频率计量程自动切换的两种实现方法

（东华大学信息科学与技术学院，上海，201620）

频率计量程自动切换的两种实现方法

沈利芳,李晓丽,屈云豪,张永芳

（东华大学信息科学与技术学院，上海，201620）

给出两种基于计数器的数字频率计测量量程自动切换的实现方案，分析两者在切换速度和稳定性方面的异同点，并在FPGA开发装置上得以验证，具有一定的实用参考价值。

数字频率计；量程；自动切换

1 数字频率计的基本原理

本文给出一个以四位有效数字显示测量频率的数字频率计的原理参考框图，如图1所示，其内部具有4个十进制计数器分别产生四组8421BCD码，并级联成模为10000的计数器，最大计数值为9999。频率计测量信号时，对其内部计数器进行周期性的控制，在每个测量周期中至少包含三个状态：测量前对计数器清零；计数器测量计数，其计数时间为采样时间；采样结束后保存采样计数值。

图1 数字频率计的方案原理参考框图

计数器每个测量周期中三个状态的持续时间是不同的。系统可以采用状态机控制计数器或单稳态触发器实现状态定时，每个状态分别产生计数器清零信号CR、计数使能允许EN和计数值显示锁存信号LD。若CR和LD的脉冲宽度远小于计数器输入脉冲的最小周期，可以不对测量计数器进行使能控制，使其始终处于计数状态，测量误差不会超过设计指标要求。锁存信号LD和清零信号CR分别由图1中的数字单稳态触发电路模块产生。

为了保证不同频率被测信号的测量精度，在测量过程中，系统针对任意频率范围的被测信号自动匹配其量程，并显示具有四位有效数字的准确测量结果。这部分内容是本文讨论的重点，将在下节详细论述。

2 自动切换量程

量程切换实质是根据量程变化倍率控制信号分频或缩小采样时间，同时控制小数点位置和测量单位指示。本文中频率计各量程的测量控制参数如表1所示。

表1 频率测量控制参数表

量程自动切换的核心思想是：在一个测量周期内如果计数器产生溢出，就进行加档操作；在一个采样周期结束时如果测量值不满足四位有效数字，就进行减档操作，直至找到相对应的量程。实现量程自动切换的关键在于根据超量程信号（测量计数器溢出信号）及欠量程信号对测量采样周期或时基信号进行控制，并对测量显示值的小数点及单位进行相应调整。

本文采用计数器模块外加逻辑门电路来设计量程自动切换电路，处理超量程信号OVERFLOW和欠量程信号DOWNFLOW，产生两位档位切换控制编码信号C1、C0。以下分析两种常见的实现方案，分别说明设计原理并比较两者的控制特性。

2.1 基于加减计数器的量程自动切换电路

采用加减计数器设计量程控制电路的设计思路是：当超量程信号有效时档位控制计数器加一，档位递增；当欠量程信号有效时档位控制计数器减一，档位递减。本文以单时钟控制的加减计数器74191为例讨论实现方法，电路设计原理如图2所示。

在图2中，OVERFLOW为测量计数器的超量程信号，高电平有效。考虑到74191的加/减控制端DNUP为电平方式，采用D触发器对超量程信号进行锁存以保证档位控制计数器稳定切换量程。最高位BCD码计数器的4位输出D3、C3、B3、A3经或非门产生测量值最高位的状态信号HIGHEST，当最高位测量值为0时HIGHEST有效。信号HIGHEST和显示锁存信号LD相与形成欠量程信号DOWNFLOW，高电平有效。

当测量计数器溢出时OVERFLOW信号产生一个正脉冲，触发D触发器输出1，并经过反相器使74191加减使能端DNUP为0（允许加计数操作）。同时，D触发器输出信号的变化（通过或门）使74191 的计数脉冲端CLK获得一个上升沿实现增加档位的操作。当下一测量周期采样开始前CR清零脉冲产生，D触发器被清零，允许OVERFLOW信号再次触发。所以，一个测量周期只允许增加一阶档位。

