一種高可靠性的頻率測量系統(tǒng)

　　提出并研制了一種高可靠性、高精度、使用簡單且便于維護(hù)的頻率測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于電力電子測量領(lǐng)域。其硬件系統(tǒng)以嵌入式PC104計(jì)算機(jī)為測控平臺，軟件系統(tǒng)以LabWindows/CVI為開發(fā)平臺，采用測周期法，依據(jù)頻率大小選用不同的基準(zhǔn)頻率。經(jīng)實(shí)際測試證實(shí)，該設(shè)計(jì)滿足精度和實(shí)時(shí)性的要求，檢測效率高，便于操作與維護(hù)。該系統(tǒng)亦可用于其他要求高精度頻率測量的領(lǐng)域中。

　　1 引言

　　頻率是電力電子系統(tǒng)中1個(gè)基本的物理量，其測量問題在工程應(yīng)用中非常重要。通常的測量方案是選用單片機(jī)或可編程邏輯器件。然而，在某些特殊場合，工作環(huán)境惡劣，要求測量精度高、可靠性強(qiáng)，使用常規(guī)的方案難以達(dá)到要求，或成本過高。本文提出了一種基于PC104測控計(jì)算機(jī)的頻率測量系統(tǒng)，依據(jù)初步測試得到的待測頻率大小選用不同的基準(zhǔn)頻率，測量精度達(dá)到0.2%，且實(shí)現(xiàn)了同時(shí)測量多路信號的頻率。

　　2 總體設(shè)計(jì)

　　交變信號的頻率是指單位時(shí)間內(nèi)信號周期性變化的次數(shù)，即發(fā)fx =N/t，可見測量fx須將N或t作為基準(zhǔn)，對另一個(gè)量進(jìn)行測量［1］。基本的測量頻率方法有兩種：一種是測頻法，由測量電路給出標(biāo)準(zhǔn)閘門信號t =Tr，測出待測信號在一定的時(shí)間間隔Tr內(nèi)重復(fù)變化次數(shù)N， 得被測信號的頻率為；另一種方法是測周期法，由測量電路提供標(biāo)準(zhǔn)頻率信號fr，以被測信號的周期作為閘門，測出在一個(gè)被測信號周期內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)信號fr的個(gè)數(shù)N，得到被測信號的頻率為。兩種方法均存在計(jì)數(shù)器的±1量化誤差，測頻法的相對誤差，測周期法的相對誤差。前者fx位于分母，其值越大誤差越小，因此對于高頻信號有較高的精度，而后者fx位于分子，值越小誤差越小，對低頻信號的測量精度較高。本文以測周期法為原理，提出的測頻方案如圖1所示。以PC104測控計(jì)算機(jī)為硬件平臺，設(shè)計(jì)調(diào)理模塊對信號進(jìn)行調(diào)理，通過PC104總線輸入到操作系統(tǒng)平臺上，由數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)行處理，并在液晶顯示器上顯示。

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圖1 測頻方案示意圖

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　　3 硬件設(shè)計(jì)

　　本文以PC104測控計(jì)算機(jī)為硬件平臺，選用的功能模塊有DMM-32X-AT、OMM-XT和GPIO-MM-XT，可以實(shí)現(xiàn)多路頻率信號的同時(shí)測量。PC104與標(biāo)準(zhǔn)臺式PC（PC/AT）體系結(jié)構(gòu)完全兼容，并且具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，功耗低，使用溫度范圍寬（-45℃～85℃），可靠性高（單個(gè)模塊MTBF》20萬h），抗惡劣環(huán)境，堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)，從而保證了產(chǎn)品的生命周期［2-3］。

　　對多路待測頻率信號進(jìn)行分類，將存在先后測試順序的頻率信號共用一組檢測電路進(jìn)行調(diào)理，利用多路開關(guān)實(shí)現(xiàn)信號之間的切換。在測量過程中，實(shí)際輸入信號存在不確定性及抖動等問題，為了提高測量精度，首先對待測信號進(jìn)行預(yù)處理，通過濾波器濾去高頻干擾和低頻漂移信號，接著進(jìn)行線性放大，再經(jīng)過零比較器整形為矩形波信號，最后通過雙穩(wěn)態(tài)電路輸入PC104功能模塊卡。

　　傳統(tǒng)的測量周期原理框圖如圖2所示。在待測頻率的1個(gè)周期中，高電平時(shí)間計(jì)數(shù)器閘門打開進(jìn)行計(jì)數(shù)，低電平時(shí)關(guān)閉，通過測量出高電平時(shí)間計(jì)算出信號周期。但是如果遇到干擾，待測頻率上升沿和下降沿輕微變化時(shí)， 計(jì)數(shù)就會產(chǎn)生一個(gè)脈沖的讀數(shù)誤差。同時(shí)，對于占空比未知的信號，采用此原理無法測出準(zhǔn)確頻率。

　　因此，為減小誤差，并且能測量占空比未知的信號，所提出的測頻方案首先將待測信號分頻，使測頻時(shí)間為待測頻率信號周期的整數(shù)倍，而與占空比無關(guān)，如圖3所示。另外對于高頻和低頻信號，采用不同的分頻系數(shù)，以提高測量精度。對于1kHz以下的信號進(jìn)行二分頻，1kHz以上的信號進(jìn)行四分頻。

圖3改進(jìn)的測頻方法原理框圖
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圖4：硬件電路圖

　　硬件電路原理圖如圖4所示。