頻率計量程自動切換的兩種實現方法

（東華大學信息科學與技術學院，上海，201620）

頻率計量程自動切換的兩種實現方法

沈利芳,李曉麗,屈云豪,張永芳

（東華大學信息科學與技術學院，上海，201620）

給出兩種基于計數器的數字頻率計測量量程自動切換的實現方案，分析兩者在切換速度和穩定性方面的異同點，并在FPGA開發裝置上得以驗證，具有一定的實用參考價值。

數字頻率計；量程；自動切換

1 數字頻率計的基本原理

本文給出一個以四位有效數字顯示測量頻率的數字頻率計的原理參考框圖，如圖1所示，其內部具有4個十進制計數器分別產生四組8421BCD碼，并級聯成模為10000的計數器，最大計數值為9999。頻率計測量信號時，對其內部計數器進行周期性的控制，在每個測量周期中至少包含三個狀態：測量前對計數器清零；計數器測量計數，其計數時間為采樣時間；采樣結束后保存采樣計數值。

圖1 數字頻率計的方案原理參考框圖

計數器每個測量周期中三個狀態的持續時間是不同的。系統可以采用狀態機控制計數器或單穩態觸發器實現狀態定時，每個狀態分別產生計數器清零信號CR、計數使能允許EN和計數值顯示鎖存信號LD。若CR和LD的脈沖寬度遠小于計數器輸入脈沖的最小周期，可以不對測量計數器進行使能控制，使其始終處于計數狀態，測量誤差不會超過設計指標要求。鎖存信號LD和清零信號CR分別由圖1中的數字單穩態觸發電路模塊產生。

為了保證不同頻率被測信號的測量精度，在測量過程中，系統針對任意頻率范圍的被測信號自動匹配其量程，并顯示具有四位有效數字的準確測量結果。這部分內容是本文討論的重點，將在下節詳細論述。

2 自動切換量程

量程切換實質是根據量程變化倍率控制信號分頻或縮小采樣時間，同時控制小數點位置和測量單位指示。本文中頻率計各量程的測量控制參數如表1所示。

表1 頻率測量控制參數表

量程自動切換的核心思想是：在一個測量周期內如果計數器產生溢出，就進行加檔操作；在一個采樣周期結束時如果測量值不滿足四位有效數字，就進行減檔操作，直至找到相對應的量程。實現量程自動切換的關鍵在于根據超量程信號（測量計數器溢出信號）及欠量程信號對測量采樣周期或時基信號進行控制，并對測量顯示值的小數點及單位進行相應調整。

本文采用計數器模塊外加邏輯門電路來設計量程自動切換電路，處理超量程信號OVERFLOW和欠量程信號DOWNFLOW，產生兩位檔位切換控制編碼信號C1、C0。以下分析兩種常見的實現方案，分別說明設計原理并比較兩者的控制特性。

2.1 基于加減計數器的量程自動切換電路

采用加減計數器設計量程控制電路的設計思路是：當超量程信號有效時檔位控制計數器加一，檔位遞增；當欠量程信號有效時檔位控制計數器減一，檔位遞減。本文以單時鐘控制的加減計數器74191為例討論實現方法，電路設計原理如圖2所示。

在圖2中，OVERFLOW為測量計數器的超量程信號，高電平有效。考慮到74191的加/減控制端DNUP為電平方式，采用D觸發器對超量程信號進行鎖存以保證檔位控制計數器穩定切換量程。最高位BCD碼計數器的4位輸出D3、C3、B3、A3經或非門產生測量值最高位的狀態信號HIGHEST，當最高位測量值為0時HIGHEST有效。信號HIGHEST和顯示鎖存信號LD相與形成欠量程信號DOWNFLOW，高電平有效。

當測量計數器溢出時OVERFLOW信號產生一個正脈沖，觸發D觸發器輸出1，并經過反相器使74191加減使能端DNUP為0（允許加計數操作）。同時，D觸發器輸出信號的變化（通過或門）使74191 的計數脈沖端CLK獲得一個上升沿實現增加檔位的操作。當下一測量周期采樣開始前CR清零脈沖產生，D觸發器被清零，允許OVERFLOW信號再次觸發。所以，一個測量周期只允許增加一階檔位。

當某個測量周期中采樣計數器沒有溢出，OVERFLOW信號無效，D觸發器輸出保持0，74191加減控制端DNUP為1（允許減計數操作）。若采樣結束時測量值的最高位為零，即鎖存信號LD有效時最高位狀態信號HIGHEST也有效，則使欠量程信號DOWNFLOW為1。DOWNFLOW信號的變化（通過或門）使74191的計數脈沖端CLK獲得一個上升沿實現降低檔位的操作。

