2024年3月13日发(作者：板鹤骞)
电子发烧友 电子技术论坛
第2节 数字频率计设计
[学习要求]
了解数字频率计测频率与测周期的基本原理；熟练掌握数字频率计的设计与
调试方法及减小测量误差的方法。
[重点与难点]
重点：数字频率计的组成框图和波形图。
难点：时基电路和逻辑控制电路。
[理论内容]
一、数字频率计测频率的基本原理
所谓频率，就是周期性信号在单位时间(1s)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为N，则其频率可表示为
f=N/T (1)
图1 数字频率计的组成框图和波形图
图1(a)是数字频率计的组成框图。被测信号
v
x
经放大整形电路变成计数器所要求的脉
冲信号I，其频率与被测信号的频率
f
x
相同。时基电路提供标准时间基准信号II，其高电平
持续时间t
1
=1秒，当l秒信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，
直到l秒信号结束时闸门关闭，停止计数。若在闸门时间1s内计数器计得的脉冲个数为N，
则被测信号频率
f
x
=NHz。逻辑控制电路的作用有两个：一是产生锁存脉冲IV，使显示器上
的数字稳定；二是产生清“0”脉冲V，使计数器每次测量从零开始计数。各信号之间的时
序关系如图1(b)所示。
电子发烧友 电子技术论坛
二、数字频率计的主要技术指标
1、频率准确度
⎛
1
∆
f
x
∆
f
c
=±
⎜
+
一般用相对误差来表示，即
⎜
Tff
x
f
c
⎝
x
式中，
⎞
⎟
⎟
⎠
1∆
N
±1
为量化误差(即±1个字误差)，是数字仪器所特有的误差，当
==
Tf
x
NN
闸门时间T选定后，
f
x
越低，量化误差越大；
∆
f
c
∆T
为闸门时间相对误差，主要由时
=
f
c
T
基电路标准频率的准确度决定，
2、频率测量范围
∆f
c
1
。
〈〈
f
c
Tf
x
在输入电压符合规定要求值时，能够正常进行测量的频率区间称为频率测量范围。频率
测量范围主要由放大整形电路的频率响应决定。
3、数字显示位数
频率计的数字显示位数决定了频率计的分辨率。位数越多，分辨率越高。
4、测量时间
频率计完成一次测量所需要的时间，包括准备、计数、锁存和复位时间。
三、数字频率计的电路设计与调试
1.基本电路设计
数字频率计的基本框图如图2所示，各部分作用如下。
① 放大整形电路
放大整形电路由晶体管3DG100与74LS00等组成。其中3DGl00组成放大器将输入频率
为
f
x
的周期信号如正弦波、三角波等进行放大。与非门74LS00构成施密特触发器，它对放
大器的输出信号进行整形，使之成为矩形脉冲。
② 时基电路
时基电路的作用是产生一个标准时间信号（高电平持续时间为1s），由定时器555构成
的多谐振荡器产生。若振荡器的频率
f
0
=
1/(t
1
+
t
2
)
=
0.8Hz
，则振荡器的输出波形如图1中
电子发烧友 电子技术论坛
的波形II所示，其中t
1
=1s，t
2
=0.25s。由公式t
1
=0.7(R
1
+R
2
)C和t
2
=0.7R
2
C，可计算出电阻R
1
、
R
2
及电容C的值。
③逻辑控制电路
根据图1(b)所示波形，在计数信号II结束时产生锁存信号IV，锁存信号IV结束时产生
清“0”信号V。脉冲信号IV和V可由两个单稳态触发器74LS123产生，它们的脉冲宽度
由电路的时间常数决定。
设锁存信号IV和清“0”信号V的脉冲宽度t
w
相同，如果要求t
w
=0.02s，则得
t
w
=0.45R
ext
C
ext
=0.02s。若取R
ext
=10kΩ，则C
ext
=t
w
/0.45R
ext
=4.4μF。
由74LS123的功能可得，当
1R
D
=
1B
=
1
、触发脉冲从1A端输入时，在触发脉冲的负
跳变作用下，输出端
1Q
可获得一负脉冲，其波形关系正好满足图1所示的波形IV和V的
