CN102749508A - 频率测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种频率测量装置和方法，属于电力系统技术领域。其中，一种频率测量装置包括：中央处理单元，分别与所述中央处理单元连接的滤波电路和定时器；所述滤波电路用于将正弦波电信号转换为与所述正弦波电信号同周期的方波电信号；所述定时器用于记录所述方波电信号翻转的发生时刻；所述中央处理单元用于接收所述滤波电路输出的所述方波电信号，读取所述定时器记录的所述发生时刻并确定所述方波电信号的翻转周期，根据所述翻转周期确定所述正弦波电信号的频率。本发明将正弦波电信号转换为与其周期相同的方波电信号，由于对方波电信号翻转捕捉的硬件实现方便，且具有较高的处理精度和速度，因而提高了正弦波电信号频率测量的效率。

Description

频率测量装置和方法

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，特别是涉及一种频率测量装置和方法。

背景技术

电力系统的频率反映了发电机组发出的有功功率与负荷所需有功功率的平衡情况。失去频率稳定性，会使电力系统频率崩溃而招致电力系统不能正常工作。因此，电力系统频率稳定近年来受到电力工程界广泛关注。

频率测量的准确性在保障现代电力系统的运行中起着重要的作用。但如何提高频率测量的效率，目前尚缺少有效的解决方案。

发明内容

本发明提供一种频率测量装置和方法，用以提高正弦波电信号频率测量的效率。

本发明提供了一种频率测量装置，包括：

中央处理单元，分别与所述中央处理单元连接的滤波电路和定时器；

所述滤波电路用于将正弦波电信号转换为与所述正弦波电信号同周期的方波电信号；

所述定时器用于记录所述方波电信号翻转的发生时刻；

所述中央处理单元用于接收所述滤波电路输出的所述方波电信号，读取所述定时器记录的所述发生时刻并确定所述方波电信号的翻转周期，根据所述翻转周期确定所述正弦波电信号的频率。

本发明还提供了一种频率测量方法，包括：

滤波电路将正弦波电信号转换为与所述正弦波电信号同周期的方波电信号；

中央处理单元接收所述滤波电路输出的所述方波电信号并初始化定时器；

所述定时器记录所述方波电信号翻转的发生时刻；

所述中央处理单元读取所述定时器记录的所述发生时刻并确定所述方波电信号的翻转周期，根据所述翻转周期确定所述正弦波电信号的频率。

本发明提供的频率测量装置和方法中，通过滤波电路将正弦波电信号转换成与其同周期的方波电信号，定时器记录方波电信号翻转的发生时刻，由中央处理单元根据定时器记录的数据确定方波电信号的翻转周期。由于方波电信号的翻转周期等于正弦波电信号的周期，因而可间接测量出正弦波电信号的频率。可见，本实施例将正弦波电信号转换为与其周期相同的方波电信号，由于对方波电信号翻转捕捉的硬件实现方便，且具有较高的处理精度和速度，因而提高了正弦波电信号频率测量的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的频率测量装置的结构示意图；

图2为本发明另一实施例提供的滤波电路的结构示意图；

图3为本发明另一实施例提供的频率测量方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

电力系统中，动态“频率”普遍沿用物理学和电工学对标准正弦交流电频率，即“频率”指的是每秒变化的周期数的定义，本发明正是基于该频率的定义测量频率，具体而言是采样周期法进行频率的测量，其理论机理分析如下：

交流电信号通常具有正弦波特性，因而本发明将具有正弦波特性的模拟电信号称为正弦波电信号。正弦波电信号半波瞬时值大于零，瞬时值为正；而另半波瞬时值小于零，瞬时值为负，即正弦波电信号每半周就有过零点出现，分别为由瞬时值正入负和瞬时值由负入正。根据正弦波电信号的瞬时值变化特性，可采用以下两种方式测量正弦波电信号的周期时间：一是捕捉瞬时值由正入负的过零点时刻和瞬时值由负入正的过零点时刻，两时刻之差的两倍即为周期；二是捕捉瞬时值先后两个由正入负，或由负入正的过零点时刻，两时刻之差即为周期。由频率的定义：频率＝1/周期可知，通过测得正弦波的周期即可间接得到交流电信号的频率。但正弦波电信号过零点捕捉在硬件上不易实现，其测量的精度和速度都难以保证，频率测量的效率较低。为提高正弦波电信号频率测量效率，本发明根据交流模拟量的上述正弦波特性，将正弦波电信号转换为与正弦波电信号同周期的方波电信号，通过记录方波电信号翻转的发生时刻以确定方波电信号的翻转周期。由于方波电信号的翻转周期等于正弦波电信号的周期，因此根据公式频率＝1/周期即可间接测量出正弦波电信号的频率。下面结合具体实施例和附图详细描述本发明的技术方案。

