頻率計(jì)量程自動切換的兩種實(shí)現(xiàn)方法

（東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海，201620）

頻率計(jì)量程自動切換的兩種實(shí)現(xiàn)方法

沈利芳,李曉麗,屈云豪,張永芳

（東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海，201620）

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

數(shù)字頻率計(jì)；量程；自動切換

1 數(shù)字頻率計(jì)的基本原理

本文給出一個(gè)以四位有效數(shù)字顯示測量頻率的數(shù)字頻率計(jì)的原理參考框圖，如圖1所示，其內(nèi)部具有4個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器分別產(chǎn)生四組8421BCD碼，并級聯(lián)成模為10000的計(jì)數(shù)器，最大計(jì)數(shù)值為9999。頻率計(jì)測量信號時(shí)，對其內(nèi)部計(jì)數(shù)器進(jìn)行周期性的控制，在每個(gè)測量周期中至少包含三個(gè)狀態(tài)：測量前對計(jì)數(shù)器清零；計(jì)數(shù)器測量計(jì)數(shù)，其計(jì)數(shù)時(shí)間為采樣時(shí)間；采樣結(jié)束后保存采樣計(jì)數(shù)值。

圖1 數(shù)字頻率計(jì)的方案原理參考框圖

計(jì)數(shù)器每個(gè)測量周期中三個(gè)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間是不同的。系統(tǒng)可以采用狀態(tài)機(jī)控制計(jì)數(shù)器或單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)狀態(tài)定時(shí)，每個(gè)狀態(tài)分別產(chǎn)生計(jì)數(shù)器清零信號CR、計(jì)數(shù)使能允許EN和計(jì)數(shù)值顯示鎖存信號LD。若CR和LD的脈沖寬度遠(yuǎn)小于計(jì)數(shù)器輸入脈沖的最小周期，可以不對測量計(jì)數(shù)器進(jìn)行使能控制，使其始終處于計(jì)數(shù)狀態(tài)，測量誤差不會超過設(shè)計(jì)指標(biāo)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(zhǔn)確測量結(jié)果。這部分內(nèi)容是本文討論的重點(diǎn)，將在下節(jié)詳細(xì)論述。

2 自動切換量程

量程切換實(shí)質(zhì)是根據(jù)量程變化倍率控制信號分頻或縮小采樣時(shí)間，同時(shí)控制小數(shù)點(diǎn)位置和測量單位指示。本文中頻率計(jì)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(gè)測量周期內(nèi)如果計(jì)數(shù)器產(chǎn)生溢出，就進(jìn)行加檔操作；在一個(gè)采樣周期結(jié)束時(shí)如果測量值不滿足四位有效數(shù)字，就進(jìn)行減檔操作，直至找到相對應(yīng)的量程。實(shí)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(jì)數(shù)器溢出信號）及欠量程信號對測量采樣周期或時(shí)基信號進(jìn)行控制，并對測量顯示值的小數(shù)點(diǎn)及單位進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

本文采用計(jì)數(shù)器模塊外加邏輯門電路來設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)方案，分別說明設(shè)計(jì)原理并比較兩者的控制特性。

2.1 基于加減計(jì)數(shù)器的量程自動切換電路

采用加減計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)量程控制電路的設(shè)計(jì)思路是：當(dāng)超量程信號有效時(shí)檔位控制計(jì)數(shù)器加一，檔位遞增；當(dāng)欠量程信號有效時(shí)檔位控制計(jì)數(shù)器減一，檔位遞減。本文以單時(shí)鐘控制的加減計(jì)數(shù)器74191為例討論實(shí)現(xiàn)方法，電路設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

在圖2中，OVERFLOW為測量計(jì)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(jìn)行鎖存以保證檔位控制計(jì)數(shù)器穩(wěn)定切換量程。最高位BCD碼計(jì)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(dāng)最高位測量值為0時(shí)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(dāng)測量計(jì)數(shù)器溢出時(shí)OVERFLOW信號產(chǎn)生一個(gè)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(jì)數(shù)操作）。同時(shí)，D觸發(fā)器輸出信號的變化（通過或門）使74191 的計(jì)數(shù)脈沖端CLK獲得一個(gè)上升沿實(shí)現(xiàn)增加檔位的操作。當(dāng)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(gè)測量周期只允許增加一階檔位。

當(dāng)某個(gè)測量周期中采樣計(jì)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(jì)數(shù)操作）。若采樣結(jié)束時(shí)測量值的最高位為零，即鎖存信號LD有效時(shí)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(jì)數(shù)脈沖端CLK獲得一個(gè)上升沿實(shí)現(xiàn)降低檔位的操作。

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

2.2 基于加計(jì)數(shù)器的量程自動切換電路

采用加計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)量程自動切換電路的思路是：在超量程信號OVERFLOW有效時(shí)檔位控制計(jì)數(shù)器加一；在欠量程信號DOWNFLOW有效時(shí)檔位控制計(jì)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(jì)數(shù)器的計(jì)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(jì)數(shù)器的異步清零端CLRN。當(dāng)測量值的最高位為零時(shí)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(jì)數(shù)器加一，量程檔位遞增。如果在某個(gè)測量周期結(jié)束時(shí)測量采樣值的最高位為零，則有效的DOWNFLOW信號將強(qiáng)制檔位控制計(jì)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(jì)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(dāng)超量程信號有效時(shí)都能立即實(shí)現(xiàn)自動加檔；而當(dāng)欠量程信號有效時(shí)都必須等待測量周期結(jié)束后產(chǎn)生DOWNFLOW信號再進(jìn)行減檔。兩者的區(qū)別在于對檔位切換計(jì)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(jì)數(shù)器，每遞增一個(gè)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(jì)數(shù)器。所以每個(gè)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(gè)測量周期也只能有效一次。因此當(dāng)被測信號頻率范圍變化較大時(shí)，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(gè)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(jì)數(shù)器的清零信號有效電平因此被鎖存持續(xù)一個(gè)測量周期。所以，減檔操作會至少延遲一個(gè)測量周期時(shí)間。

圖2 加減計(jì)數(shù)器切換量程電路

當(dāng)OVERFLOW信號有效時(shí)測量計(jì)數(shù)器溢出，導(dǎo)致采樣結(jié)束計(jì)數(shù)值是隨機(jī)的。如果最高位計(jì)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(jì)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(jìn)一步改進(jìn)。

3 結(jié)語

本文重點(diǎn)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(jì)數(shù)器的量程檔位自動切換電路，從控制響應(yīng)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(yīng)用參考價(jià)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(xué)信息學(xué)院，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：EDA實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

本文系東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院本科教改項(xiàng)目“電學(xué)基礎(chǔ)實(shí)踐實(shí)驗(yàn)課題組”、“《數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)》實(shí)踐教學(xué)的移植與創(chuàng)新”、“數(shù)字電子技術(shù)課程建設(shè)”的研究成果。

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