CN102128979B - 等精度测频电路及其测频方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种等精度测频电路及其测频方法，所述电路包括第一计数器、第二计数器和分频计数器，其中，被测信号分别和第一D触发器、第二D触发器的时钟输入端相连；所述第一D触发器的触发端和控制信号START相连，输出端和第一计数器、第二计数器的使能端相连，所述第二D触发器的触发端和控制信号STOP相连，实现控制信号与被测信号上升沿同步控制；所述分频计数器的输出信号和第一计数器的时钟输入端相连；所述被测信号和第二计数器的时钟输入端相连。本发明提供的等精度测频电路及其测频方法，消除了单位时间内计数法带来的脉冲信号个数的误差，显著提高了转速信号采集的准确性和实时性。
Description
技术领域
本发明涉及一种测频电路及其测频方法，尤其涉及一种等精度测频电路及其测频方法。
背景技术
现场控制系统、数据采集与通讯系统、设备监控系统和人机接口单元在各个行业中得到了广泛的应用。
在汽轮机转速控制系统中，对汽轮机转速采集的准确性和实时性要求非常高。常用的采集方法为利用单片机在单位时间内计数法，在单位时间内对待测频率信号进行计数。单位时间内检测到的脉冲信号个数误差为1，这种方法的测量精度会因频率的高低变化而产生较大波动。
为了避免单位时间内计数法中脉冲信号个数的误差，提高转速采集的准确性和实时性，有必要提供等精度测频电路及其测频方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种等精度测频电路及其测频方法，消除单位时间内计数法带来的脉冲信号个数的误差，提高转速信号采集的准确性和实时性。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种等精度测频电路，包括第一计数器、第二计数器和分频计数器，其中，被测信号分别和第一D触发器、第二D触发器的时钟输入端相连；所述第一D触发器的触发端和控制信号START相连，输出端和第一计数器、第二计数器的使能端相连，所述第二D触发器的触发端和控制信号STOP相连，实现控制信号与被测信号上升沿同步控制；所述分频计数器的输出信号和第二D触发器的输出信号反相相与后和第一计数器的时钟输入端相连；所述被测信号和第二D触发器的输出信号反相相与后和第二计数器的时钟输入端相连。
上述的等精度测频电路，其中，所述待测信号通过光耦输入电路，经过光电转换之后的信号再经过第一反相器、第二反相器实现信号的整形预处理后分别和第一D触发器、第二D触发器的输入端相连。
本发明为解决上述技术问题还提供一种等精度测频方法，所述方法包括如下步骤：a)当控制信号START为高电平时，被测信号的上升沿通过第一D触发器的使能端同时启动第一计数器和第二计数器，对被测信号和标准频率信号同时计数；b)当控制信号STOP为高电平时，被测信号的上升沿通过第二D触发器的使能端输出高电平信号，该高电平信号取反后与频率信号相与，使得第一计数器和第二计数器的输入端电平保持为低电平，实现同时停止第一计数器和第二计数器的计数；c)设在一次门控时间T中对被测信号计数值为Nx，对标准频率信号的计数值为Ns，则被测信号的频率值为：Fx＝(Fs/Ns)×Nx。
上述的测频方法，其中，所述分频计数器为4位计数器，输入信号采用20MHZ的信号，经过八分频后转为输出2.5MHZ的标准频率信号。
上述的测频方法，其中，所述被测信号通过选择不同的分压电阻来改变输入电路的门槛电压从而实现测量精度的调节。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的等精度测频电路及其测频方法，通过设置两个D触发器对两个计数器进行同步计数，消除了单位时间内计数法带来的脉冲信号个数的误差，显著提高了转速信号采集的准确性和实时性。
附图说明
