量程自动控制的数字频率计

量程自动控制的数字频率计
一、 实验目的：
1、数字系统的设计与调试
2、TTL 数字集成电路的使用
3、量程自动控制的逻辑设计
二、实验要求：
设计、制作、调试一个量程自动控制的数字频率计，其要求如下：
显示位数：四位，最大显示数9999
闸门时间：10 ms,100 ms , 1 s, 根据被测频率大小，量程自动切换。
量程：Ⅰ、100HZ—999.9KHZ, 闸门时间10ms
Ⅱ、10HZ—99.99KHZ，闸门时间100ms
Ⅲ、1HZ—0.999KHZ，闸门时间1s
自动量程要求：计数器值大于9999 时（溢出），量程自动升高一档（闸门时间缩短十分
之一），当计数值小于0800 时量程自动降低一档（闸门时间增大十倍）。
输入被测电压：10HZ—1MHZ 方波或正弦波，幅度为3mv—3v（有效值）
显示器件：TTL 电平的七段数码管（RS202 或2BS111）
数字电路：TTL 数字集成电路，实验室能提供下述电路：
7 4 L S 2 0 四输入端双与非门
7 4 L S 2 7 P 三输入端三或非门
7 4 L S 0 0 双输入端四与非门
7 4 L S 2 4 8 BCD 七段译码器／驱动器
7 4 L S 7 5 4 位双稳锁存器
7 4 L S 9 0 二、五混合进制，十进制计数器
7 4 L S 2 2 1 斯密特触发输入双单稳多谐振荡器
7 4 L S 7 4 双D 触发器
7 4 L S 7 6 双J—K 触发器
三、实验原理：
数字频率测量的原理图见图2-1，简单的数字频率计的方框图见图2-2。
放大整形电路将输入的被测交流电压fx 放大，限幅，整形后变成方波或脉冲送主闸门，
晶体振荡器送出的标准频率经分频后得到时间不等的一组闸门信号，经开关选择后也送主闸
门，主闸门在闸门信号控制下打开或关闭，主闸门在开放的那一段标准的闸门时间T 内，
计数器对被测频率fx 计数，待主闸门关闭后计数器已计至一定的脉冲数N，显然，f x = N/T
在主闸门关闭后单稳电路先后送出两个脉冲作为锁存器的送数指令及计数器的清零指令，将
计数器的数字送锁存器寄存，然后将计数器清零，以备下一次的测量，不同的量程可以通过
切换闸门时间来改变。较高的量程对于较短的闸门时间。
显然，闸门时间应选择适当，闸门时间过短则因计数有效位数少而降低了测量精度，过
长则因计数器溢出也得不到正确的读数。
合适的闸门时间（正确的量程）可以用波段开关手动选择，但是从使用方便来考虑，闸
门时间应能自动选择在最佳点上，如被测频率f x 较高，致使计数溢出，闸门时间自动缩短（升量程）；如被测频率f x 较低，计数器计数值不足某预定值，闸门时间自动增长（降量
程）。为了保证闸门时间能最终稳定，升量程与降量程的读数之比不应是十比一，而应稍大
于十比一，本实验要求读数大于9999 则升量程，小于0800 则降量程。

如果选择在大于9999 升量程，小于999 降量程，则如被测频率正好为1000.00KHZ 时，
由于频率计在测量频率时1 个字的原理误差，量程将在Ⅰ（闸门时间为10）与Ⅱ（闸门时
间为100 变动而不能最终稳定。
实现自动量程首先要解决的问题是计数值的检测，即如何知道计数值已大于9999 或小
于0800，对于标准的四位BCD（二十进制，8421 码）计数器来说，在计数过程中第四位计
数的QD 出现过下降沿意味着计数器已溢出，（计数器值大于9999）。如果计数过程中第三
位计数器的Q 3 D 未出现过上升沿，则意味着计数器值小于0800。因此，可以利用这两个
特征很方便地检测出计数值的溢出或不足。
其次要解决的一个问题是如何实现量程的升降，移位寄存器，可以左右移的移位寄存器，加法计数器，可逆计数器等都可以实现量程的升降。图2-3 触发器构成的移位寄存器实现量
程升降的一个例子。工作过程是：降量程指令使Q1、Q2、Q3 置成100 状态，于是量程选择
在Ⅲ档（闸门时间为1）。升降量程指令使状态右移，量程逐渐上升，直至适当的闸门时间
被选中。与用左右移位寄存器的量程控制电路相比，它比较简单，但当从量程Ⅰ降到量程Ⅱ
时，先要从Ⅰ降到Ⅲ，再从Ⅲ升到Ⅱ。

自动切换量程的同时必须同时切换小数点，否则，读数因无量程信息在很大程度上失去
意义。
晶体振荡器：T T L 电路很容易构成晶体振荡器，图2-4 是100KHZ 的晶体振荡器电路。
本实验可利用晶体稳频的脉冲发生器（自制的），它输出有1MHZ，100KHZ，10KHZ，以
及有单脉冲输出。对调试电路很有用处。
输入放大器：它的好坏是决定频率计优劣的重要因素之一，本实验要求输入放大器在
10HZ—1MHZ 频率范围内，对3mv—3v（有效值）的方波或正弦波输入电压提供足够的增
益，经整形后可靠地触发TTL 电路.
本实验可分两步做，首先做好一个四位的常规数字频率计。然后，再做自动量程控制部分。