基于YL—291模塊的數字頻率計電路設計與搭建

摘 要 隨著電子信息產業的發展，頻率的測量在科技研究和實際應用中的作用日益重要?？紤]到YL-291模塊中單元電路模塊的數量與功能，利用YL-291模塊設計與搭建頻率計電路，搭建后的頻率計可以測量5 V信號的頻率，頻率測量范圍為1～999 999 Hz，即接近1 MHz的信號頻率。

關鍵詞 頻率計；YL-291模塊；電路設計與搭建

中圖分類號：TM935.13+3 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2015）02-0036-05

由于科學技術的不斷發展提高，人們對科技產品的要求也相應地提高，數字化的電子產品越來越受到歡迎。頻率計作為比較常用和實用的電子測量儀器，廣泛應用于科研機構、學校、家庭等場合。頻率是電子技術領域的一個基本參數，同時也是一個非常重要的參數，隨著電子信息產業的發展，頻率的測量在科技研究和實際應用中的作用日益重要。數字頻率計具有體積小、攜帶方便，功能完善、測量精度高等優點，因此在以后的時間里必將有著更加廣闊的發展空間和應用價值。比如：將數字頻率計稍作改進，就可制作成既可測頻率，又能測周期、占空比、脈寬等功能的多用途數字測量儀器。將數字頻率計和其他電子測量儀器結合起來，通過傳感器制成各種智能儀器儀表，應用于航空航天等科研場所，對各種頻率參數進行計量；應用在高端電子產品上，對其中的頻率參數進行測量；等等。

1 頻率計概述

頻率計原理 頻率就是周期性信號在單位時間（1 s）內變化的次數。若在一定時間間隔T內測得這個周期性信號的重復變化次數N，則其頻率可表示為f=N/T。數字頻率計是計算機、通信設備、音頻視頻等科研生產領域中不可缺少的測量儀器，它是一種用十進制數字顯示被測信號頻率的數字測量儀器。它的基本功能是測量正弦信號、方波信號及其他各種單位時間內變化的物理量。

頻率計電路搭建方法 本文考慮用YL-291模塊搭建頻率計電路，YL-291模塊有55個單元模塊。根據電子產品電路的結構與實現的功能，YL-291模塊55個單元電路模塊分為單片機電路模塊、傳感器電路模塊、信號處理電路模塊、驅動電路模塊、執行電路模塊、顯示電路模塊等。

2 頻率計電路搭建的總體設計方案

考慮到YL-291模塊中單元電路模塊的數量與功能，搭建的頻率計電路可以測量5 V信號的頻率，頻率測量范圍為1～999 999 Hz，即接近1 MHz的信號頻率。所以，搭建頻率計電路的總體設計方案如圖1所示。

脈沖信號發生器 脈沖信號發生器單元模塊在YL-291模塊中屬于信號處理模塊之一，編號為EDM307，模塊電路如圖2所示，模塊實物如圖3所示。

1）接線端口說明。

Q4～Q14插孔：脈沖信號輸出。

OUT1插孔：1 Hz信號輸出。

OUT2：2 Hz信號輸出。

排插J1輸出FOUT、1 Hz和插孔Q13、Q14信號。

排插J2功能與Q4～Q10、Q1插孔相同。在輸出Q4～Q10、

Q12插孔信號時，可以直接使用排插J2輸出信號。

2）模塊功能。脈沖信號發生器是數字頻率計的一部分，它提供精度和穩定度高的脈沖信號。在這里是采用晶體振蕩器發出的脈沖經過整形，分頻獲得1 Hz的秒脈沖。因為電路中的晶體振蕩器的頻率為32 768 Hz，通過15次分頻后可獲得1 Hz的脈沖輸出。

該脈沖信號發生器是由IC1 4060和IC2 CD4013組成。IC1 CD4060是14位二進制串行計數器，CR為高電平時，計數器清零且振蕩器使用無效，所有的計數器位均為主從觸發器。在CP1（和CP0）的下降沿計數器以二進制進行計數。