图1为本发明的等精度测频电路示意图；
图2为本发明的精度调节电路示意图；
图3为本发明的输入整形电路示意图；
图4为本发明的等精度测频率法示意图；
图5为本发明的等精度测频率方法流程图；
图6为本发明等精度测频电路及方法在汽轮机转速测试系统中应用示意图。
图中：
1第一D触发器2第二D触发器3分频计数器
4第一计数器5第二计数器6比较器
7第一反相器8第二反相器9光耦输入电路
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
图1为本发明的等精度测频电路示意图。
请参见图1，本发明的的等精度测频电路包括第一计数器4、第二计数器5和分频计数器3，其中，被测信号分别和第一D触发器1、第二D触发器2的时钟输入端相连；
所述第一D触发器1的触发端和控制信号START相连，输出端和第一计数器4的使能端、第二计数器5的使能端相连，所述第二D触发器2的触发端和控制信号STOP相连，实现控制信号与被测信号上升沿同步控制；
所述分频计数器3的输出信号和第二D触发器2的输出信号反相相与后和第一计数器4的时钟输入端相连；所述被测信号和第二D触发器2的输出信号反相相与后和第二计数器5的时钟输入端相连。
为了进一步实现测量精度的可调，待测信号可以通过精度调节电路进行处理，精度调节电路可以通过选择不同的分压电阻来改变输入电路的门槛电压从而实现测量精度的可调，如图2所示。四个分压电阻(RS1、RS2、RS3、RS4)都不接通时，电源电压5V加在R1(39K欧姆)和R2(1K欧姆)上，R1分得的门槛电压为
5V÷(39KΩ+1KΩ)*1KΩ＝125mV
此时高于125mV的信号经过比较器输出都为1，低于125mV的信号经过比较器输出都为0，为了保证测量的稳定性，限定用户输入的门槛电压为250mV，测量精度最高；接通分压电阻RS1(20K欧姆)时，RS1和R1并联后的电阻值为13.2K欧姆，此时门槛电压为
5V÷(13.2KΩ+1KΩ)*1KΩ＝350mV
此时高于350mV的信号经过比较器输出都为1，低于350mV的信号经过比较器输出都为0，为了保证测量的稳定性，限定用户输入的门槛电压为500mV，测量精度次高。以此类推，选通不同的分压电阻值即可以实现测量精度的可调。
待测信号可以通过整形电路进行预处理：待测信号通过光耦输入实现输入电路和测量电路的隔离，保证了测量的抗干扰性，经过光电转换之后的信号再经过第一反相器7和第二反相器8实现信号的整形预处理，如图3所示。
图4为本发明的等精度测频率法示意图；图5为本发明的等精度测频率方法流程图。
请参见图4和图5，本发明的等精度测频率方法如下：
1)第一计数器4(16位计数器)和第二计数器5(8位计数器)，高电平允许计数。标准频率信号采用2.5MHZ的信号：将20MHZ的信号从分频计数器3(4位计数器)的时钟输入端C输入经过八分频后转为2.5MHZ的频率信号，该频率信号从第一计数器4的时钟输入端C输入，定义其频率为Fs；被测信号经外部电路整形后从第二计数器5的时钟输入端C输入，测量频率为Fx。
2)第一D触发器1和第二D触发器2对被测信号Fx的上升沿检测，实现控制信号(START/STOP)与Fx上升沿同步。
当START为高电平时，被测信号的上升沿通过第一D触发器1的触发端Q同时启动第一计数器4和第二计数器5，对被测信号Fx和标准频率信号Fs同时计数。当STOP为高电平时，被测信号的上升沿通过第二D触发器5的触发端Q输出高电平信号，该高电平信号取反后与频率信号相与，使得第一计数器4和第二计数器5的输入端C电平保持为低电平，实现同时停止第一计数器和第二计数器的计数。
这样就保证了第二计数器5对被测信号计数刚好为整数个周期，而计数器1对基准信号计数的误差为正负1个脉冲。
3)设在一次门控时间T中对被测信号计数值为Nx，对标准频率信号的计数值为Ns，则被测信号的频率值为:Fx＝(Fs/Ns)×Nx，如图4所示。
