基于YL—291模块的数字频率计电路设计系统开发

由于科学技术的不断发展提高，人们对科技产品的要求也相应地提高，数字化的电子产品越来越受到欢迎。频率计作为比较常用和实用的电子测量仪器，广泛应用于科研机构、学校、家庭等场合。频率是电子技术领域的一个基本参数，同时也是一个非常重要的参数，随着电子信息产业的发展，频率的测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要。数字频率计具有体积小、携带方便，功能完善、测量精度高等优点，因此在以后的时间里必将有着更加广阔的发展空间和应用价值。比如：将数字频率计稍作改进，就可制作成既可测频率，又能测周期、占空比、脉宽等功能的多用途数字测量仪器。将数字频率计和其他电子测量仪器结合起来，通过传感器制成各种智能仪器仪表，应用于航空航天等科研场所，对各种频率参数进行计量；应用在高端电子产品上，对其中的频率参数进行测量；等等。
　　1 频率计概述
　　频率计原理 频率就是周期性信号在单位时间（1 s）内变化的次数。若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变化次数N，则其频率可表示为f=N/T。数字频率计是计算机、通信设备、音频视频等科研生产领域中不可缺少的测量仪器，它是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。它的基本功能是测量正弦信号、方波信号及其他各种单位时间内变化的物理量。
　　频率计电路搭建方法 本文考虑用YL-291模块搭建频率计电路，YL-291模块有55个单元模块。根据电子产品电路的结构与实现的功能，YL-291模块55个单元电路模块分为单片机电路模块、传感器电路模块、信号处理电路模块、驱动电路模块、执行电路模块、显示电路模块等。
　　2 频率计电路搭建的总体设计方案
　　考虑到YL-291模块中单元电路模块的数量与功能，搭建的频率计电路可以测量5 V信号的频率，频率测量范围为1～999 999 Hz，即接近1 MHz的信号频率。所以，搭建频率计电路的总体设计方案如图1所示。
　　脉冲信号发生器 脉冲信号发生器单元模块在YL-291模块中属于信号处理模块之一，编号为EDM307，模块电路如图2所示，模块实物如图3所示。
　　1）接线端口说明。
　　Q4～Q14插孔：脉冲信号输出。
　　OUT1插孔：1 Hz信号输出。
　　OUT2：2 Hz信号输出。
　　排插J1输出FOUT、1 Hz和插孔Q13、Q14信号。
　　排插J2功能与Q4～Q10、Q1插孔相同。在输出Q4～Q10、
　　Q12插孔信号时，可以直接使用排插J2输出信号。
　　2）模块功能。脉冲信号发生器是数字频率计的一部分，它提供精度和稳定度高的脉冲信号。在这里是采用晶体振荡器发出的脉冲经过整形，分频获得1 Hz的秒脉冲。因为电路中的晶体振荡器的频率为32 768 Hz，通过15次分频后可获得1 Hz的脉冲输出。
　　该脉冲信号发生器是由IC1 4060和IC2 CD4013组成。IC1 CD4060是14位二进制串行计数器，CR为高电平时，计数器清零且振荡器使用无效，所有的计数器位均为主从触发器。在CP1（和CP0）的下降沿计数器以二进制进行计数。
　　IC2 CD4013是双D触发器，由CD4013组成二分频器，这里是输入2 Hz、输出1 Hz秒脉冲。
　　十进制计数器 十进制计数器单元模块在YL-291模块中属于信号处理模块之一，编号为EDM603，模块电路如4所示，模块实物如图5所示。
　　1）接线端口说明。
　　CP插孔：时钟输入，上升沿有效。
　　CR插孔：清零，高电平有效。
　　EN插孔：使能，高电平有效。
　　CO插孔：进位输出。
　　Q0～Q9：计数输出。
　　排插J1功能与CP、CR、EN、CO、Q8～9插孔相同。在输出CP、CR、EN、CO、Q8～9插孔信号时，可以直接使用排插J1输出信号。
　　排插J2功能与Q0～7插孔相同。在输出Q0～7插孔信号时，可以直接使用排插J2输出信号。
　　2）模块功能。该模块的主要作用是对CP输入脉冲信号进行十进制计数，并计满十个后由插孔CO输出一个进位脉冲，由插孔Q0～Q9按输入脉冲个数顺序输出，另外相应的发光二极管LED1～LED10点亮。
　　IC1 L4017是十进制计数器/分频器，其内部由计数器及译码器两部分组成。它的基本功能是对输入脉冲的个数进行十进制计数，并按照输入脉冲的个数顺序将脉冲分配在Qo～Q9这十个输出端，计满十个数后计数器自动复零，同时输出一个进位脉冲，该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。计数器在时钟禁止输入为低电平时，在时钟脉冲的上升沿进位。在高电平时，时钟被禁止。复位输入为高电平时，时钟输入独立运行。
　　三位计数器 三位计数器单元模块在YL-291模块中属于信号处理模块之一，编号为EDM303，模块电路如图6所示，模块实物如图7所示。
　　1）接线端口说明。
　　CLK插孔：计数时钟输入，上升沿有效。
　　OF插孔：溢出输出，高电平有效。
　　MR插孔：计数清零，高电平有效。
　　LE插孔：数据锁存，高电平有效。
　～：数码管段码输出端，低电平有效，可直接接共阳数码管。
　　排插J1输出功能与输出功能相同。在输出CLK、OF、MR、LE插孔的信号时，可直接使用排插J1输出信号。
　　排插J2输出信号是～数码管段码输出信号。在输出～的信号时，可用排插J2输出信号。
　　排插J3输出信号是“个、十、百”位通信号。在输出“个、十、百”位通信号时，可直接使用排插J3输出信号。