图1为本发明一实施例提供的频率测量装置的结构示意图。如图1所示，本实施例提供的频率测量装置包括：中央处理单元(Central Processing Unit，简称CPU)1、滤波电路2和定时器3；滤波电路2和定时器3分别与中央处理单元1连接。

其中，滤波电路2用于将正弦波电信号转换为与所述正弦波电信号同周期的方波电信号；定时器3用于记录所述方波电信号翻转的发生时刻；中央处理单元1用于接收滤波电路2输出的方波电信号，读取定时器3记录的方波电信号翻转的发生时刻并确定该方波电信号的翻转周期，根据方波电信号的翻转周期确定正弦波电信号的频率。

可选的，滤波电路2可包括比较器和波形变换电路。比较器的两个输入端分别输入正弦波电信号和参考电信号，如比较器的正相输入端输入正弦波电信号，其负相输入端输入参考电信号，其输出端经波形变换电路与中央处理单元连接。比较器对其两个输入端分别输入的正弦波电信号和参考电信号进行电压大小的比较，如果正相输入端输入的电压高于负相输入端输入的电压，则比较器的输出端输出高电平；反之，如果正相输入端输入的电压低于负相输入端输入的电压，则比较器的输出端输出低电平。比较器的输出电信号经输入波形变换电路，波形变换电路滤除比较器输出电信号中的噪声，即可把正弦波电信号转换为与正弦波电信号周期相同的方波电信号。

当本实施例频率测量装置正常运行时，中央处理单元1捕捉比较器输出的方波电信号，之后由定时器对方波电信号翻转的发生时刻进行记录。可选的，定时器可记录方波电信号相邻两个上升沿的发生时刻，或者记录相邻两个下降沿的发生时刻。中央处理单元读取定时器记录的数据，并计算方波电信号相邻两个上升沿或相邻两个下降沿的时间间隔，该时间间隔即为方波电信号的翻转周期。或者，定时器还可记录方波电信号相邻上升沿和下降沿的发生时刻；中央处理单元读取定时器记录的数据，并计算方波电信号相邻上升沿和下降沿的时间间隔，该时间间隔的两倍即为方波电信号的翻转周期。由于方波电信号的翻转周期等于正弦波电信号的周期，因此中央处理单元根据公式频率＝1/周期即可计算出正弦波电信号的频率。在本实施例频率测量装置初始运行时，可由中央处理单元1根据比较器输出的方波电信号对定时器进行初始化设置。本领域普通技术人员可以理解，由中央处理单元1对定时器2的初始化设置只需上电一次，而频率测量的其他过程可循环重复执行。

本领域普通技术人员可以理解，本实施例频率测量的过程可连续执行，定时器的具体实现也不受限制。例如在一个应用实例中，定时器可包括多个寄存器，如包括初值寄存器、计数输出寄存器和计数寄存器。中央处理可访问初值寄存器和计数输出寄存器，不可访问计数寄存器。初值寄存器记录计数的初始值。计数器执行循环计数。计数输出寄存器记录计数器的当前计数值。当方波电信号的上升沿或下降沿到来时，计数寄存器执行计数，计数输出寄存器向中央处理单元输出中断信号，中央处理单元读取计数输出寄存器记录的计数值，同时触发计数输出寄存器记录计数器记录的下一计数值。可以理解，该实例仅仅为本发明定时器的一种具体实施方式，可实现方波电信号翻转发生时刻计数的其他结构也可应用到本发明中，该实例不应理解为对本发明技术实质的限制。

