CN104391176A - 一种兼容电力系统信号软硬件测频电路 - Google Patents

Abstract

一种兼容电力系统信号软硬件测频电路，属于电力系统的电力变换控制系统中对信号的测频技术领域。包括传感器、模拟信号调理电路、片外AD芯片、整形电路、DSP处理器这五部分。传感器采集的信号送到模拟信号调理电路，模拟信号调理电路处理后的信号送到DSP处理器的片内AD或片外AD，处理器DSP与片外AD通过总线方式连接，通过过零点检测的软件算法，计算过零点的时间间隔，以实现软件测频；模拟信号调理电路中，经过电压跟随电路处理后的信号进入整形电路，然后将整形后的信号送到DSP处理器的CAP引脚，通过脉冲计数，以实现硬件测频。优点在于，该电路支持多通道、软硬件测频，结构简单但功能性强，具有良好的兼容性、灵活性、选择性、适用性和高精度。

Description

一种兼容电力系统信号软硬件测频电路

技术领域

本发明属于电力系统的电力变换控制系统中对信号的测频技术领域，特别是涉及一种兼容电力系统信号软硬件测频电路。该电路支持多通道、软硬件测频，结构简单但功能性强，具有良好的兼容性、灵活性、选择性、适用性和高精度。

背景技术

电力系统频率作为衡量电能质量的指标之一，同时也是测量和计算电力谐波、功率因数等指标的基础，因而需加以动态监测，频率测量在电力计量、配电自动化远方终端、继电保护和故障录波等电力自动化装置中运用广泛。现在的频率测量方法，主要分为软件和硬件两种。

软件测频的常用方法有最小二乘法、牛顿类算法、离散卡尔曼滤波算法，离散傅氏算法及其改进算法等。软件方法实现采样频率是利用已采得的离散值(以某一参考频率设定的采样间隔去控制A/D采样)，计算出电力系统的频率，然后来调整采样间隔以适时实现每周波的N个采样点正好均匀地分布在每个工频周期内。软件测频的精度在很大程度上依赖于算法，这种方法虽然成本低，但是同步采样法需要保证采样截断区间正好等于被测连续信号周期的整数倍，需占用一定计算时间。

常用的硬件测量方法有两种:①是由过零比较器、方波形成电路和计数器构成，利用周期或频率测量法实现测频的；②是利用锁相倍频电路在线跟踪系统频率。这种方法虽然不需占用处理器的时间，但都需增加硬件测频电路，误差随器件的增加和系统使用的老化而增加；且易受器件零点漂移和谐波的影响，占用计算机外部中断口。

发明内容

本发明的目的在于提供一种兼容电力系统信号软硬件测频电路，解决了误差随器件的增加和系统使用的老化而增加的问题。

本发明包括传感器、模拟信号调理电路、片外AD芯片、整形电路、DSP处理器这五部分。传感器采集的信号送到模拟信号调理电路，模拟信号调理电路处理后的信号送到DSP处理器的片内AD或片外AD，处理器DSP与片外AD通过总线方式连接，通过过零点检测的软件算法，计算过零点的时间间隔，以实现软件测频；模拟信号调理电路中，经过电压跟随电路处理后的信号进入整形电路，然后将整形后的信号送到DSP处理器的CAP引脚，通过脉冲计数，以实现硬件测频；片内、片外AD以及整形电路三者互为备用，均可作为硬件处理待测频信号的电路。

为解决上述问题，本发明进一步叙述如下：

软件测频方法是通过使用DSP对传感器测量的信号进行AD采样，然后利用软件算法处理采样得到的离散值，以计算信号频率；硬件测频方法是通过硬件电路将传感器测量得的交流信号整形为方波，再通过DSP的CAP引脚对方波信号上升沿的捕获来计算信号频率。

针对上述方法提供一种信号测频电路，其中与软件测频对应的电路部分，为信号采集电路、模拟信号调理电路、外扩AD芯片；与硬件测频对应的电路部分，为信号采集电路、模拟信号调理电路的电压跟随部分、整形电路和DSP处理器芯片。软件测频电路与硬件测频电路重复的部分，为二者的共用电路。

所述测频电路中，各部分的连接关系是，信号采集电路与模拟信号调理电路相连，调理电路与外扩AD或DSP处理器的AD采样引脚相连，片外AD与DSP处理器相连；模拟信号调理电路中电压跟随的输出与整形电路相连，整形电路与DSP的捕获CAP引脚相连。DSP处理器芯片的型号为TMSF2812，外扩AD芯片为AD7606。

所述测频电路中，信号采集电路为通过霍尔传感器采集主回路中电压和电流模拟信号，再将模拟信号送给信号调理电路。霍尔电压传感器型号为LV25-P，霍尔电流传感器是LA100-P。

