CN103308765B - 宽范围、高分辨率频率监测器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种频率监测器，该频率监测器通过以下步骤来提供对于输入信号频率的范围的高分辨率频率监测：测量信号的时间周期以产生原始频率值，然后使用低通滤波器对原始频率值进行滤波以去除在高输入信号频率处由量化效应引起的误差分量。系统自动地适应输入频率的变化，从而消除对基于预期的测量频率而手动调整系统的需要。

Description

宽范围、高分辨率频率监测器

技术领域

本申请总体上涉及用于测量周期信号的频率的频率监测器，具体地涉及可以自动地适应输入频率的宽范围的具有高分辨率的频率监测器。

背景技术

可采用频率监测器来测量周期信号，例如，来自转速计的电脉冲等。低频信号一般测量信号的两个连续周期的信号“特征”（例如，方波脉冲的上升沿或正弦波的过零点）之间的时间。可以通过对这些信号特征的出现之间的高速时钟的“滴答（tick）”进行计数来获得所测量的时间，并且可以对该计数进行倒数变换以获得频率的度量。

随着频率升高，所测量的时钟滴答的数量减小，从而降低了测量的有效分辨率。这种分辨率的降低可以通过增大时钟的分辨率（例如，使用较高的时钟频率）或者通过转换为在给定的单位时间内对信号特征的数量（例如，每秒上升沿或过零点的数量）进行计数的第二种测量方法来避免。该第二种方法提供了随着频率的升高而增加的分辨率，并且在该给定的单位时间内对更多的时钟滴答进行计数。该方法得到频率的直接测量而不需进行倒数变换。

为了适应待测量的各种频率，频率监测器可以具有允许用户设置时钟频率（实际上就是测量的分辨率）或在上述两种频率测量方法之间进行选择的手动设置：（1）对两个脉冲之间的持续时间进行计时或者（2）在给定的持续时间内对脉冲的数量进行计数。

这种手动设置频率监测器或确定输入信号的可能频率的需求在可能不知道关于输入信号的频率的知识并且期望避免对人工干预的需求的自动控制环境中会成问题。

发明内容

本发明提供了一种监测系统，该监测系统采用对连续信号特征之间的间隔进行计时、然后对从该间隔得到的周期或频率值应用时域滤波器的上述第一种方法。随着待测量的信号的频率升高，分辨率的损失表现为测量的高频误差分量，并且该误差分量被滤波器去除。滤波器在去除误差分量方面的有效性随着待测量的信号的频率的增加而提高，从而提供越来越多地被滤波的较高的采样率，实际上，补偿通常与较高频率相关联的降低的分辨率。

然后，具体地，在一个实施例中，本发明提供了一种频率监测器，该频率监测器具有用于接收待测量的信号的输入以及识别信号的与信号的周期相关的规则特征的信号特征提取器。定时器系统与信号特征提取器进行通信以提供作为信号的周期的函数的输出，并且低通滤波器接收该输出以减少输出值的高频波动，从而提供用于监测信号的频率的测量输出。

因此，本发明的至少一个实施例的特征是提供一种频率测量装置，该频率测量装置可以自动地适应输入信号频率的宽范围而无需手动或半自动调整。滤波器使用用于高频输入信号的周期监测技术来平滑地补偿量化误差，否则该量化误差会使频率测量的分辨率降低。

信号可以为方波，并且特征提取器可以为边缘检测器。

因此，本发明的至少一个实施例的特征是提供一种使用鲁棒特征提取器来对常见的方波输入起作用的系统。

定时器系统可以包括测量信号的周期的定时器以及将周期转换成频率的倒数变换器。

因此，本发明的至少一个实施例的特征是当频率是期望的时对更直观的滤波输出的频率信号直接应用滤波器。更一般地，滤波可以发生在倒数变换过程之前以直接作用于推导出的信号周期。

定时器可以为提供周期时钟信号的时钟，该时钟与对来自识别信号的规则特征的信号特征提取器的检测信号之间的周期时钟信号进行计数的计数器进行通信。定时器的输出可以为数字字，并且低通滤波器为数字低通滤波器。

因此，本发明的至少一个实施例的特征是提供一种可以用数字逻辑容易地实现的数字域系统。

可替选地，定时器的输出可以为模拟电压，并且低通滤波器为模拟低通滤波器。

因此，本发明的至少一个实施例的特征是提供一种可以以模拟电路或模拟电路与数字电路的组合来实现的通用系统。

频率监测器还可以包括调整低通滤波器的拐角频率（cornerfrequency）的、到低通滤波器的输入。

因此，本发明的至少一个实施例的特征是允许用户基于频率的预期变化率进行调整以实现分辨率与测量响应之间的灵活折衷。本发明的一些实施例的另一特征是提供对可能导致主信号（primarysignal）中的脉冲丢失的噪声的滤波。

