簡易數(shù)字頻率計電路圖（一）

本文介紹一臺采用六功能電子表改裝的數(shù)字頻率計，它具有造價低廉，制作調(diào)試簡單，讀數(shù)方便等特點，很適合于初學(xué)者自制。

工作原理：由六功能電子表（以下簡稱“表”）原理可知，當(dāng)把“表”置于“跑表計時”工作狀態(tài)時，在兩次按動“ADVANCE”鍵后，“表”顯時間就是兩次按鍵的間隔時間。若設(shè)間隔時間為T，表顯數(shù)值為M，則M=T·F/N（F為注入到表的信號頻率，N為表的分頻系數(shù)）。當(dāng)使T=N（或T=N×10-x）時，則F=M（或F=M×10x），即表顯數(shù)值M就是輸入到表的信號頻率F。這就是本頻率計的基本工作原理。

電路如圖所示。

9V電源經(jīng)IC1穩(wěn)壓為IC2和IC3提供穩(wěn)定的5V工作電源，5V電源再經(jīng)R7和LED2降壓為電子表提供1.5V電源。IC2和IC3等完成對表的清零和產(chǎn)生T=N×10-x（32.80S和3.28S）的標(biāo)準(zhǔn)按鍵脈沖。S2為檔位轉(zhuǎn)換開關(guān)，分×10和×100兩檔，單位為HZ；SB為測量按鈕；S1‘～S3’分別是表的“MODE”、“SET”和“ADVANCE”按鍵。工作過程如下：接通電源，由IC2（NE555）、R1～R4和C3組成的自激振蕩器振蕩，IC3（CD4017）通過C5清零后開始計數(shù)，經(jīng)一定時間Q9輸出高電平，由于Q9與EN端相接，IC3計數(shù)停止。此后按動S1‘把表轉(zhuǎn)換至“跑表計時”狀態(tài)。測量時，被測信號接到A和B兩端，S3置測量位，信號經(jīng)R11、D1和D2限幅后通過C7耦合到表，按動SB，Q9的高電平使IC3清零并再次計數(shù)。隨著IC2脈沖的不斷輸入，IC3的Q1～Q9依次輸出高電平。在Q1輸出高電平時，相當(dāng)于按了一下S2’鍵，表清“0”（顯示為0:00oo）；在Q3輸出高電平時，相當(dāng)于按了一下S3‘鍵，表開始計時（實則計數(shù)）；在Q8輸出為高電平時，相當(dāng)于又按了一下S3’鍵，表計時停止。此時表顯數(shù)值就是在IC2輸出5個脈沖周期內(nèi)所進(jìn)入到表內(nèi)的脈沖個數(shù)（即頻率）。在Q9輸出高電平時，IC3計數(shù)停止，完成一次測量過程。R8～R10、LED3和LED4用于限制輸入到表“鍵”控端的電壓；LED1用于測量指示，在測量完畢后發(fā)光，以示測量時間已到，可以讀數(shù)。

元件選擇：S1為電源開關(guān)，S2和S3選單刀雙擲小型撥動開關(guān)，SB為測量按鈕開關(guān)。為保證測量的穩(wěn)定性能和精度，C3需選擇漏電流較小耐壓在16V的鉭質(zhì)電容，R1～R2最好用1/4W的金屬膜電阻器，R3和R4用1/2W的51K線性微調(diào)電位器。為方便于安裝，電子表需用帶“跑表”功能的BP機(jī)式電子表。其它元件的選擇如圖所注。

制作與調(diào)試：打開電子表后殼細(xì)心拆下線路板，找到表的電源（+）和（-）極，以及“SET”和“ADVANCE”按鍵的接點，作好標(biāo)識設(shè)法用細(xì)軟線引出表殼外，再把內(nèi)部晶振的一個端點與線路板脫開，參照電路圖連接小型開關(guān)S3并把S3固定在表殼一側(cè)（表內(nèi)一側(cè)正好有此空間），將各引出線與主線路板連接好并恢復(fù)電子表機(jī)殼后就可進(jìn)行調(diào)試。調(diào)整：接通電源，把表置“跑表計時”工作狀態(tài)，S3置校準(zhǔn)位，按動SB進(jìn)行校準(zhǔn)。S2在×10位時，調(diào)R3使表顯值為32.80S（理論值為32.768S）；S2在×100位時調(diào)R4使表顯數(shù)值為3.28S即可。