　　2）模块功能。该模块主要是对由IC1 CD4553“12”脚输入的脉冲进行计数，最多只能完成三位的计数；另外输出一组3位位通信号DS1～DS3用以驱动数码管的显示。模块再输出一组～驱动数码管位选端点亮的信号。
　　计数器电路由三位计数器、译码器及驱动电路组成。
　　其中IC1 CD4553是3位十进制计数器，但输出端却只有一个，要完成3位输出，只能采用扫描输出方式，通过它的选通脉冲信号，依次控制3位十进制的输出，从而实现扫描显示方式。CD4553内部虽然有3组BCD码计数器（计数最大值为999），但BCD的输出端却只有一组Q0～Q3通过内部的多路转换开关能分时输出“个、十、百位”的BCD码，输出3位位选通信号。例如：当Q0～Q3输出“个位”的BCD码时，CD4553的“2”脚DS1端输出低电平；当Q0～Q3输出“十位”的BCD码时，CD4553的“1”脚DS2端输出低电平；当Q0～Q3输出“百位”的BCD码时，CD4553的DS3端&ld quo;15”脚输出低电平，驱动不同的数码管显示。周而复始、循环不止。IC1 CD4553及外围组成3位计数电路，经IC2 CD4511进行BCD译码，再经IC3 ULN2003反相驱动，输出a～g信号，可直驱动数码管。DS1～DS3接数码管“位”选端。
　　IC2 CD4511的“7、1、2、6”脚是BCD码输入端，分别与IC1 CD4553的“9、7、6、5”脚连接，即BCD码输出端Q0～Q3，“9～15”脚分别是7段译码输出端，分别接到IC3 ULN2003的“1～7”脚，IC3 ULN2003的输出端分别为“10～16”脚。
　　译码/驱动电路由IC2 CD4511和IC3 ULN2003AD组成。
　　四位数码管 四位数码管单元模块在YL-291模块中属于显示模块之一，编号为EDM605，模块电路如图8所示，模块实物如图9所示。
　　1）接线端口说明。
　　～插孔：段码输入，低电平有效。
　　～、插孔：“位”选信号输入，低电平有效。
　　排插J1功能与～插孔功能相同。在输出～插孔的信号时，可直接使用排插J1输出信号。
　　排插J2功能与～、插孔功能相同。在输出～、插孔的信号时，可直接使用排插J2输出信号。
　　2）模块功能。该模块的主要作用是显示1～4位的0～9数字。
　　电源部分 直接选用外接的5 V直流电源。
　　3 频率计电路的搭建效果
　　电路原理图 基于以上的考虑，搭建频率计电路的原理图如图10所示。
　　搭建电路实物图 根据图10原理图，选用的模块为EDM-三位计数器模块两个，EDM603-十进制计数器模块一个，EDM605-四位数码管显示模块两个，EDM307-脉冲信号发生器模块一个。按照电路原理图连接模块，频率计电路连接实物图如图11所示。
　　搭建电路效果 根据电路原理图连接模块后，接入
　　+5 V电源，发光二极管亮，表示电路已经正确接入电源。把要测量的信号控制在5 V以内，并把它接入电路的“信号输入”端。
　　此时，由EDM307脉冲信号发生器模块的Q14提供1个频率为2 Hz的信号给EDM603-十进制计数器模块的CP经由CD4017处理后由Q0输出，分别送到EDM303-三位计数器两模块的MR接口，当Q0输出的脉冲信号高电平时，该信号对EDM303模块中的CD4553清零，脉冲信号在0.5秒后变为低电平，在低三位的EDM303模块中的CD4553开始对输入信号进行计数；1秒后，EDM603-十进制计数器模块的CD4017中Q3（实际是Q3～Q9七个端口相连）端口输出的脉冲送到（高电平时）EDM303-三进制计数器两模块的LE端，对CD4553进行锁存。此时，数码管显示的数值即为1秒的计数值，也就是要测量的信号频率。锁存5秒后，CD4017由Q0又输出高电平，如此循环，数码管显示的始终是信号的频率。
　　在CD4017的Q0输出低电平时，先从低三位的EDM303模块中的CD4553开始对输入信号进行计数，如果低三位EDM303模块中的CD4553每次计数到999+1时，便会由低三位EDM303模块中的CD4553的“14”脚OF溢出一个脉冲信号送到高三位EDM303模块中的CD4553的“12”脚CLK，高三位EDM303模块中的CD4553才开始计数。此时低三位亦同时清零并重新开始计数，直到CD4017中Q3端口输出的高电平脉冲送到EDM303-三进制计数器两模块的LE端，对CD4553进行锁存，便停止计数。
　　4 搭建频率计电路的局限
　　为什么频率只能测到999 999 Hz呢？由2个EDM605-四位数码管显示模块本应可以显示接近100 MHz的频率，但由EDM303-三位计数器模块中的CD4553只是一个三位计数器，由2个EDM303-三位计数器模块的2个CD4553只能提供6位的计数了。
　　5 总结 
　　中等职业学校电子与信息专业和电子技术应用专业的学生以电子产品为依托进行技能实训，是提高中职学生实践能力和综合职业能力的主要途径和手段，在中职电子类专业教学体系中应该占有极为重要的地位。围绕电子产品结构的学习，设计技能实训课程和综合技能实训教学，引导学生自主学习兴趣，是学生掌握职业综合能力，走上工作岗位时能够胜任岗位要求和可持续发展的可靠保证。使用电子产品单元电路模块组建电子产品电路，对运用基本能力和提高电路认识是有很大帮助的。
　　参考文献
　　[1]杨帆.数字频率计的设计与实现[J].科技广场，2011（9）.
　　[2]武卫华，郑诗程.基于SoPC的嵌入式数字频率计设计与实现[J].电子测量与仪器学报，2010（2）.