

2 頻率計數(shù)器硬件電路設(shè)計

2．1 輸入電路設(shè)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(shù)電路要求，所以在測量的時候需要將被測信號經(jīng)過一個整形電路，將其變化成滿足計數(shù)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(dāng)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(dāng)輸入信號電壓幅度較小時，則調(diào)節(jié)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(jīng)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(fā)器所構(gòu)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(xiàn)正弦波、三角波到脈沖信號的轉(zhuǎn)換。

2．2 時基產(chǎn)生電路設(shè)計

為了獲得較為穩(wěn)定的時間基準(zhǔn)信號，以便準(zhǔn)確地控制閘門的開啟與關(guān)閉時間，本設(shè)計采取用555定時器組成的多諧振蕩器作為時基產(chǎn)生電路，要求其產(chǎn)生頻率為1 kHz的脈沖。振蕩器的頻率計算公式為：，因此，可確定各個參數(shù)，并通過電路仿真得到了比較穩(wěn)定的脈沖信號，這里取R1=47 kΩ，R2=39 kΩ，C=10μF。為了提高測頻精度以及顯示穩(wěn)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(shè)計

邏輯控制電路是本設(shè)計最為關(guān)鍵和難搞的模塊，主要是控制閘門的開啟和關(guān)閉，同時也控制整機系統(tǒng)的邏輯關(guān)系，包括產(chǎn)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(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123組成邏輯控制電路，當(dāng)1，觸發(fā)脈沖從A端輸入，其輸出信號控制整機系統(tǒng)正常工作。當(dāng)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(shù)電路，于是計數(shù)器譯碼器同時工作，從而記下所測信號頻率值。當(dāng)控制電路輸出為低電平時，閘門關(guān)閉，計數(shù)器停止工作，數(shù)碼管繼續(xù)顯示所測頻率值。直到下一次測量，當(dāng)手動復(fù)位開關(guān)S按下時，計數(shù)器清零，數(shù)碼管顯示消失，頻率計數(shù)器完成一次測量。這里閘門采用74LS00與非門。