要求。手动复位开关S按下时，计数器清“0”。
电子发烧友 电子技术论坛
图2 频率计整机电路图
④ 锁存器
锁存器的作用是将计数器在1s结束时所计得的数进行锁存，使显示器上能稳定地显示
此时计数器的值。如图1(b)所示，1s计数时间结束时，逻辑控制电路发出锁存信号IV，将
此时计数器的值送译码显示器。
电子发烧友 电子技术论坛
选用两个8位锁存器74L273可以完成上述功能。当时锁存信号CP的正跳变来到时，
锁存器的输出等于输入，即。从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。高电平结束后，
无论D为何值，输出端的状态仍保持原来的状态不变。所以在计数期间内，计数器的输出
不会送到译码显示器。
2、扩展电路的设计
按照上述方法所设计的数字频率计电路，测量的最高频率只能为9.999kHz，完成一次
测量的时间约1.25s。若被测信号频率增加到数百千赫兹或数兆赫兹时，则需要增加频率范
围扩展电路。
图3 频率范围量程扩展电路
频率范围扩展电路如图3所示，该电路可实现频率量程的自动转换。其工作原理是：当
被测信号频率升高，千位计数器已满，需要升量程时，计数器的最高位产生进位脉冲Q
3
，
送到由74LS92与两个D触发器共同构成的进位脉冲采集电路。第一个D触发器的1D端接高
电平，当Q
3
的下跳沿来到时，74LS92的Q
0
端输出高电平，则第一个D触发器的1Q端产生进
位脉冲并保持到清“0”脉冲到来。该进位脉冲使多路数据选择器74LS151的地址计数器
74LS90加1，多路数据选择器将选通下一路输入信号，即比上一次频率低10倍的分频信号，
由于此时个位计数器的输入脉冲的频率比被测频率
f
x
低10倍，故要将显示器的数乘以10
才能得到被测频率值，这可以通过移动显示器上小数点的位置来实现。如图3所示，若被测
电子发烧友 电子技术论坛
信号不经过分频（10
0
输出），显示器上的最大值为9.999kHz，若经过10
1
分频后，显示器上
的最大值为99.99 kHz，即小数点每向右移动一位，频率的测量范围扩大10倍。
进位脉冲采集电路的作用是使电路工作稳定，避免当千位计数器到8或9时，产生小
数点的跳动。第二个D触发器用来控制清“0”，即有进位脉冲时电路不清“0”，而无进位
时则清“0”。
当被测频率降低需要转换到低量程时，可用千位（最高位）是否为零来判断。在此利
用千位译码器74LS48的灭零输出端
RBO
，当
RBO
端为零时，输出为零，这时就需要降量
程。因此，取其非作为地址计数器74LS90的清“0”脉冲。为了能把高位多余的零熄灭，
只需把高位的灭零输入端
RBI
，同时把高位的
RBO
与低位的
RBI
相连即可。由此可见，
只有当检测到最高位为“0”，并且在该1秒钟内没有进位脉冲时，地址计数器才清“0”复
位，即转换到最低量程，然后再按升量程的原理自动换档，直到找到合适的量程。若将地址
译码器74LS138的输出端取非，变成高电平以驱动显示器的小数点h，则可显示扩展的频率
范围。
四、数字频率计测周期的基本原理
当被测信号的频率较低时，采用直接测频方法由量程误差引起的测频误差太大，为了提
高测低频时的准确度，应先测周期
T
x
，然后计算
f
x
＝
1/
T
x
。
数字频率计测周期的原理框图如图4所示。被测信号经过放大整形电路变成方波，加
到门控电路产生闸门信号，如
T
x
＝10ms，则闸门打开的时间也为10ms，在此期间内，周期
为
T
s
的标准脉冲通过闸门进入计数器计数。若
T
x
＝1us，则计数器计得的脉冲数N=
T
x
/
T
s
=10000个。若以毫秒（ms）为单位，则显示器上的读数为10.000。
以上分析可见，频率计测周期的基本原理正好与测频相反，即被测信号用来控制闸门电路的
开通与关闭，标准时基信号作为计数脉冲。
图4 数字频率计测周期的基本原理
电子发烧友 电子技术论坛