4)完成一次测量后，控制芯片发送CLR信号，同时清零第一计数器4和第二计数器。
5)待测信号通过比较器转换成高低电平信号，为了保证信号输入电路不会干扰测量电路，在输入电路和测量电路之间通过光耦进行连接实现光电隔离，经过光电转换之后的信号再通过第一反相器7和第二反相器8进行整形处理。
6)调节比较器6的门槛电压可以实现待测信号的测量精度的调节。通过单片机发送指令，选通不同的分压电阻进而调节门槛电压，实现测量精度的调节。
图6为本发明等精度测频电路及方法在汽轮机转速测试系统中应用示意图。
请继续参见图6，本发明提供的等精度测频电路，可以通过选用型号为XC9572XL的可编程逻辑控制器件，STC12C5A的单片机，LM393的比较器，4N35的光电耦合转换器，74HC14的反相器构建，也可以通过可编程逻辑控制器件(CPLD)构建。下面对采用CPLD计数等精度测频法的系统的性能进行测试，同原来的单位计数法做对比。两个系统都采用STC12C5A芯片、XC9572XL芯片和相同的整形电路，实验系统中通过对相同的信号进行采集，通过数据通讯传输到上位机软件输出显示。检测转速脉冲信号从1转到11000转的采集精度和采集时间。
从上表可知，采用本发明的等精度测频电路和测频方法在采集转速的精度和速度方面的性能都得到了显著的提高，消除了单位时间内计数法带来的脉冲信号个数的误差，显著提高了转速信号采集的准确性和实时性。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。
Claims (5)
1.一种等精度测频电路，包括第一计数器（4）、第二计数器（5）和分频计数器（3），其特征在于，被测信号分别和第一D触发器（1）、第二D触发器（2）的时钟输入端相连；
所述第一D触发器（1）的触发端和控制信号START相连，输出端和第一计数器（4）、第二计数器（5）的使能端相连，所述第二D触发器（2）的触发端和控制信号STOP相连，实现控制信号与被测信号上升沿同步控制；
所述分频计数器（3）的输出信号和第二D触发器（2）的输出信号反相相与后和第一计数器（4）的时钟输入端相连；所述被测信号和第二D触发器（2）的输出信号反相相与后和第二计数器（5）的时钟输入端相连。
2.如权利要求1所述的等精度测频电路，其特征在于，所述被测信号通过光耦输入电路（9），经过光电转换之后的信号再经过第一反相器（7）、第二反相器（8）实现信号的整形预处理后分别和第一D触发器（1）、第二D触发器（2）的输入端相连。
3.一种采用权利要求1所述的等精度测频电路的测频方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
a）当控制信号START为高电平时，被测信号的上升沿通过第一D触发器（1）的输出端（Q）同时启动第一计数器（4）和第二计数器（5），对被测信号和来自分频计数器（3）的标准频率信号同时计数；
b）当控制信号STOP为高电平时，被测信号的上升沿通过第二D触发器（2）的输出端（Q）输出高电平信号，该高电平信号取反后与频率信号相与，使得第一计数器（4）和第二计数器（5）的输入端电平保持为低电平，实现同时停止第一计数器（4）和第二计数器（5）的计数；
c）设在一次门控时间T中对被测信号计数值为Nx，对标准频率信号的计数值为Ns，标准频率信号的频率值为Fs，则被测信号的频率值为：Fx=(Fs/Ns)×Nx。
4.如权利要求3所述的测频方法，其特征在于，所述分频计数器（3）为4位计数器，输入信号采用20MHZ的信号，经过八分频后转为输出2.5MHZ的标准频率信号。
5.如权利要求3所述的测频方法，其特征在于，所述被测信号通过选择不同的分压电阻来改变输入电路的门槛电压从而实现测量精度的调节。
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