测量频率及占空比的频率计设计 .pdfVIP

简易数字频率计设计

一、设计任务与要求：

设计一个具有如下功能的简易频率计。

（1）基本要求：

a．被测信号的频率范围为1～20kHz，用4位数码管显示数据。

b．测量结果直接用十进制数值显示。

c．被测信号可以是正弦波、三角波、方波，幅值1～3V不等。

d．具有超量程警告（可以用LED灯显示，也可以用蜂鸣器报警）。

e．当测量脉冲信号时，能显示其占空比（精度误差不大于1%）。

（2）发挥部分：

a．修改设计，实现自动切换量程。

b．构思方案，使整形时，跳变阈值自动进行调节，以实现扩宽被测

信号的幅值范围。

二、方案设计与论证：

（1）数字频率计概述：

数字频率计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。它不仅可以测量正弦波、方波、三角波、尖脉冲信号和其他具有周期

特性的信号的频率，而且还可以测量它们的周期。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

计在测量物理量方面应用广泛。

(2)数字频率计方案选择：

本设计要求的测频范围是1~20KHZ，可分1~9999HZ和

10.00~20.00KHZ两个量程，有两种不同的方案实现量程的划分：

方案1：将1HZCLK信号二分频，取分频后信号的高电平作为测频的

1S闸门信号，测量结果有5位，当结果小于9999HZ时选择低四位由数码

管显示输出，大于9999HZ且小于20KHZ时，选择高四位输出，大于20KHZ

时，超量程指示灯亮。

通过选择高四位或低四位来实现量程的自动转换。此方案的特点是

实现方法简单，适合小范围的频率测量，但测频范围较大时，实现起来，

测量速度较慢，还会造成所用元器件的浪费。

方案2：由分频来实现量程的划分，将基准信号经分频得1HZ和10HZ

的分频信号，设置一信号量SEL，初值为1HZ，将SEL信号二分频取分频

后信号的高电平作为测频的闸门信号。测频的量程为1~9999HZ时，SEL

为1HZ，测频的闸门信号为1S；量程为10.00~20.00KHZ时，将SEL为10HZ，

同时表示小数点的指示灯亮，测频的闸门信号为0.1S；当测量结果小于

9999HZ时，SEL赋值为10HZ，测量结果大于9999HZ且小于20KHZ时，SEL

赋值为10HZ，测量结果大于20KHZ时，超量程指示灯亮从而实现量程的自

动转换。此方案的特点是测频范围较小时，分频略显麻烦。但总体实现起

来较为可行。

比较两方案可知：对于本设计，方案1较方案2简单，方案1结果

有5位，按情况选择4位输出显示即可实现频率的测量和量程的自动转换；

而方案2要经过分频略显麻烦。但是，在本设计中，频率测量范围较小，

量程划分也简单，所以，我选方案1进行设计。

方案一原理图：

方案二原理图：

（3）实验相关电路原理：

（1）设计原理：

a测频率：

数字频率计的核心是电子计数器。电子计数器可以对脉冲数目进

行累加运算，能把任意一段时间内的脉冲总数计算出并由数码管显示出

来。如某个时间间隔t内对周期性信号的累加计数值为N，则信号频率f

fNt

为＝/。

因此，首先应将被测信号变成周期性的脉冲，脉冲形成电路就是起

这个作用，其脉冲的重复频率等于被测信号频率。脉冲形成后将它加到闸

门电路的一个输入端A，闸门电路就是用来控制开和关的一种电路，当具

有标准时间的闸门脉冲到达时，闸门便开启，允许由A进入的脉冲通过；

闸门脉冲结束后，闸门便关闭，信号就不能通过。闸门开启时通过的脉冲

送到电子计数器进行计数，由装在面板上的数码管显示出来。例如，时基

信号的作用时间为1秒，闸门电路将打开1秒，若在这段时间内通过闸门

电路的脉冲数目为1000个，则被测信号的频率就是1000Hz。

b测占空比：

测占空比有很多种方法，本设计采用多周期测量法其测量原