高精度頻率測量模塊開發與設計

梁景棠

(惠州供電局，廣東 惠州 516001)

1 測量原理

頻率測量所能達到的精度，主要取決于作為標準器使用的頻率源的精度以及所使用的測量設備和測量方法。目前，國內外使用測頻的方法有很多，有直接測頻法、內插法、游標法、時間—電壓變化法、多周期同步法、頻率倍增法、頻差倍增法以及相位比較法等等。

無論使用哪種測量方法，頻率測量都是基于以下兩種基本方法的。

一種是測頻法，即將被測信號加到計數器的計數輸入端上，計數器在標準時間Ts1內進行計數，所得的計數值N1與被測信號的頻率fx1有如下關系:

fx1=N1/Ts1=N1fs1

另一種方法是測周法，該方法是將標準頻率信號fx2送到計數器的計數輸入端，而讓被測頻率信號控制計數器的計數時間，所得的計數值N2與fx2有如下關系:

fx2=fs2/N2

無論用哪種方法進行頻率測量，主要誤差源都是由于計數器只能進行整數計數而引起的±1誤差ε=ΔN/N

對于測頻法有:

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

對于測周法有:

ε=ΔN2/N2= ±1/N2= ±fx2/fs2= ±Ts2fx2

可見在同樣的Ts下，測頻法在fx1的低頻端誤差遠大于高頻端，而測周法在fx2的高頻率的誤差遠大于低頻端，理論研究表明，如進行n次重復測量取平均，則±1誤差會減小n倍。如給定±1誤差ε0，則要求ε≤ε0，對測頻法要求 fx1≥fs2/nε0，測周法要求 fx2≤nε0fs2。因此，如對一給定頻率信號fx進行測量，用測頻法測量時fs1越低越好，用測周法fs2越高越好。

電力系統的正常頻率為工頻50Hz，應選用周期法或利用周期法改進的方法如多周期法來測量。

2 硬件設計

硬件設計應該包括以下三部分:(1)電源與信號輸入部分電路，如模擬比較電路、信號接入口等，用于接收測量信號;(2)處理部分，即單片機，計算信號頻率做出相應的處理和輸出;(3)輸出電路，應包括一個四位八段數碼管，用于頻率的顯示，此外還應該有緊急操作信號輸入。

2.1 電源與信號輸入電路

要使整個電路能正常工作，首先應一個穩定的電源。由于設計主要用于測量市電頻率，首先考慮通常從市電電壓中獲取工作電源。電源電路如圖1所示。

圖1 電源電路圖

獲取工作電源的原理是:首先通過變壓器將220V的交流電壓降壓，再經整流電路將其變成直流，最后用7805穩壓管將電壓穩定，這樣就獲得了穩定的直流工作電源了VCC。

本次設計測量的信號主要為市電，電壓為220V，對于單片機而言一個很高的電壓，如果隔離不好容易燒壞單片機。且電壓為變化的交流電壓，影響地極電壓的穩定，帶來電磁干擾，使得模擬比較不準確，同時也會單片機運行不穩定，因此，信號輸入電路應能有效地隔離輸入信號的電磁干擾。

由上述分析，此部分電路設計如圖2所示。

圖2 測量信號處理圖

電路工作原理如下:

測量電壓信號接入最左邊UIN和UN兩個端口，當UIN＞UN時，TLP521的3和4端口導通，運算放大器LM311的端口2接入電壓為VCC，大于其反相端口3，LM311輸出端口7輸出電壓為正。當UIN＜UN時，情況則相反，TLP521的3和4端口不導通，運算放大器LM311的端口2接入電壓為接地電壓0，小于其反相端口3，LM311輸出端口7輸出電壓為0。輸出電壓信號將ICP接入單片機的輸入捕獲端，做進一步運算處理。至此，測量電壓信號得到了很好的隔離。

2.1 單片機及其周圍電路

這部分電路主要為輸入輸出端口設置、工作電源接口、復位接口等，如圖3所示。

圖3 單片機端口連接圖

說明如下:

(1)PD6為方波信號ICP接入端。電源、晶振和復位信號接法參照單片機端口說明。

(2)輸出部分端口有:①SPI(PB7、PB5和 PB4口)，用于數碼管的顯示;②PD3、PD4用于頻率出錯時的緊急操作信號輸出;③PD0、PD1和PD2用于跟上位機的異步串行通訊，可以將測得頻率的實時數據上傳給電腦;④PC0、PC1、PC6和PC7用于數碼管的選位，實現動態顯示。

2.3 信號輸出部分電路

雖然單片機的I/O端口具有一定的驅動能力，但過多地直接使用單片機I/O端口驅動會給單片機行動的穩定性帶來不利的影響，故輸出電路應有轉換器件，使I/O端口工作于開關狀態。電路圖如圖4所示。

(1)數碼管驅動電路(轉換器件:74HC595);

圖4 四位八段數碼管連接圖

此部分電路是使用SPI通訊方式實現顯示代碼的串行輸出。

(2)操作信號輸出(轉換器件:三極管9013);

圖5 操作信號轉換圖

(3)串行接口 USART(轉換器件:TLP521－4、MAX485ESA或SN75LBC184)，如圖6所示。

(4)數碼管選位(轉換器件ULN2803A)如圖7所示。

3 軟件的編寫和優化

軟件編程應該實現以下幾個功能:(1)通過輸入方波控制計數器中斷以獲取一個信號周期時間;(2)計算頻率;(3)將算得的頻率送到上位機和將其顯示代碼送至四位八段數碼管顯示。(4)判斷頻率是否超出規定范圍，若超出則發送緊急操作信號。

程序流程圖如下:

(1)主程序如圖8所示。

(2)計數器中斷程序流程圖如圖9所示。

4 結論

圖6 串行通信信號轉換圖

圖7 數碼管選位電路圖

圖8

圖9

本論文目的是設計一個對電力系統頻率進行測量，提供實時的頻率變化數據，為監控者提供操作的數據依據，必要時可以替監控者做出操作動作的頻率測量裝置。利用單片機運行速度快、計數準確等特點設計出的頻率測量器具有準確、精度高和實時有效等特點，同時可以設計輸入信號控制操作。

本設計還可以用于10～400Hz左右的頻率測量(波形可以是非正弦波)，并在數碼管中正確顯示。也能正確將頻率數據上傳到上位機中，但會發出越限報警信號。可以通過修改程序將報警功能去掉或在電路中增加輸入口進行設置。