量程自動控制的數(shù)字頻率計
一、 實驗目的：
1、數(shù)字系統(tǒng)的設計與調試
2、TTL 數(shù)字集成電路的使用
3、量程自動控制的邏輯設計
二、實驗要求：
設計、制作、調試一個量程自動控制的數(shù)字頻率計，其要求如下：
顯示位數(shù)：四位，最大顯示數(shù)9999
閘門時間：10 ms,100 ms , 1 s, 根據(jù)被測頻率大小，量程自動切換。
量程：Ⅰ、100HZ—999.9KHZ, 閘門時間10ms
Ⅱ、10HZ—99.99KHZ，閘門時間100ms
Ⅲ、1HZ—0.999KHZ，閘門時間1s
自動量程要求：計數(shù)器值大于9999 時（溢出），量程自動升高一檔（閘門時間縮短十分
之一），當計數(shù)值小于0800 時量程自動降低一檔（閘門時間增大十倍）。
輸入被測電壓：10HZ—1MHZ 方波或正弦波，幅度為3mv—3v（有效值）
顯示器件：TTL 電平的七段數(shù)碼管（RS202 或2BS111）
數(shù)字電路：TTL 數(shù)字集成電路，實驗室能提供下述電路：
7 4 L S 2 0 四輸入端雙與非門
7 4 L S 2 7 P 三輸入端三或非門
7 4 L S 0 0 雙輸入端四與非門
7 4 L S 2 4 8 BCD 七段譯碼器／驅動器
7 4 L S 7 5 4 位雙穩(wěn)鎖存器
7 4 L S 9 0 二、五混合進制，十進制計數(shù)器
7 4 L S 2 2 1 斯密特觸發(fā)輸入雙單穩(wěn)多諧振蕩器
7 4 L S 7 4 雙D 觸發(fā)器
7 4 L S 7 6 雙J—K 觸發(fā)器
三、實驗原理：
數(shù)字頻率測量的原理圖見圖2-1，簡單的數(shù)字頻率計的方框圖見圖2-2。
放大整形電路將輸入的被測交流電壓fx 放大，限幅，整形后變成方波或脈沖送主閘門，
晶體振蕩器送出的標準頻率經分頻后得到時間不等的一組閘門信號，經開關選擇后也送主閘
門，主閘門在閘門信號控制下打開或關閉，主閘門在開放的那一段標準的閘門時間T 內，
計數(shù)器對被測頻率fx 計數(shù)，待主閘門關閉后計數(shù)器已計至一定的脈沖數(shù)N，顯然，f x = N/T
在主閘門關閉后單穩(wěn)電路先后送出兩個脈沖作為鎖存器的送數(shù)指令及計數(shù)器的清零指令，將
計數(shù)器的數(shù)字送鎖存器寄存，然后將計數(shù)器清零，以備下一次的測量，不同的量程可以通過
切換閘門時間來改變。較高的量程對于較短的閘門時間。
顯然，閘門時間應選擇適當，閘門時間過短則因計數(shù)有效位數(shù)少而降低了測量精度，過
長則因計數(shù)器溢出也得不到正確的讀數(shù)。
合適的閘門時間（正確的量程）可以用波段開關手動選擇，但是從使用方便來考慮，閘
門時間應能自動選擇在最佳點上，如被測頻率f x 較高，致使計數(shù)溢出，閘門時間自動縮短（升量程）；如被測頻率f x 較低，計數(shù)器計數(shù)值不足某預定值，閘門時間自動增長（降量
程）。為了保證閘門時間能最終穩(wěn)定，升量程與降量程的讀數(shù)之比不應是十比一，而應稍大
于十比一，本實驗要求讀數(shù)大于9999 則升量程，小于0800 則降量程。

如果選擇在大于9999 升量程，小于999 降量程，則如被測頻率正好為1000.00KHZ 時，
由于頻率計在測量頻率時1 個字的原理誤差，量程將在Ⅰ（閘門時間為10）與Ⅱ（閘門時
間為100 變動而不能最終穩(wěn)定。
實現(xiàn)自動量程首先要解決的問題是計數(shù)值的檢測，即如何知道計數(shù)值已大于9999 或小
于0800，對于標準的四位BCD（二十進制，8421 碼）計數(shù)器來說，在計數(shù)過程中第四位計
數(shù)的QD 出現(xiàn)過下降沿意味著計數(shù)器已溢出，（計數(shù)器值大于9999）。如果計數(shù)過程中第三
位計數(shù)器的Q 3 D 未出現(xiàn)過上升沿，則意味著計數(shù)器值小于0800。因此，可以利用這兩個
特征很方便地檢測出計數(shù)值的溢出或不足。
其次要解決的一個問題是如何實現(xiàn)量程的升降，移位寄存器，可以左右移的移位寄存器，加法計數(shù)器，可逆計數(shù)器等都可以實現(xiàn)量程的升降。圖2-3 觸發(fā)器構成的移位寄存器實現(xiàn)量
程升降的一個例子。工作過程是：降量程指令使Q1、Q2、Q3 置成100 狀態(tài)，于是量程選擇
在Ⅲ檔（閘門時間為1）。升降量程指令使狀態(tài)右移，量程逐漸上升，直至適當?shù)拈l門時間
被選中。與用左右移位寄存器的量程控制電路相比，它比較簡單，但當從量程Ⅰ降到量程Ⅱ
時，先要從Ⅰ降到Ⅲ，再從Ⅲ升到Ⅱ。

自動切換量程的同時必須同時切換小數(shù)點，否則，讀數(shù)因無量程信息在很大程度上失去
意義。
晶體振蕩器：T T L 電路很容易構成晶體振蕩器，圖2-4 是100KHZ 的晶體振蕩器電路。
本實驗可利用晶體穩(wěn)頻的脈沖發(fā)生器（自制的），它輸出有1MHZ，100KHZ，10KHZ，以
及有單脈沖輸出。對調試電路很有用處。
輸入放大器：它的好壞是決定頻率計優(yōu)劣的重要因素之一，本實驗要求輸入放大器在
10HZ—1MHZ 頻率范圍內，對3mv—3v（有效值）的方波或正弦波輸入電壓提供足夠的增
益，經整形后可靠地觸發(fā)TTL 電路.
本實驗可分兩步做，首先做好一個四位的常規(guī)數(shù)字頻率計。然后，再做自動量程控制部分。