使用與注意事項：1.測量后，表顯數(shù)值與S2所在檔位的乘積就是被測信號的頻率，單位為HZ。S2在×10檔時，誤差為10HZ；S2在×100檔時，誤差為100HZ。在顯示數(shù)值〉59.99S時，分位值應(yīng)×6000后再與秒位數(shù)值相加。2.在被測信號頻率較低時，表屏將不能正常顯示，需待測量結(jié)束（即LED1發(fā)光）后，把S3打在校準(zhǔn)位置進(jìn)行讀取。3.表到主電路板的各連線應(yīng)盡量短，特別是C7到S3之間的連線最好使用屏蔽線。4.輸入到表的信號最好小于1MHZ。

功能擴(kuò)展：1.如欲測量較高信號頻率時，可采用在限幅前加分頻電路的方法進(jìn)行擴(kuò)展，如用一塊CD4017可使量程擴(kuò)展到10MHZ等。2.如把IC2等組成的振蕩器中的電容，電阻（或電感）換成待測元件，依據(jù)振蕩器的脈沖周期T與元件參數(shù)成正比的關(guān)系，用它就可測量上述元件的參數(shù)值了。

簡易數(shù)字頻率計電路圖（二）

本文利用前置分頻器SAB6456A和高速數(shù)字分頻器74HC390的分頻功能，結(jié)合新型的MSP430F449單片機(jī)，給出了一種新穎的、全自動的數(shù)顯測量射頻頻率的設(shè)計方案。

圖1 信號的前端處理及分頻電路

主要器件介紹

MSP430F449單片機(jī)

MSP430F449 采用16位RISC結(jié)構(gòu)，具有豐富的片內(nèi)外設(shè)和大容量的片內(nèi)工作寄存器和存儲器，性能價格比很高。它的特點包括：

· 超低的功耗：能夠在1.8V~ 3.6V的電壓下工作；具有工作模式（AM）和5種低功耗模式（LPM）。在低功耗模式下，CPU可以被中斷喚醒，響應(yīng)時間小于6ps。

· 較強(qiáng)的運(yùn)算能力：16位的RISC結(jié)構(gòu)，豐富的尋址方式；具有16個中斷源，可以任意嵌套；在8MHz時鐘驅(qū)動下指令周期可達(dá)125ns； 內(nèi)部包含硬件乘法器和大量寄存器，以及多達(dá)64KB的Flash程序空間和2KB的RAM，為存儲數(shù)據(jù)和運(yùn)算提供了保證。

· 豐富的片上外設(shè)：包括看門狗定時器，基本定時器，比較器，16位定時器（TA、TB），串口0、1，液晶顯示驅(qū)動器，6個8位的I／O端口，12位ADC （最高采樣率200kHz）等。豐富的片上外設(shè)可以很方便地構(gòu)建一個較為完整的系統(tǒng)。另外，充分利用計數(shù)器的多路任意波形產(chǎn)生功能和中斷控制功能，保證了一些復(fù)雜的時序控制任務(wù)的完成。

·方便高效的開發(fā)環(huán)境：MSP430F449是Flash型器件，片內(nèi)有調(diào)試接口和電可擦寫的Flash存儲器，可以先下載程序到Flash內(nèi)，再在器件內(nèi)通過軟件控制程序的運(yùn)行，由JTAG接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計師調(diào)試。這種方式不需要仿真器和編程器，調(diào)試十分方便。

前置分頻器SAB6456A

SAB6456A是專為UHF/VHF設(shè)計的前置分頻器。內(nèi)部的MCpin為分頻控制端，可對頻率范圍為70MHz-1GHz的信號進(jìn)行64/256分頻，當(dāng)MC pin開路時為64分頻；當(dāng)MC pin接地時為256分頻。有較高的靈敏度和較強(qiáng)的諧波抑制能力。

圖2 單片機(jī)外圍電路

工作原理

該設(shè)計主要分兩部分：分頻和計數(shù)。首先，輸入信號限幅后經(jīng)SAB6456A分頻，256分頻后的信號再經(jīng)兩片74HC390高速分頻器進(jìn)行1000分頻，此時模擬信號變?yōu)榈皖l數(shù)字信號，頻率在10kHz以下；其次，分頻后的信號直接接入MSP430F449單片機(jī)，利用內(nèi)部的16位定時器A來定時和計數(shù)。該定時器可分為幾個部分：計數(shù)器部分，捕獲/比較寄存器及輸出單元。其中，計數(shù)器有4種工作模式，3個捕獲/比較寄存器。利用計數(shù)器的連續(xù)計數(shù)模式和上升沿捕獲模式，在定時器中斷中計數(shù)N個脈沖信號時間，再除N得到頻率。

硬件設(shè)計

圖1為信號的前端處理及分頻設(shè)計。輸出后的信號再經(jīng)兩片SN74HC390分頻，SN74HC390是高速分頻器件，最高分頻頻率為50MHz。每片 SN74HC390可實現(xiàn)100分頻，采用兩片串聯(lián)，可實現(xiàn)對信號的1000分頻，經(jīng)分頻后的數(shù)字信號頻率較低，約4kHz以下，可由單片機(jī)直接計數(shù)。