通过上述分析可知，本实施例提供的频率测量装置中，通过滤波电路将正弦波电信号转换成与其同周期的方波电信号，定时器记录方波电信号翻转的发生时刻，由中央处理单元根据定时器记录的数据确定方波电信号的翻转周期。由于方波电信号的翻转周期等于正弦波电信号的周期，因而可间接测量出正弦波电信号的频率。本实施例对方波电信号翻转捕捉的硬件实现方便，且具有较高的处理精度和速度，因而提高了正弦波电信号频率测量的效率。

图2为本发明另一实施例提供的滤波电路的结构示意图。本实施例提供的滤波电路可应用到图1对应实施例提供的频率测量装置中，作为图1对应实施例提供的频率测量装置中滤波电路的一个具体实施方式。如图2所示的滤波电路右边为正弦波电信号的输入端，左边为方波电信号的输出端，该输出端可与图1所示的中央处理单元连接。滤波电路包括比较器21、波形变换电路22和干扰滤除电路23。

其中，干扰滤除电路23用于滤除正弦波电信号中的噪声；正弦波电信号经干扰滤除电路，与比较器21的输入端连接。可选的，干扰滤除电路23包括：第一电阻R1和第一电容C1。正弦波电信号经第一电阻R1输入比较器21的正相输入端(+)，参考电信号，如接地信号(GND)经第三电阻输入比较器21的负相输入端(-)，比较器的正相输入端(+)和反相输入端(-)之间连接第一电容C1。比较器的正相输入端还可通过第四电阻R4接地进行分流保护。第一电阻R1和第一电容C1的阻值，可根据实际电路中正弦波电信号的强弱或频率设计。对于频率较高的正弦波电信号，第一电阻R1和第一电容C1的阻值较小；反之，对于频率较低的正弦波电信号，第一电阻R1和第一电容C1的阻值较大。对于峰值较高的正弦波电信号，第一电阻R1和第一电容C1的阻值较小；反之，对于峰值较低的正弦波电信号，第一电阻R1和第一电容C1的阻值较大。

波形变换电路23的输入端与交换器21的输出端连接，且波形变换电路23的输出端与中央处理单元的输入端连接。其中，波形变换电路23用于滤除比较器21的输出电信号中的噪声以形成输入中央处理单元的方波电信号。可选的，波形变换电路23包括：第二电阻R2、第二电容C2和施密特触发器231，其中，第二电阻R2和第二电容C2分别与施密特触发器231并联，且第二电阻R2和第二电容C2的并联点与比较器21的输出端连接；施密特触发器231的输出端与中央处理单元连接。利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓慢的周期性电信号变换为边沿很陡的方波电信号。在实际应用过程中，第二电阻R2的阻值、第二电容C2的电容值、以及施密特触发器231的具体型号，可根据实际电路需要设计。对于频率较高的电信号，第二电阻R2和第二电容C2的阻值较小；反之，对于频率较低的电信号，第二电阻R2和第二电容C2的阻值较大。对于峰值较高的电信号，第二电阻R2和第二电容C2的阻值较小；反之，对于峰值较低的电信号，第二电阻R2和第二电容C2的值较大。

例如：在一个应用实例中，对于处理峰值为有效值

倍的正弦波电信号的滤波电路中，第一电阻R1和第一电容C1的阻值分别为10k、0.1uF；第二电阻R2和第二电容C2的值可分别为10k、0.047uF；第三电阻R3和第四电阻R4的阻值均为10k，且施密特触发器231可选用型号为74HC14的触发器；比较器可选用型号为LM293ADR比较器。需要说明的是，以上实例仅仅是滤波电路的一个具体实施方式，不能理解为对其技术实质的限制。

本实施例滤波电路输出的方波电信号输入到中央处理单元，中央处理单元和定时器配合实现正弦波电信号频率测量的实现机理，可参见图1对应实施例的相应文字记载，在此不再赘述。