根据以下结合附图进行的详细描述，本发明的大量其他特征、目的和优点将变得明显。

附图说明

图1为工业控制I/O单元的简化透视图，该I/O单元提供可以容纳用于工业过程与工业控制系统之间的通信的多个输入/输出模块的壳体，根据本发明的提供频率监测的一个输入/输出模块被示为监测转速计的频率；

图2为示出特征提取器、定时器、倒数变换器和低通滤波器的图1的频率监测模块的功能部件的框图；

图3为关于相对于内部时钟具有相对低的频率的输入信号的、与时钟和倒数变换器的合成输出的曲线图对准的到特征提取器的输入信号的曲线图；

图4为与图3的图类似的、关于相对于内部时钟具有相对高的频率的输入信号的图；以及

图5为示出滤波器拐角频率的调整及其对输出响应性的影响的图2的框图的局部视图。

具体实施方式

现在参照图1，工业控制I/O单元10可以提供容纳多个模块14的壳体12，多个模块14包括那些支持端子板（terminalblock）、输入和输出电路、电源和网络通信装置的模块。这些模块14中的每个模块均可以在公共背板15上进行通信，该公共背板15向模块14分配电力并且经由网络通信装置在模块14之间以及在I/O单元10与远程工业控制系统（未示出）之间提供数据的通信路径。

频率监测模块14’可以接收输入信号16，例如，方波或来自受控设备（例如，转速计18）上的传感器的其他周期信号，转速计18在附接到旋转机等时提供其频率与转速计18的旋转速率成比例地改变的信号16。其他信号源包括例如光开关等。

现在参照图2，输入信号16可以由模块14'中的特征提取器20接收，该特征提取器20可以从输入信号16中提取与输入信号16的周期相关的规则特征。在方波输入信号16的情况下，特征提取器优选地为检测方波输入信号16的上升沿22的上升沿检测器。将会理解，可以提供其他特征提取系统，例如，那些检测信号16的过零点或信号16的电压或电流的特定电平的、可以用于包括正弦波的其他信号类型的特征提取系统。特征提取器20可以包括本领域已知的类型的预处理电路，该预处理电路包括用于对输入信号16进行放大的缓冲放大器、用于调整输入信号16的振幅的自动增益控制电路、用于从输入信号16中去除噪声的滤波器等。

特征提取器20的输出可以是与检测特征一致并且传递至定时器26和倒数变换器28的一系列脉冲24。定时器26可以包括时钟信号发生器30，时钟信号发生器30以预定的且基本上恒定的频率产生规则的一串脉冲32，这一串脉冲32被施加到对这些脉冲32进行计数的标准数字计数器34的时钟输入端。

特征提取器20的脉冲24可以被施加到计数器34的复位输入端，以使得在所提取的每个特征出现时计算器34开始从零计数。脉冲24也可以引向倒数变换器，该倒数变换器可以用于紧接在其被复位之前捕获并倒数变换计数器34的输出36。因此，由特征抽取器20提取的特征之间的时间（以及因此输入信号16的时间周期）可以由倒数变换器28捕获并接收。通常，在本实施例中，计数器34的输出将为由二进制位表示的数字字，每个二进制位由电压电平表示。

倒数变换器28对输出36执行算术倒数变换（与布尔变换相反）以提供也可以为数字字的测量频率输出38。因此，倒数变换器28根据众所周知的公式将周期转换成频率。

将表示频率的倒数变换器28的输出提供给低通滤波器40，该低通滤波器40执行测量频率输出38的时域低通滤波。低通滤波器40将以与通过时钟线41同步的时钟30相同的速率对测量频率输出38进行采样。本领域的普通技术人员将理解，低通滤波优先使信号的低频分量通过，因此，将易于传递测量频率输出38的缓慢变化并且抑制测量频率输出38的快速变化。例如，低通滤波器40可以是四极无限脉冲响应滤波器。

现在参照图3，当输入信号16的频率相对缓慢（例如，相对于脉冲32）时，在计数器34复位之前，计数器34的输出36会累积至相对高值输出36a。这将与测量频率输出38a的减小的值相对应。此外，频率（例如，由测量频率输出38a表示）的计算将以相对低的速率发生，以提供对信号16的测量频率输出38的变化进行描述的一组频率样本42。该缓慢变化的测量频率输出38当由低通滤波器40接收时通常不受影响地通过以产生校正频率输出47，该校正频率输出47提供输入信号16的频率的高分辨率测量。通常，在测量频率中的任何误差46会非常低，并且为了说明目的而在图3中被放大。