IC2 CD4013是雙D觸發器，由CD4013組成二分頻器，這里是輸入2 Hz、輸出1 Hz秒脈沖。

十進制計數器 十進制計數器單元模塊在YL-291模塊中屬于信號處理模塊之一，編號為EDM603，模塊電路如4所示，模塊實物如圖5所示。

1）接線端口說明。

CP插孔：時鐘輸入，上升沿有效。

CR插孔：清零，高電平有效。

EN插孔：使能，高電平有效。

CO插孔：進位輸出。

Q0～Q9：計數輸出。

排插J1功能與CP、CR、EN、CO、Q8～9插孔相同。在輸出CP、CR、EN、CO、Q8～9插孔信號時，可以直接使用排插J1輸出信號。

排插J2功能與Q0～7插孔相同。在輸出Q0～7插孔信號時，可以直接使用排插J2輸出信號。

2）模塊功能。該模塊的主要作用是對CP輸入脈沖信號進行十進制計數，并計滿十個后由插孔CO輸出一個進位脈沖，由插孔Q0～Q9按輸入脈沖個數順序輸出，另外相應的發光二極管LED1～LED10點亮。

IC1 L4017是十進制計數器/分頻器，其內部由計數器及譯碼器兩部分組成。它的基本功能是對輸入脈沖的個數進行十進制計數，并按照輸入脈沖的個數順序將脈沖分配在Qo～Q9這十個輸出端，計滿十個數后計數器自動復零，同時輸出一個進位脈沖，該進位輸出信號可作為下一級的時鐘信號。計數器在時鐘禁止輸入為低電平時，在時鐘脈沖的上升沿進位。在高電平時，時鐘被禁止。復位輸入為高電平時，時鐘輸入獨立運行。

三位計數器 三位計數器單元模塊在YL-291模塊中屬于信號處理模塊之一，編號為EDM303，模塊電路如圖6所示，模塊實物如圖7所示。

1）接線端口說明。

CLK插孔：計數時鐘輸入，上升沿有效。

OF插孔：溢出輸出，高電平有效。

MR插孔：計數清零，高電平有效。

LE插孔：數據鎖存，高電平有效。

～：數碼管段碼輸出端，低電平有效，可直接接共陽數碼管。

排插J1輸出功能與輸出功能相同。在輸出CLK、OF、MR、LE插孔的信號時，可直接使用排插J1輸出信號。

排插J2輸出信號是～數碼管段碼輸出信號。在輸出～的信號時，可用排插J2輸出信號。

排插J3輸出信號是“個、十、百”位通信號。在輸出“個、十、百”位通信號時，可直接使用排插J3輸出信號。

2）模塊功能。該模塊主要是對由IC1 CD4553“12”腳輸入的脈沖進行計數，最多只能完成三位的計數；另外輸出一組3位位通信號DS1～DS3用以驅動數碼管的顯示。模塊再輸出一組～驅動數碼管位選端點亮的信號。

計數器電路由三位計數器、譯碼器及驅動電路組成。

其中IC1 CD4553是3位十進制計數器，但輸出端卻只有一個，要完成3位輸出，只能采用掃描輸出方式，通過它的選通脈沖信號，依次控制3位十進制的輸出，從而實現掃描顯示方式。CD4553內部雖然有3組BCD碼計數器（計數最大值為999），但BCD的輸出端卻只有一組Q0～Q3通過內部的多路轉換開關能分時輸出“個、十、百位”的BCD碼，輸出3位位選通信號。例如：當Q0～Q3輸出“個位”的BCD碼時，CD4553的“2”腳DS1端輸出低電平；當Q0～Q3輸出“十位”的BCD碼時，CD4553的“1”腳DS2端輸出低電平；當Q0～Q3輸出“百位”的BCD碼時，CD4553的DS3端“15”腳輸出低電平，驅動不同的數碼管顯示。周而復始、循環不止。IC1 CD4553及外圍組成3位計數電路，經IC2 CD4511進行BCD譯碼，再經IC3 ULN2003反相驅動，輸出a～g信號，可直驅動數碼管。DS1～DS3接數碼管“位”選端。

IC2 CD4511的“7、1、2、6”腳是BCD碼輸入端，分別與IC1 CD4553的“9、7、6、5”腳連接，即BCD碼輸出端Q0～Q3，“9～15”腳分別是7段譯碼輸出端，分別接到IC3 ULN2003的“1～7”腳，IC3 ULN2003的輸出端分別為“10～16”腳。

