量程自動控制的數字頻率計
一、 實驗目的：
1、數字系統的設計與調試
2、TTL 數字集成電路的使用
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字頻率計，其要求如下：
顯示位數：四位，最大顯示數9999
閘門時間：10 ms,100 ms , 1 s, 根據被測頻率大小，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 電平的七段數碼管（RS202 或2BS111）
數字電路：TTL 數字集成電路，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 位雙穩鎖存器
7 4 L S 9 0 二、五混合進制，十進制計數器
7 4 L S 2 2 1 斯密特觸發輸入雙單穩多諧振蕩器
7 4 L S 7 4 雙D 觸發器
7 4 L S 7 6 雙J—K 觸發器
三、實驗原理：
數字頻率測量的原理圖見圖2-1，簡單的數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，
計數器對被測頻率fx 計數，待主閘門關閉后計數器已計至一定的脈沖數N，顯然，f x = N/T
在主閘門關閉后單穩電路先后送出兩個脈沖作為鎖存器的送數指令及計數器的清零指令，將
計數器的數字送鎖存器寄存，然后將計數器清零，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有效位數少而降低了測量精度，過
長則因計數器溢出也得不到正確的讀數。
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，致使計數溢出，閘門時間自動縮短（升量程）；如被測頻率f x 較低，計數器計數值不足某預定值，閘門時間自動增長（降量
程）。為了保證閘門時間能最終穩定，升量程與降量程的讀數之比不應是十比一，而應稍大
于十比一，本實驗要求讀數大于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 變動而不能最終穩定。
實現自動量程首先要解決的問題是計數值的檢測，即如何知道計數值已大于9999 或小
于0800，對于標準的四位BCD（二十進制，8421 碼）計數器來說，在計數過程中第四位計
數的QD 出現過下降沿意味著計數器已溢出，（計數器值大于9999）。如果計數過程中第三
位計數器的Q 3 D 未出現過上升沿，則意味著計數器值小于0800。因此，可以利用這兩個
特征很方便地檢測出計數值的溢出或不足。
其次要解決的一個問題是如何實現量程的升降，移位寄存器，可以左右移的移位寄存器，加法計數器，可逆計數器等都可以實現量程的升降。圖2-3 觸發器構成的移位寄存器實現量
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，于是量程選擇
在Ⅲ檔（閘門時間為1）。升降量程指令使狀態右移，量程逐漸上升，直至適當的閘門時間
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點，否則，讀數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頻的脈沖發生器（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TTL 電路.
本實驗可分兩步做，首先做好一個四位的常規數字頻率計。然后，再做自動量程控制部分。