现在参照图4，与图3中所描绘的情形相反，相对高频率的输入信号16将产生相对低的最大计数输出36a和相应较高的测量频率输出38a。计数器34的短计数时间将导致样本42的频率较高以及误差电平46的强加抖动，该抖动由与在计数以低值截取时的总计数成比例的计数过程的高量化误差导致。相比于图3的误差电平46，误差电平46具有较大的振幅和较高的频率。这可以直观地理解，例如，通过考虑由脉冲32表示的时钟信号发生器30的时钟频率何时接近输入信号16的频率以及计数值将在0和表示100％的误差电平46的1之间波动。然而，由于计数器34的相对频繁的复位（诸如，产生样本42），该误差电平46将处于高频，并且因此，低通滤波器40将消除该误差电平46以产生误差电平46基本上减小并从而隐含地具有较高分辨率的平滑校正频率输出47。

重要地，滤波器40的操作基本上是自动的而无需预期输入信号16的频率或进行测量技术的调整。

现在参照图5，取决于根据频率监测模块14'所期望的响应性，低通滤波器40的拐角频率一般将被设置为比脉冲32的频率低几十（例如，拐角频率与时钟30的频率之间可多达四十）。此外，可以将用户输入50提供至滤波器40以在拐角频率52和拐角频率52'之间调整滤波器的拐角频率52。可替选地，可以调整数字滤波器常数，同时保持滤波器采样率50相同。这种调整会影响滤波器输出抖动，但将主要影响校正频率输出47可能变化的速度，并且当期望输入信号16的频率快速变化时，这种调整是重要的考虑因素。通常，当存在测量信号16的频率的步进（step）增加（或减小）时，较高的拐角频率52'将提供校正频率输出47的减少的调整时间54。相反，当存在测量信号16的频率的步进增加（或减小）时，较低的拐角频率52提供校正频率输出47的加长的调整时间56。

仍参照图5，将会理解，计数器34和倒数变换器28可以由模拟电路（例如，使用积分器和对数倒数变换器）或使用数字部件和模拟部件的混合布置来实现，以及/或者可以产生允许使用各种模拟技术而非数字技术来实现滤波器40的模拟计数器输出36'和模拟测量频率输出38'。例如，计数器输出36或倒数变换后的输出38可以被馈送到DAC，并且随后被提供给模拟滤波器。

在具体指出并且清楚地保护被视为本发明的主题的所附权利要求的范围内，设想本发明的各种其他实施例。

关于包括以上各实施例的实施方式，还公开下述附记：

附记：

1.一种频率监测器，包括：

用于接收待测量的信号的输入；

信号特征提取器，识别所述信号的与所述信号的周期相关的规则特征；

定时器系统，与所述信号特征提取器进行通信以提供作为所述信号的周期的函数的输出；以及

低通滤波器，接收所述输出以减少输出值的高频波动，从而提供用于监测所述信号的频率的测量输出。

2.根据附记1所述的频率监测器，其中，所述信号为方波，并且所述特征提取器为边缘检测器。

3.根据附记1所述的频率监测器，其中，所述定时器系统包括测量所述信号的周期的定时器以及将所述周期转换为频率的倒数变换器。

4.根据附记3所述的频率监测器，其中，所述定时器是提供周期时钟信号的时钟，所述时钟与对来自识别所述信号的规则特征的所述信号特征提取器的检测信号之间的周期时钟信号进行计数的计数器进行通信。