譯碼/驅動電路由IC2 CD4511和IC3 ULN2003AD組成。

四位數碼管 四位數碼管單元模塊在YL-291模塊中屬于顯示模塊之一，編號為EDM605，模塊電路如圖8所示，模塊實物如圖9所示。

1）接線端口說明。

～插孔：段碼輸入，低電平有效。

～、插孔：“位”選信號輸入，低電平有效。

排插J1功能與～插孔功能相同。在輸出～插孔的信號時，可直接使用排插J1輸出信號。

排插J2功能與～、插孔功能相同。在輸出～、插孔的信號時，可直接使用排插J2輸出信號。

2）模塊功能。該模塊的主要作用是顯示1～4位的0～9數字。

電源部分 直接選用外接的5 V直流電源。

3 頻率計電路的搭建效果

電路原理圖 基于以上的考慮，搭建頻率計電路的原理圖如圖10所示。

搭建電路實物圖 根據圖10原理圖，選用的模塊為EDM-三位計數器模塊兩個，EDM603-十進制計數器模塊一個，EDM605-四位數碼管顯示模塊兩個，EDM307-脈沖信號發生器模塊一個。按照電路原理圖連接模塊，頻率計電路連接實物圖如圖11所示。

搭建電路效果 根據電路原理圖連接模塊后，接入

+5 V電源，發光二極管亮，表示電路已經正確接入電源。把要測量的信號控制在5 V以內，并把它接入電路的“信號輸入”端。

此時，由EDM307脈沖信號發生器模塊的Q14提供1個頻率為2 Hz的信號給EDM603-十進制計數器模塊的CP經由CD4017處理后由Q0輸出，分別送到EDM303-三位計數器兩模塊的MR接口，當Q0輸出的脈沖信號高電平時，該信號對EDM303模塊中的CD4553清零，脈沖信號在0.5秒后變為低電平，在低三位的EDM303模塊中的CD4553開始對輸入信號進行計數；1秒后，EDM603-十進制計數器模塊的CD4017中Q3（實際是Q3～Q9七個端口相連）端口輸出的脈沖送到（高電平時）EDM303-三進制計數器兩模塊的LE端，對CD4553進行鎖存。此時，數碼管顯示的數值即為1秒的計數值，也就是要測量的信號頻率。鎖存5秒后，CD4017由Q0又輸出高電平，如此循環，數碼管顯示的始終是信號的頻率。

在CD4017的Q0輸出低電平時，先從低三位的EDM303模塊中的CD4553開始對輸入信號進行計數，如果低三位EDM303模塊中的CD4553每次計數到999+1時，便會由低三位EDM303模塊中的CD4553的“14”腳OF溢出一個脈沖信號送到高三位EDM303模塊中的CD4553的“12”腳CLK，高三位EDM303模塊中的CD4553才開始計數。此時低三位亦同時清零并重新開始計數，直到CD4017中Q3端口輸出的高電平脈沖送到EDM303-三進制計數器兩模塊的LE端，對CD4553進行鎖存，便停止計數。

4 搭建頻率計電路的局限

為什么頻率只能測到999 999 Hz呢？由2個EDM605-四位數碼管顯示模塊本應可以顯示接近100 MHz的頻率，但由EDM303-三位計數器模塊中的CD4553只是一個三位計數器，由2個EDM303-三位計數器模塊的2個CD4553只能提供6位的計數了。

5 總結

中等職業學校電子與信息專業和電子技術應用專業的學生以電子產品為依托進行技能實訓，是提高中職學生實踐能力和綜合職業能力的主要途徑和手段，在中職電子類專業教學體系中應該占有極為重要的地位。圍繞電子產品結構的學習，設計技能實訓課程和綜合技能實訓教學，引導學生自主學習興趣，是學生掌握職業綜合能力，走上工作崗位時能夠勝任崗位要求和可持續發展的可靠保證。使用電子產品單元電路模塊組建電子產品電路，對運用基本能力和提高電路認識是有很大幫助的。

參考文獻

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[3]林紅華，聶輝海.電子產品模塊電路及應用[M].北京：機械工業出版社，2011.