如果在一個測量周期內DOWNFLOW信號和OVERFLOW信號都無效，則74191沒有有效的計數脈沖觸發沿，量程檔位保持不變。

2.2 基于加計數器的量程自動切換電路

采用加計數器設計量程自動切換電路的思路是：在超量程信號OVERFLOW有效時檔位控制計數器加一；在欠量程信號DOWNFLOW有效時檔位控制計數器直接歸零，然后通過檔位遞增的方式尋找合適匹配的檔位。

超量程信號OVERFLOW直接控制檔位計數器的計數脈沖端CLK。頻率測量值最高位BCD碼的顯示鎖存信號D3_SC ~A3_SC經或門形成欠量程信號DOWNFLOW，控制檔位計數器的異步清零端CLRN。當測量值的最高位為零時DOWNFLOW信號為低電平，CLRN有效。

在測量過程中一旦OVERFLOW產生正脈沖，立即控制檔位計數器加一，量程檔位遞增。如果在某個測量周期結束時測量采樣值的最高位為零，則有效的DOWNFLOW信號將強制檔位控制計數器清零，檔位切換到最小量程。如果OVERFLOW和DOWNFLOW信號都無效，檔位控制計數器輸出不變，量程檔位保持不變。

2.3 兩種量程自動切換方案的比較

兩種方案對于量程切換的處理方法是相似的，當超量程信號有效時都能立即實現自動加檔；而當欠量程信號有效時都必須等待測量周期結束后產生DOWNFLOW信號再進行減檔。兩者的區別在于對檔位切換計數器的控制和量程減小的處理方法不同。

第一種方案中超量程信號OVERFLOW通過鎖存后控制檔位計數器，每遞增一個檔位后必須等到下一測量周期開始CR清零信號有效后，OVERFLOW信號才可再次觸發檔位控制計數器。所以每個測量周期只能增加一檔。而欠量程信號DOWNFLOW受顯示鎖存信號LD控制，每個測量周期也只能有效一次。因此當被測信號頻率范圍變化較大時，第一種方案的量程調節速度略低，但切換過程穩定可靠。

第二種方案的超量程信號OVERFLOW未經鎖存，一個測量周期允許遞增多階檔位。而欠量程信號DOWNFLOW由測量值的顯示鎖存信號產生，檔位控制計數器的清零信號有效電平因此被鎖存持續一個測量周期。所以，減檔操作會至少延遲一個測量周期時間。

圖2 加減計數器切換量程電路

當OVERFLOW信號有效時測量計數器溢出，導致采樣結束計數值是隨機的。如果最高位計數值為零，將在過量程情況下造成欠量程信號DOWNFLOW有效。在第一種方案中，由于CR信號滯后于LD信號，OVERFLOW信號的鎖存電平封鎖了偽DOWNFLOW信號的上升沿，有效防止了減檔誤操作。而第二種方案中的DOWNFLOW信號不受OVERFLOW信號控制，有可能在增檔過程中造成檔位計數器清零，產生減檔誤操作。因此量程切換過程不穩定，影響了控制速度。因此電路有待進一步改進。

3 結語

本文重點討論了數字測量儀的量程自動切換原理，分析了兩種基于計數器的量程檔位自動切換電路，從控制響應速度和控制穩定性方面比較了二者的差異，具有一定的應用參考價值。

楊龍麟.2009.電子測量技術（第三版)北京：人民郵電出版社

Two realizations for the automatic conversion range of frequency meter

Shen Lifang,Li Xiaoli,Qu Yunhao,Zhang Yongfang
(School of Information Science and Technology, Donghua University,Shanghai,201620,China)

Two methods on automatic switching measurement range of the counter based digital frequency meter are proposed,and at the same time,an analysis of and a comparison between the two methods in terms of the switching speed and stability are given.The proposed methods are implemented and verified using FPGA device and it shows their considerable value in practical utility.

digital frequency meter;range;automatic conversion

沈利芳（1970－），女，漢，上海，東華大學信息學院，實驗師，主要研究方向：EDA實驗教學。

本文系東華大學信息科學與技術學院本科教改項目“電學基礎實踐實驗課題組”、“《數字電子技術課程設計》實踐教學的移植與創新”、“數字電子技術課程建設”的研究成果。

李曉麗（1980－），女，漢，河南，東華大學信息學院，講師，主要研究方向：FPGA