（東華大學信息科學與技術(shù)學院，上海，201620）

頻率計量程自動切換的兩種實現(xiàn)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(shù)學院，上海，201620）

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

數(shù)字頻率計；量程；自動切換

1 數(shù)字頻率計的基本原理

本文給出一個以四位有效數(shù)字顯示測量頻率的數(shù)字頻率計的原理參考框圖，如圖1所示，其內(nèi)部具有4個十進制計數(shù)器分別產(chǎn)生四組8421BCD碼，并級聯(lián)成模為10000的計數(shù)器，最大計數(shù)值為9999。頻率計測量信號時，對其內(nèi)部計數(shù)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(tài)：測量前對計數(shù)器清零；計數(shù)器測量計數(shù)，其計數(shù)時間為采樣時間；采樣結(jié)束后保存采樣計數(shù)值。

圖1 數(shù)字頻率計的方案原理參考框圖

計數(shù)器每個測量周期中三個狀態(tài)的持續(xù)時間是不同的。系統(tǒng)可以采用狀態(tài)機控制計數(shù)器或單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實現(xiàn)狀態(tài)定時，每個狀態(tài)分別產(chǎn)生計數(shù)器清零信號CR、計數(shù)使能允許EN和計數(shù)值顯示鎖存信號LD。若CR和LD的脈沖寬度遠小于計數(shù)器輸入脈沖的最小周期，可以不對測量計數(shù)器進行使能控制，使其始終處于計數(shù)狀態(tài)，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(shù)字單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路模塊產(chǎn)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(tǒng)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(shù)字的準確測量結(jié)果。這部分內(nèi)容是本文討論的重點，將在下節(jié)詳細論述。

2 自動切換量程

量程切換實質(zhì)是根據(jù)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(shù)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(shù)如表1所示。

表1 頻率測量控制參數(shù)表

量程自動切換的核心思想是：在一個測量周期內(nèi)如果計數(shù)器產(chǎn)生溢出，就進行加檔操作；在一個采樣周期結(jié)束時如果測量值不滿足四位有效數(shù)字，就進行減檔操作，直至找到相對應的量程。實現(xiàn)量程自動切換的關(guān)鍵在于根據(jù)超量程信號（測量計數(shù)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(shù)點及單位進行相應調(diào)整。

本文采用計數(shù)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(chǎn)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(xiàn)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(shù)器的量程自動切換電路

采用加減計數(shù)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(shù)器加一，檔位遞增；當欠量程信號有效時檔位控制計數(shù)器減一，檔位遞減。本文以單時鐘控制的加減計數(shù)器74191為例討論實現(xiàn)方法，電路設計原理如圖2所示。

在圖2中，OVERFLOW為測量計數(shù)器的超量程信號，高電平有效?？紤]到74191的加/減控制端DNUP為電平方式，采用D觸發(fā)器對超量程信號進行鎖存以保證檔位控制計數(shù)器穩(wěn)定切換量程。最高位BCD碼計數(shù)器的4位輸出D3、C3、B3、A3經(jīng)或非門產(chǎn)生測量值最高位的狀態(tài)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(shù)器溢出時OVERFLOW信號產(chǎn)生一個正脈沖，觸發(fā)D觸發(fā)器輸出1，并經(jīng)過反相器使74191加減使能端DNUP為0（允許加計數(shù)操作）。同時，D觸發(fā)器輸出信號的變化（通過或門）使74191 的計數(shù)脈沖端CLK獲得一個上升沿實現(xiàn)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(chǎn)生，D觸發(fā)器被清零，允許OVERFLOW信號再次觸發(fā)。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(shù)器沒有溢出，OVERFLOW信號無效，D觸發(fā)器輸出保持0，74191加減控制端DNUP為1（允許減計數(shù)操作）。若采樣結(jié)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(tài)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(shù)脈沖端CLK獲得一個上升沿實現(xiàn)降低檔位的操作。

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

2.2 基于加計數(shù)器的量程自動切換電路

采用加計數(shù)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(shù)器加一；在欠量程信號DOWNFLOW有效時檔位控制計數(shù)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(shù)器的計數(shù)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(jīng)或門形成欠量程信號DOWNFLOW，控制檔位計數(shù)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(chǎn)生正脈沖，立即控制檔位計數(shù)器加一，量程檔位遞增。如果在某個測量周期結(jié)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(shù)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(shù)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(xiàn)自動加檔；而當欠量程信號有效時都必須等待測量周期結(jié)束后產(chǎn)生DOWNFLOW信號再進行減檔。兩者的區(qū)別在于對檔位切換計數(shù)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(shù)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(fā)檔位控制計數(shù)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(diào)節(jié)速度略低，但切換過程穩(wěn)定可靠。

第二種方案的超量程信號OVERFLOW未經(jīng)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(chǎn)生，檔位控制計數(shù)器的清零信號有效電平因此被鎖存持續(xù)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(shù)器切換量程電路

當OVERFLOW信號有效時測量計數(shù)器溢出，導致采樣結(jié)束計數(shù)值是隨機的。如果最高位計數(shù)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(shù)器清零，產(chǎn)生減檔誤操作。因此量程切換過程不穩(wěn)定，影響了控制速度。因此電路有待進一步改進。

3 結(jié)語

本文重點討論了數(shù)字測量儀的量程自動切換原理，分析了兩種基于計數(shù)器的量程檔位自動切換電路，從控制響應速度和控制穩(wěn)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(shù)（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(shù)學院本科教改項目“電學基礎實踐實驗課題組”、“《數(shù)字電子技術(shù)課程設計》實踐教學的移植與創(chuàng)新”、“數(shù)字電子技術(shù)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