本实施例提供的滤波电路中，通过在比较器的输入端设计干扰滤波电路，可滤除正弦波电信号中的噪声；滤除了噪声的正弦波电信号经比较器可转换为与正弦波电信号周期相同的输出电信号；比较器输出电信号再经波形变换电路滤除噪声，并变换为边沿变化很陡的方波电信号。由于正弦波电信号经过波形变换后的方波电信号上升沿或下降沿较为明显，因此方波电信号发生翻转的事件较易捕捉，因此有利于提高方波电信号周期测量的精度以及正弦波电信号频率的计算速度，从而进一步提高了正弦波电信号频率测量的效率。

图3为本发明另一实施例提供的频率测量方法的流程图。如图3所示，本实施例提供的频率测量方法包括：

步骤31：滤波电路将正弦波电信号转换为与该正弦波电信号同周期的方波电信号。

可选的，滤波电路可包括比较器和波形变换电路。本步骤通过滤波电路将正弦波电信号转换为与正弦波电信号同周期的方波电信号，可进一步包括：正弦波电信号通过比较器转换为高低电平的输出电信号；比较器的输出电信号通过波形变换电路变换为与正弦波电信号同周期的方波电信号。

具体的，比较器的两个输入端可分别输入正弦波电信号和参考电信号，如比较器的正相输入端输入正弦波电信号，其负相输入端输入参考电信号，其输出端经波形变换电路与中央处理单元连接。比较器对其两个输入端分别输入的正弦波电信号和参考电信号进行电压大小的比较，如果正相输入端输入的电压高于负相输入端输入的电压，则比较器的输出端输出高电平；反之，如果正相输入端输入的电压低于负相输入端输入的电压，则比较器的输出端输出低电平。比较器的输出电信号经输入波形变换电路，波形变换电路滤除比较器输出电信号中的噪声，即可把正弦波电信号转换为与正弦波电信号周期相同的方波电信号。

步骤32：中央处理单元接收滤波电路输出的方波电信号。

中央处理单元接收滤波电路输出的方波电信号。当中央处理单元捕捉到方波电信号的某一上升沿或某一下降沿到来时，初始化定时器；定时器记录该上升沿或该下降沿的发生时刻。本领域普通技术人员可以理解，由中央处理单元对定时器的初始化设置只需上电一次，而频率测量的其他过程可循环重复执行。

步骤33：定时器记录方波电信号翻转的发生时刻。

在中央处理单元完成定时器的初始化设置之后，定时器开始记录方波电信号翻转的发生时刻。可选的，定时器可记录方波电信号相邻两个上升沿的发生时刻、相邻两个下降沿的发生时刻、或相邻上升沿和下降沿的发生时刻。

步骤34：中央处理单元读取定时器记录的方波电信号翻转的发生时刻、并确定方波电信号的翻转周期，根据方波电信号的翻转周期确定正弦波电信号的频率。

如果预先设置定时器记录的是两个相邻上升沿的发生时刻，则定时器在下一相邻上升沿到来时，可向中央处理单元发送一中断信号。中央处理单元接收该中断信号后会读取定时器记录的当前上升沿的发生时刻，并将当前上升沿的发生时刻，与中央处理单元已读取的前一相邻上升沿的发生时刻进行比较，计算这两个时刻之间的差值，该差值即为方波电信号的翻转周期。

如果预先设置定时器记录的是两个相邻下降沿的发生时刻，则定时器在下一相邻下降沿到来时，可向中央处理单元发送一中断信号。中央处理单元接收该中断信号后会读取定时器记录的当前下降沿的发生时刻，并将当前下降沿的发生时刻，与中央处理单元已读取的前一相邻下降沿的发生时刻进行比较，计算这两个时刻之间的差值，该差值即为方波电信号的翻转周期。

如果预先设置定时器记录的是相邻上升沿和下降沿的发生时刻，则定时器在记录某一上升沿的发生时刻之后，当下一相邻下降沿到来时，可向中央处理单元发送一中断信号。中央处理单元接收该中断信号后会读取定时器记录的当前上升沿的发生时刻，并将当前上升沿的发生时刻，与中央处理单元已读取的前一相邻下降沿的发生时刻进行比较，计算这两个时刻之间的差值，该差值的2倍即为方波信号的翻转周期；或者，中央处理单元接收该中断信号后会读取定时器记录的当前下降沿的发生时刻，并将当前下降沿的发生时刻，与中央处理单元已读取的前一相邻上升沿的发生时刻进行比较，计算这两个时刻之间的差值，该差值的2倍即为方波电信号的翻转周期。