2024年3月13日发(作者：板鹤骞)
电子发烧友 电子技术论坛
第2节 数字频率计设计
[学习要求]
了解数字频率计测频率与测周期的基本原理；熟练掌握数字频率计的设计与
调试方法及减小测量误差的方法。
[重点与难点]
重点：数字频率计的组成框图和波形图。
难点：时基电路和逻辑控制电路。
[理论内容]
一、数字频率计测频率的基本原理
所谓频率，就是周期性信号在单位时间(1s)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为N，则其频率可表示为
f=N/T (1)
图1 数字频率计的组成框图和波形图
图1(a)是数字频率计的组成框图。被测信号
v
x
经放大整形电路变成计数器所要求的脉
冲信号I，其频率与被测信号的频率
f
x
相同。时基电路提供标准时间基准信号II，其高电平
持续时间t
1
=1秒，当l秒信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，
直到l秒信号结束时闸门关闭，停止计数。若在闸门时间1s内计数器计得的脉冲个数为N，
则被测信号频率
f
x
=NHz。逻辑控制电路的作用有两个：一是产生锁存脉冲IV，使显示器上
的数字稳定；二是产生清“0”脉冲V，使计数器每次测量从零开始计数。各信号之间的时
序关系如图1(b)所示。
电子发烧友 电子技术论坛
二、数字频率计的主要技术指标
1、频率准确度
⎛
1
∆
f
x
∆
f
c
=±
⎜
+
一般用相对误差来表示，即
⎜
Tff
x
f
c
⎝
x
式中，
⎞
⎟
⎟
⎠
1∆
N
±1
为量化误差(即±1个字误差)，是数字仪器所特有的误差，当
==
Tf
x
NN
闸门时间T选定后，
f
x
越低，量化误差越大；
∆
f
c
∆T
为闸门时间相对误差，主要由时
=
f
c
T
基电路标准频率的准确度决定，
2、频率测量范围
∆f
c
1
。
〈〈
f
c
Tf
x
在输入电压符合规定要求值时，能够正常进行测量的频率区间称为频率测量范围。频率
测量范围主要由放大整形电路的频率响应决定。
3、数字显示位数
频率计的数字显示位数决定了频率计的分辨率。位数越多，分辨率越高。
4、测量时间
频率计完成一次测量所需要的时间，包括准备、计数、锁存和复位时间。
三、数字频率计的电路设计与调试
1.基本电路设计
数字频率计的基本框图如图2所示，各部分作用如下。
① 放大整形电路
放大整形电路由晶体管3DG100与74LS00等组成。其中3DGl00组成放大器将输入频率
为
f
x
的周期信号如正弦波、三角波等进行放大。与非门74LS00构成施密特触发器，它对放
大器的输出信号进行整形，使之成为矩形脉冲。
② 时基电路
时基电路的作用是产生一个标准时间信号（高电平持续时间为1s），由定时器555构成
的多谐振荡器产生。若振荡器的频率
f
0
=
1/(t
1
+
t
2
)
=
0.8Hz
，则振荡器的输出波形如图1中
电子发烧友 电子技术论坛
的波形II所示，其中t
1
=1s，t
2
=0.25s。由公式t
1
=0.7(R
1
+R
2
)C和t
2
=0.7R
2
C，可计算出电阻R
1
、
R
2
及电容C的值。
③逻辑控制电路
根据图1(b)所示波形，在计数信号II结束时产生锁存信号IV，锁存信号IV结束时产生
清“0”信号V。脉冲信号IV和V可由两个单稳态触发器74LS123产生，它们的脉冲宽度
由电路的时间常数决定。
设锁存信号IV和清“0”信号V的脉冲宽度t
w
相同，如果要求t
w
=0.02s，则得
t
w
=0.45R
ext
C
ext
=0.02s。若取R
ext
=10kΩ，则C
ext
=t
w
/0.45R
ext
=4.4μF。
由74LS123的功能可得，当
1R
D
=
1B
=
1
、触发脉冲从1A端输入时，在触发脉冲的负
跳变作用下，输出端
1Q
可获得一负脉冲，其波形关系正好满足图1所示的波形IV和V的
