高精度频率测量模块开发与设计

2015-05-29梁景棠

电气开关 2015年5期

关键词：数码管计数器端口

梁景棠

(惠州供电局，广东惠州 516001)

1 测量原理

频率测量所能达到的精度，主要取决于作为标准器使用的频率源的精度以及所使用的测量设备和测量方法。目前，国内外使用测频的方法有很多，有直接测频法、内插法、游标法、时间—电压变化法、多周期同步法、频率倍增法、频差倍增法以及相位比较法等等。

无论使用哪种测量方法，频率测量都是基于以下两种基本方法的。

一种是测频法，即将被测信号加到计数器的计数输入端上，计数器在标准时间Ts1内进行计数，所得的计数值N1与被测信号的频率fx1有如下关系:

fx1=N1/Ts1=N1fs1

另一种方法是测周法，该方法是将标准频率信号fx2送到计数器的计数输入端，而让被测频率信号控制计数器的计数时间，所得的计数值N2与fx2有如下关系:

fx2=fs2/N2

无论用哪种方法进行频率测量，主要误差源都是由于计数器只能进行整数计数而引起的±1误差ε=ΔN/N

对于测频法有:

ε1=ΔN1/N1= ±1/N1= ±1/(Ns1fx1)= ±fs1/fx1

对于测周法有:

ε=ΔN2/N2= ±1/N2= ±fx2/fs2= ±Ts2fx2

可见在同样的Ts下，测频法在fx1的低频端误差远大于高频端，而测周法在fx2的高频率的误差远大于低频端，理论研究表明，如进行n次重复测量取平均，则±1误差会减小n倍。如给定±1误差ε0，则要求ε≤ε0，对测频法要求 fx1≥fs2/nε0，测周法要求 fx2≤nε0fs2。因此，如对一给定频率信号fx进行测量，用测频法测量时fs1越低越好，用测周法fs2越高越好。

电力系统的正常频率为工频50Hz，应选用周期法或利用周期法改进的方法如多周期法来测量。

2 硬件设计

硬件设计应该包括以下三部分:(1)电源与信号输入部分电路，如模拟比较电路、信号接入口等，用于接收测量信号;(2)处理部分，即单片机，计算信号频率做出相应的处理和输出;(3)输出电路，应包括一个四位八段数码管，用于频率的显示，此外还应该有紧急操作信号输入。

2.1 电源与信号输入电路

要使整个电路能正常工作，首先应一个稳定的电源。由于设计主要用于测量市电频率，首先考虑通常从市电电压中获取工作电源。电源电路如图1所示。

图1 电源电路图

获取工作电源的原理是:首先通过变压器将220V的交流电压降压，再经整流电路将其变成直流，最后用7805稳压管将电压稳定，这样就获得了稳定的直流工作电源了VCC。

本次设计测量的信号主要为市电，电压为220V，对于单片机而言一个很高的电压，如果隔离不好容易烧坏单片机。且电压为变化的交流电压，影响地极电压的稳定，带来电磁干扰，使得模拟比较不准确，同时也会单片机运行不稳定，因此，信号输入电路应能有效地隔离输入信号的电磁干扰。

由上述分析，此部分电路设计如图2所示。

图2 测量信号处理图

电路工作原理如下:

测量电压信号接入最左边UIN和UN两个端口，当UIN＞UN时，TLP521的3和4端口导通，运算放大器LM311的端口2接入电压为VCC，大于其反相端口3，LM311输出端口7输出电压为正。当UIN＜UN时，情况则相反，TLP521的3和4端口不导通，运算放大器LM311的端口2接入电压为接地电压0，小于其反相端口3，LM311输出端口7输出电压为0。输出电压信号将ICP接入单片机的输入捕获端，做进一步运算处理。至此，测量电压信号得到了很好的隔离。