通过上述任一方法均可得到方波电信号的翻转周期。由于方波电信号和正弦波电信号周期相同，因此根据公式频率＝1/周期，即可得到正弦波电信号的频率。

本领域普通技术人员可以理解：本实施例上述流程仅为一次频率测量流程的示例，在实际应用过程中，可通过硬件设计实现方波电信号翻转周期的连续测量，进而实现正弦波电信号频率的连续测量。有关硬件设计实例可参见图1对应实施例的相应记载，在此不再赘述。

本实施例提供的频率测量方法中，通过滤波电路将正弦波电信号转换成与其同周期的方波电信号，定时器记录方波电信号翻转的发生时刻，由中央处理单元根据定时器记录的数据确定方波电信号的翻转周期。由于方波电信号的翻转周期等于正弦波电信号的周期，因而可间接测量出正弦波电信号的频率。本实施例实现方法简单，具有较高的处理精度和速度，因而提高了正弦波电信号频率测量的效率。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种频率测量装置，其特征在于，包括：

中央处理单元，分别与所述中央处理单元连接的滤波电路和定时器；

所述滤波电路用于将正弦波电信号转换为与所述正弦波电信号同周期的方波电信号；

所述定时器用于记录所述方波电信号翻转的发生时刻；

所述中央处理单元用于接收所述滤波电路输出的所述方波电信号，读取所述定时器记录的所述发生时刻并确定所述方波电信号的翻转周期，根据所述翻转周期确定所述正弦波电信号的频率。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述定时器具体用于记录所述方波电信号相邻两个上升沿、相邻两个下降沿、或相邻上升沿和下降沿的发生时刻。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述滤波电路包括比较器和波形变换电路；

所述比较器的两个输入端分别输入所述正弦波电信号和参考电信号，所述比较器的输出端与所述波形变换电路的输入端连接；

所述波形变换电路用于滤除所述比较器的输出电信号中的噪声以形成所述方波电信号，所述波形变换电路的输出端与所述中央处理单元的输入端连接。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述滤波电路还包括：

所述干扰滤除电路，用于滤除所述正弦波电信号中的噪声；所述正弦波电信号经所述干扰滤除电路，与所述比较器的输入端连接。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，

所述比较器包括正相输入端和反相输入端，所述干扰滤除电路包括第一电阻和第一电容；

所述正弦波电信号经所述第一电阻输入所述正相输入端，所述参考电信号经第三电阻输入所述负相输入端，所述正相输入端和所述反相输入端之间连接所述第一电容。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，

所述波形变换电路包括：第二电阻、第二电容和施密特触发器；

所述第二电阻和所述第二电容分别与所述施密特触发器并联，且所述第二电阻和所述第二电容的并联点与所述比较器的输出端连接；

所述施密特触发器的输出端与所述中央处理单元连接。

7.一种频率测量方法，其特征在于，包括：

滤波电路将正弦波电信号转换为与所述正弦波电信号同周期的方波电信号；

中央处理单元接收所述滤波电路输出的所述方波电信号；

所述定时器记录所述方波电信号翻转的发生时刻；

所述中央处理单元读取所述定时器记录的所述发生时刻并确定所述方波电信号的翻转周期，根据所述翻转周期确定所述正弦波电信号的频率。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述定时器记录所述方波电信号翻转的发生时刻，包括：

所述定时器记录所述方波电信号相邻两个上升沿、相邻两个下降沿、或相邻上升沿和下降沿的发生时刻。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述滤波电路包括比较器和波形变换电路；所述滤波电路将正弦波电信号转换为与所述正弦波电信号同周期的方波电信号，包括：

所述正弦波电信号通过所述比较器转换为高低电平的输出电信号；

所述输出电信号通过所述波形变换电路变换为与所述正弦波电信号同周期的所述方波电信号。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述正弦波电信号通过所述比较器转换为高低电平的输出电信号之前，所述方法还包括：

通过干扰滤除电路滤除所述正弦波电信号中的噪声。