当某个测量周期中采样计数器没有溢出，OVERFLOW信号无效，D触发器输出保持0，74191加减控制端DNUP为1（允许减计数操作）。若采样结束时测量值的最高位为零，即锁存信号LD有效时最高位状态信号HIGHEST也有效，则使欠量程信号DOWNFLOW为1。DOWNFLOW信号的变化（通过或门）使74191的计数脉冲端CLK获得一个上升沿实现降低档位的操作。

如果在一个测量周期内DOWNFLOW信号和OVERFLOW信号都无效，则74191没有有效的计数脉冲触发沿，量程档位保持不变。

2.2 基于加计数器的量程自动切换电路

采用加计数器设计量程自动切换电路的思路是：在超量程信号OVERFLOW有效时档位控制计数器加一；在欠量程信号DOWNFLOW有效时档位控制计数器直接归零，然后通过档位递增的方式寻找合适匹配的档位。

超量程信号OVERFLOW直接控制档位计数器的计数脉冲端CLK。频率测量值最高位BCD码的显示锁存信号D3_SC ~A3_SC经或门形成欠量程信号DOWNFLOW，控制档位计数器的异步清零端CLRN。当测量值的最高位为零时DOWNFLOW信号为低电平，CLRN有效。

在测量过程中一旦OVERFLOW产生正脉冲，立即控制档位计数器加一，量程档位递增。如果在某个测量周期结束时测量采样值的最高位为零，则有效的DOWNFLOW信号将强制档位控制计数器清零，档位切换到最小量程。如果OVERFLOW和DOWNFLOW信号都无效，档位控制计数器输出不变，量程档位保持不变。

2.3 两种量程自动切换方案的比较

两种方案对于量程切换的处理方法是相似的，当超量程信号有效时都能立即实现自动加档；而当欠量程信号有效时都必须等待测量周期结束后产生DOWNFLOW信号再进行减档。两者的区别在于对档位切换计数器的控制和量程减小的处理方法不同。

第一种方案中超量程信号OVERFLOW通过锁存后控制档位计数器，每递增一个档位后必须等到下一测量周期开始CR清零信号有效后，OVERFLOW信号才可再次触发档位控制计数器。所以每个测量周期只能增加一档。而欠量程信号DOWNFLOW受显示锁存信号LD控制，每个测量周期也只能有效一次。因此当被测信号频率范围变化较大时，第一种方案的量程调节速度略低，但切换过程稳定可靠。

第二种方案的超量程信号OVERFLOW未经锁存，一个测量周期允许递增多阶档位。而欠量程信号DOWNFLOW由测量值的显示锁存信号产生，档位控制计数器的清零信号有效电平因此被锁存持续一个测量周期。所以，减档操作会至少延迟一个测量周期时间。

图2 加减计数器切换量程电路

当OVERFLOW信号有效时测量计数器溢出，导致采样结束计数值是随机的。如果最高位计数值为零，将在过量程情况下造成欠量程信号DOWNFLOW有效。在第一种方案中，由于CR信号滞后于LD信号，OVERFLOW信号的锁存电平封锁了伪DOWNFLOW信号的上升沿，有效防止了减档误操作。而第二种方案中的DOWNFLOW信号不受OVERFLOW信号控制，有可能在增档过程中造成档位计数器清零，产生减档误操作。因此量程切换过程不稳定，影响了控制速度。因此电路有待进一步改进。

3 结语

本文重点讨论了数字测量仪的量程自动切换原理，分析了两种基于计数器的量程档位自动切换电路，从控制响应速度和控制稳定性方面比较了二者的差异，具有一定的应用参考价值。

杨龙麟.2009.电子测量技术（第三版)北京：人民邮电出版社

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，汉，上海，东华大学信息学院，实验师，主要研究方向：EDA实验教学。

本文系东华大学信息科学与技术学院本科教改项目“电学基础实践实验课题组”、“《数字电子技术课程设计》实践教学的移植与创新”、“数字电子技术课程建设”的研究成果。

李晓丽（1980－），女，汉，河南，东华大学信息学院，讲师，主要研究方向：FPGA