圖2為單片機(jī)外圍電路，包括復(fù)位電路，電源電路和單片機(jī)工作必須的晶振。晶振有8MHz和32.768kHz兩種，8MHz 作為定時器A的計數(shù)器輸入時鐘源；32.768kHz 作為數(shù)碼管的顯示頻率。74LS373為D型鎖存器，5V單電源供電，因輸出電流足夠大，也可以直接驅(qū)動共陰極LG3631AH型數(shù)碼管。

軟件設(shè)計

將分頻的輸出端OUT接至單片機(jī)的頻率輸入端，程序開始先延時一段時間，待信號穩(wěn)定。開捕獲中斷和定時器A，在定時器A 中斷中計數(shù)N個脈沖，測量結(jié)束后得到N個脈沖的時間，然后除N得到脈沖的頻率，乘以分頻系數(shù)得到實際頻率并顯示，經(jīng)過短暫延時后重新測量，如此循環(huán)測量并顯示。

在測量頻率時，為保證精度要關(guān)掉LED顯示，所以，對于頻率較低的信號會發(fā)生LED閃爍的情況，解決辦法是測量較少個脈沖以減少平均測量時間或減少延時。

采用動態(tài)掃描顯示，動態(tài)掃描顯示的原理是：由P4向各個位輪流輸出掃描信號，使每一位瞬間只有一個數(shù)碼管被選通，然后由P3向該位輸入顯示的字型碼，驅(qū)動該位字形段顯示字形。這樣，在P3送出的碼段和P4送出的位段的配合下，使各個數(shù)碼管輪流顯示各自的字形，每位的顯示時間要超過1ms，這樣人眼就感覺不到閃爍了。

測量主程序如下：

void frequency_measure（void）

{float tmp，tmp1;

key_flag=0;//按鍵標(biāo)志清0

P1OUT|=BIT0;

Delay（1000）; file://延時一段時間等待信號穩(wěn)定

while（1）

{ IE2&=~0X80; file://關(guān)BT，關(guān)LED

firstflag=1;//開始測量第一個脈沖

TACTL|=TAIE; file://開捕獲

CCTL1|=CCIE;//開timer a

while （f_ok_flag==0）;//等待測量結(jié)束

f_ok_flag=0;

if （aa1》aa2）

overflow=overflow-1;

tmp=aa2-aa1;

tmp1=40.0/（overflow*0.008191875+（tmp/8000000.0））;

result=tmp1*0.256;

IE2|=0X80;//開BT，開LED

yanshi（2，2）;//可以修改這里的參數(shù)，越大表示延時越長，太小的話LED就會變暗

CCTL1&=~CCIE;//關(guān)捕獲

TACTL&=~TAIE;//關(guān)timer a

return;

}

}

流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程

結(jié)語

本文給出的硬件和軟件均經(jīng)過實踐檢驗，使用該測量儀器所測結(jié)果精度較高。該測量儀器價格較低，結(jié)構(gòu)簡單，是一種經(jīng)濟(jì)型的頻率測試儀。

簡易數(shù)字頻率計電路圖（三）

頻率計由頻率-電壓轉(zhuǎn)換電路、觸發(fā)脈沖產(chǎn)生器、分頻器和3 1/2位數(shù)字面板表組成。

IC1是高速TTL施密特觸發(fā)器74HC132，輸入信號經(jīng)整形后送入四級10分頻電路或觸發(fā)器電路（由量程開關(guān)K2控制）。IC1、IC2、IC3及C4R4組成4us觸發(fā)脈沖發(fā)生器。IC5（555）和R7、C5組成單穩(wěn)態(tài)電路，3腳輸出經(jīng)過R8、R9和面板表內(nèi)部0.01uF電容組成的積分網(wǎng)絡(luò)后，轉(zhuǎn)換成平均直流電壓值，即由555輸出的Vp脈沖峰值轉(zhuǎn)換成Vp·t/T，t為脈寬，T為與輸入頻率f成反比的脈沖周期，或?qū)懗蒝p·t·f。由于單穩(wěn)電路的輸出幅度和脈寬為定值，故平均輸出電壓只與頻率成正比關(guān)系。當(dāng)3 1/2位面板表基準(zhǔn)電壓值標(biāo)定后，就可直接顯示輸入頻率值了。

本電路的量程分五檔：2kHz、20kHz、200kHz、2MHz、20MHz。555單穩(wěn)電路的脈寬取決于R7、C5的時間常數(shù)，圖示參數(shù)對應(yīng)的脈寬約為300us.