要求。手动复位开关S按下时，计数器清“0”。
电子发烧友 电子技术论坛
图2 频率计整机电路图
④ 锁存器
锁存器的作用是将计数器在1s结束时所计得的数进行锁存，使显示器上能稳定地显示
此时计数器的值。如图1(b)所示，1s计数时间结束时，逻辑控制电路发出锁存信号IV，将
此时计数器的值送译码显示器。
电子发烧友 电子技术论坛
选用两个8位锁存器74L273可以完成上述功能。当时锁存信号CP的正跳变来到时，
锁存器的输出等于输入，即。从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。高电平结束后，
无论D为何值，输出端的状态仍保持原来的状态不变。所以在计数期间内，计数器的输出
不会送到译码显示器。
2、扩展电路的设计
按照上述方法所设计的数字频率计电路，测量的最高频率只能为9.999kHz，完成一次
测量的时间约1.25s。若被测信号频率增加到数百千赫兹或数兆赫兹时，则需要增加频率范
围扩展电路。
图3 频率范围量程扩展电路
频率范围扩展电路如图3所示，该电路可实现频率量程的自动转换。其工作原理是：当
被测信号频率升高，千位计数器已满，需要升量程时，计数器的最高位产生进位脉冲Q
3
，
送到由74LS92与两个D触发器共同构成的进位脉冲采集电路。第一个D触发器的1D端接高
电平，当Q
3
的下跳沿来到时，74LS92的Q
0
端输出高电平，则第一个D触发器的1Q端产生进
位脉冲并保持到清“0”脉冲到来。该进位脉冲使多路数据选择器74LS151的地址计数器
74LS90加1，多路数据选择器将选通下一路输入信号，即比上一次频率低10倍的分频信号，
由于此时个位计数器的输入脉冲的频率比被测频率
f
x
低10倍，故要将显示器的数乘以10
才能得到被测频率值，这可以通过移动显示器上小数点的位置来实现。如图3所示，若被测
电子发烧友 电子技术论坛
信号不经过分频（10
0
输出），显示器上的最大值为9.999kHz，若经过10
1
分频后，显示器上
的最大值为99.99 kHz，即小数点每向右移动一位，频率的测量范围扩大10倍。
进位脉冲采集电路的作用是使电路工作稳定，避免当千位计数器到8或9时，产生小
数点的跳动。第二个D触发器用来控制清“0”，即有进位脉冲时电路不清“0”，而无进位
时则清“0”。
当被测频率降低需要转换到低量程时，可用千位（最高位）是否为零来判断。在此利
用千位译码器74LS48的灭零输出端
RBO
，当
RBO
端为零时，输出为零，这时就需要降量
程。因此，取其非作为地址计数器74LS90的清“0”脉冲。为了能把高位多余的零熄灭，
只需把高位的灭零输入端
RBI
，同时把高位的
RBO
与低位的
RBI
相连即可。由此可见，
只有当检测到最高位为“0”，并且在该1秒钟内没有进位脉冲时，地址计数器才清“0”复
位，即转换到最低量程，然后再按升量程的原理自动换档，直到找到合适的量程。若将地址
译码器74LS138的输出端取非，变成高电平以驱动显示器的小数点h，则可显示扩展的频率
范围。
四、数字频率计测周期的基本原理
当被测信号的频率较低时，采用直接测频方法由量程误差引起的测频误差太大，为了提
高测低频时的准确度，应先测周期
T
x
，然后计算
f
x
＝
1/
T
x
。
数字频率计测周期的原理框图如图4所示。被测信号经过放大整形电路变成方波，加
到门控电路产生闸门信号，如
T
x
＝10ms，则闸门打开的时间也为10ms，在此期间内，周期
为
T
s
的标准脉冲通过闸门进入计数器计数。若
T
x
＝1us，则计数器计得的脉冲数N=
T
x
/
T
s
=10000个。若以毫秒（ms）为单位，则显示器上的读数为10.000。
以上分析可见，频率计测周期的基本原理正好与测频相反，即被测信号用来控制闸门电路的
开通与关闭，标准时基信号作为计数脉冲。
图4 数字频率计测周期的基本原理
电子发烧友 电子技术论坛