5.根据附记4所述的频率监测器，其中，所述时钟的输出为数字字，并且所述低通滤波器为数字低通滤波器。

6.根据附记4所述的频率监测器，其中，所述时钟的输出为模拟电压，并且所述低通滤波器为模拟低通滤波器。

7.根据附记1所述的频率监测器，还包括调整所述低通滤波器的拐角频率的、到所述低通滤波器的输入。

8.根据附记1所述的频率监测器，其中，所述低通滤波器为四极无限脉冲响应滤波器。

9.一种用于监测频率的方法，包括以下步骤：

（a）在输入处接收待测量的信号；

（b）从所述信号中提取所述信号的与所述信号的周期相关的规则特征；

（c）测量由所述规则特征划界的所述信号的周期，并且输出作为所述信号的周期的函数的输出；以及

（d）对所述输出进行滤波以减少所述输出的高频波动，从而提供表示所述信号的频率的测量输出。

10.根据附记9所述的方法，其中，所述信号为方波，并且所述规则特征为所述方波的边缘。

11.根据附记9所述的方法，其中，作为所述信号的周期的函数的所述输出信号为从所测量的信号的周期的倒数变换得到的所测量的信号的频率。

12.根据附记9所述的方法，其中，通过向对所述信号的周期时钟信号的规则特征进行计数的计数器提供所述周期时钟信号来获得所述信号的周期。

13.根据附记12所述的方法，其中，所述时钟的输出为数字字，并且利用数字低通滤波器进行所述滤波。

14.根据附记12所述的方法，其中，所述时钟的输出为模拟电压，并且利用模拟低通滤波器进行所述滤波。

15.根据附记9所述的方法，其中，利用低通滤波器进行所述滤波，并且所述方法包括调整所述低通滤波器的拐角频率的步骤。

16.根据附记15所述的方法，其中，所述低通滤波器为四极无限脉冲响应滤波器。

17.一种用于工业控制系统的输入模块，所述工业控制系统提供具有背板的壳体，所述背板提供电力以及安装在所述壳体内的多个模块之间的数据通信；所述输入模块包括：

用于接收待测量的信号的输入；

信号特征提取器电路，识别所述信号的与所述信号的周期相关的规则特征；

定时器系统电路，与所述信号特征提取器进行通信以提供作为所述信号的周期的函数的输出；

低通滤波器电路，接收所述输出以减少所述输出值的高频波动，从而提供用于监测所述信号的频率的测量输出；以及

输出端子，与工业控制器的所述壳体的背板进行通信以便在其上传送所述测量输出。

Claims (7)

1.一种频率监测器，包括：

用于接收待测量的信号的输入；

信号特征提取器，识别所述信号的与所述信号的周期相关的规则特征；

定时器系统，包括提供周期时钟信号的时钟，所述时钟与对来自识别所述信号的规则特征的所述信号特征提取器的检测信号之间的所述周期时钟信号进行计数的计数器进行通信，所述定时器系统与所述信号特征提取器进行通信以提供作为所述信号的周期的函数的输出；

倒数变换器，接收所述输出并将所述信号的周期转换成频率以提供测量频率输出；

低通滤波器，接收所述测量频率输出以减少所述测量频率输出的高频波动，从而提供用于监测所述信号的频率的校正频率输出，其中，所述低通滤波器与所述时钟进行通信从而以与所述时钟相同的速率对所述测量频率输出进行采样，并且其中，所述低通滤波器包括用于调整所述低通滤波器的拐角频率的输入。

2.根据权利要求1所述的频率监测器，其中，所述信号为方波，并且所述特征提取器为边缘检测器。

3.根据权利要求1所述的频率监测器，其中，所述时钟的输出为数字字，并且所述低通滤波器为数字低通滤波器。

4.根据权利要求1所述的频率监测器，其中，所述时钟的输出为模拟电压，并且所述低通滤波器为模拟低通滤波器。

5.根据权利要求1所述的频率监测器，其中，所述低通滤波器为四极无限脉冲响应滤波器。

6.一种用于监测频率的方法，包括以下步骤：

(a)在电路的输入处接收待测量的电信号；

(b)由所述电路的信号特征提取器电路从所述电信号中提取所述信号的与所述电信号的周期相关的规则特征；

(c)由定时器系统测量由所述规则特征划界的所述电信号的周期，并且输出作为所述电信号的周期的函数的输出，其中所述定时器系统与所述信号特征提取器电路进行通信并且包括提供周期时钟信号的时钟，所述时钟与对来自提取所述电信号的规则特征的所述信号特征提取器电路的检测信号之间的所述周期时钟信号进行计数的计数器进行通信；

(d)对所述输出进行倒数变换并且将所述电信号的周期转换成频率以提供测量频率输出；(e)利用低通滤波器对所述测量频率输出进行滤波以减少所述测量频率输出的高频波动，从而提供表示所述电信号的频率的校正频率输出，其中，所述低通滤波器与所述时钟进行通信从而以与所述时钟相同的速率对所述测量频率输出进行采样；以及

(f)调整所述低通滤波器的拐角频率。

7.一种用于工业控制系统的输入模块，所述工业控制系统提供具有背板的壳体，所述背板提供电力以及安装在所述壳体内的多个模块之间的数据通信；所述输入模块包括：

用于接收待测量的信号的输入；

信号特征提取器电路，识别所述信号的与所述信号的周期相关的规则特征；

定时器系统，包括提供周期时钟信号的时钟，所述时钟与对来自识别所述信号的规则特征的所述信号特征提取器的检测信号之间的所述周期时钟信号进行计数的计数器进行通信，所述定时器系统与所述信号特征提取器进行通信以提供作为所述信号的周期的函数的输出；

倒数变换器，接收所述输出并将所述信号的周期转换成频率以提供测量频率输出；

低通滤波器电路，接收所述测量频率输出以减少所述测量频率输出的高频波动，从而提供用于监测所述信号的频率的校正频率输出，其中，所述低通滤波器与所述时钟进行通信从而以与所述时钟相同的速率对所述测量频率输出进行采样，并且其中，所述低通滤波器包括用于调整所述低通滤波器的拐角频率的输入；以及

输出端子，与工业控制器的所述壳体的背板进行通信以便在其上传送所述校正频率输出。