簡易數(shù)字頻率計電路圖（四）

1、測頻原理

電路原理見下圖本頻率計是采用對輸入脈沖進(jìn)行計數(shù)的方式實現(xiàn)測頻的，測量范圍為1Hz-99.999kHz。（1OHZ以下稍有偏差）IC9構(gòu)成時鐘電路。C2，32768Hz晶體，R3，R4與IC9內(nèi)部電路共同組成振蕩電路，產(chǎn)生32768Hz脈沖經(jīng)IC9內(nèi)部14級二分頻后由③腳輸出2Hz脈沖送至IC8的腳。C3，R5為IC8的開機(jī)復(fù)位電路，因為輸入脈沖為2Hz，所以IC8輸出端YO至Y9依次產(chǎn)生0.5s的高電平第一個脈沖使IC8③腳為高電平，將IC1至IC5同時清零復(fù)位，此時數(shù)碼管顯示為零。第一，第二個脈沖被VD1，VD2合并帶寬為Is寬的標(biāo)準(zhǔn)脈沖，經(jīng)IC8-1反相后變?yōu)榈碗娖娇刂朴嫈?shù)閘門，印控制IC5的④腳TE端，閘門打開，計數(shù)器開始計數(shù)。當(dāng)?shù)谌齻€脈沖到來時，IC5=④腳變?yōu)楦唠娖剑嫈?shù)停止，并顯示測量值，一直持續(xù)到第十個脈沖，故讀數(shù)周期為3.5s。當(dāng)?shù)谑粋€脈沖到來時，計數(shù)器又被清零，開始下一次的測量，如此周而復(fù)始地循環(huán)。

由于閘門時間為1s，故1s內(nèi)計的脈沖數(shù)即為被測頻率。

2、被測信號的輸入、放大與整形：R1，C1、組成輸入電路。IC1O-2與R3組成放大電路，R3使IC1O-2處于線性放大狀態(tài)，調(diào)整它的阻值可調(diào)整放大增益IC1O-3，IC1O-4對輸入信號進(jìn)行整形，使其成為近似方波的信號。被測信號送至IC5的輸入端③腳進(jìn)行計數(shù)，然后由數(shù)碼管顯示計數(shù)。

3、設(shè)計特點：振蕩頻率32768HZ的晶振，經(jīng)14級分頻后，頻率為2HZ，所以選擇CD4060作為分頻器使用。輸出脈沖為2HZ，所以又經(jīng)CD4017再經(jīng)兩次分頻后達(dá)到0.5HZ，再經(jīng)VDI與VD2合成為所需的1HZ基準(zhǔn)信號，經(jīng)門電路形成標(biāo)準(zhǔn)控制脈沖，達(dá)到精確測星的目的。

采用石英晶體作頻率源，采用分頻后再合成的方法，為本設(shè)計的關(guān)鍵所在，閘門計數(shù)，時間精確，顯示精度高，同時，數(shù)碼管顯示時間僅為3.5秒，反應(yīng)速度快。且成本低，易于制作，不需調(diào)試。

技術(shù)指標(biāo)

1.工作電壓：直流3.8V。

2.輸入靈敏度：《30MV；3.分辨率：1Hz；4.輸入波形：正弦波，方波，三角波；5.最高輸入電壓：30V；6.測量范圍：1Hz-99，999kHz：

動LED數(shù)碼管。R為清零端，當(dāng)R=1時，計數(shù)器直接清零oTE端接閘門控制信號，當(dāng)TE=0時，計數(shù)器開始計數(shù)當(dāng)TE=1時，停止計數(shù)，但顯示的結(jié)果被保留。電路采用3.8V電源供電，既可滿足驅(qū)動LSD的要求，又可減少干擾與功率損耗。

2、振蕩電路：采用頻率為32768HZ石英晶體［集成電路CD4060與CD4017作為分頻器。

主要元器件的選擇

1、驅(qū)動與顯示：采用5片CD40110（IC1~5）驅(qū)動5個LED共陰數(shù)碼管組成5位十進(jìn)制計數(shù)顯示器。

CD40110內(nèi)部包括十進(jìn)制計數(shù)器和7段譯碼器兩部分，譯碼輸出可以直接驅(qū)動LED數(shù)碼管。R為清零端，當(dāng)R=1時，計數(shù)器直接清零oTE端接閘門控制信號，當(dāng)TE=0時，計數(shù)器開始計數(shù)當(dāng)TE=1時，停止計數(shù)，但顯示的結(jié)果被保留。電路采用3.8V電源供電，既可滿足驅(qū)動LSD的要求，又可減少干擾與功率損耗。

2、振蕩電路：采用頻率為32768HZ石英晶體［集成電路CD4060與CD4017作為分頻器。