所述测频电路中，模拟信号采样电路分为四部分：电压跟随、电压放大、电压偏置、信号滤波。压跟随电路由运算放大器OP07构成，其负输入端与输出端相连。电压放大器由运放LF353构成，在其输出端和负输入端之间接滑线变阻器，以调节调理电压的幅值大小。电压偏置电路采用LF353。信号滤波电路为简单的RC滤波器，由电阻和电容组成。

所述测频电路中，整形电路由电压比较器LM311构成，正负输入端均加RC滤波电路，采用电源电压为±15V，并在电压比较器的正输入端与输出端之间接62k欧姆的电阻，构成正反馈。

有益效果：

本发明不仅能够满足不同场合的信号测频，还支持对多路被测量进行信号测频的功能，在信号测频的过程中，不影响信号采样和控制计算，占用系统资源少，结构简单但功能性强，提高了整个电路板的灵活性、选择性、可靠性和稳定性。

附图说明

图1是本发明的通用型信号测频电路整体示意图。

图2是本发明的软件测频程序流程图。

图3是本发明的整形电路的原理图。其中，R1、R2、R3.为普通电阻，C1.陶瓷电容，U1.电压比较器，input.信号输入端，out.信号输出端。

图4是本发明的硬件测频程序流程图。

图5是本发明的硬件测频原理图。其中，Ns.为标准信号频率的周期数，Tx.被测信号的周期。

具体实施方式

本发明包括传感器、模拟信号调理电路、片外AD芯片、整形电路、DSP处理器这五部分。传感器采集的信号送到模拟信号调理电路，模拟信号调理电路处理后的信号送到DSP处理器的片内AD或片外AD，处理器DSP与片外AD通过总线方式连接，通过过零点检测的软件算法，计算过零点的时间间隔，以实现软件测频；模拟信号调理电路中，经过电压跟随电路处理后的信号进入整形电路，然后将整形后的信号送到DSP处理器的CAP引脚，通过脉冲计数，以实现硬件测频；片内、片外AD以及整形电路三者互为备用，均可作为硬件处理待测频信号的电路。为解决上述问题，本发明的技术方案是：

软件测频方法是通过使用DSP对传感器测量的信号进行AD采样，然后利用软件算法处理采样得到的离散值，以计算信号频率；硬件测频方法是通过硬件电路将传感器测量得的交流信号整形为方波，再通过DSP的CAP引脚对方波信号上升沿的捕获来计算信号频率。

某通用型信号测频电路设计，它包括以下步骤：

如图1所示，先用电压传感器采集输入的电压，再通过电压跟随电路以提高带负载能力。在对采样信号进行测频前，先对信号进行处理，这里有两种方法：一种是不改变信号的波形，将采样信号通过调理电路，进行整型、放大、滤波，使其与采样芯片的管脚电平相兼容；另一种是经过信号调理电路的电压跟随器缓冲、隔离后，将输入信号转化为方波。

对于前者，先用可以测量任意波形的电流和电压参量的LA-100和LV25-P型霍尔传感器采集输入的信号，再通过电压跟随电路以提高带负载能力。将采样信号通过调理电路，进行电压跟随、电压放大、电平偏置和滤波，使其与采样芯片的管脚电平相兼容。

在对经调理电路处理后的信号进行AD采样时，可利用DSP2812芯片的内置单极性AD，亦可外扩高精度、双极性、16位采样精度的AD7606芯片；采样过程如图2所示，先对AD进行初始化，待AD转换完成后，读取转换后的数字离散信号，建立频率计算算法程序，根据不同的频率精度和计算速度要求采用不同的算法，采用最小二乘法、牛顿类算法、离散卡尔曼滤波算法或离散傅氏算法等频率算法对采样值进行处理，计算采样信号的频率。

后者是通过整形电路将输入信号等转化为方波，如图3所示，输入信号先经过RC滤波器，滤波后的信号通过电压比较器LM311与零电位进行比较：输入信号小于零时，输出高电平；当信号电压大于零时，输出低电平；在输出和LM311的2号管脚之间加入62k欧姆的电阻，构成正反馈，以增加比较电路的抗干扰能力。在DSP内，对采样信号的频率计算过程如图4所示，首先初始化与CAP相关的寄存器并使能捕获功能，在捕获到采样信号的上升沿时，进入CAP中断，在中断中进行如图5所示的频率计算，由于在被测信号的一个周期Tx内T1的时钟走过了Ns个周期，则被测信号的频率fx＝1/(T1*Ns)＝fs/Ns，其中fs为事件管理器EVA的时钟T1的频率。

软硬件测频方法的切换只需通过DSP内部模块的软件初始化和使能，无需硬件电路的改变，即能灵活地适应满足不同的工作模式需求，又能满足电力系统测频的精度。

该电路的工作模式如下：

①在DSP的CPU使用率较高和低精度的场合，可以用硬件方法进行信号测频，与信号采样互相独立；

②在对精度要求较高的场合，可以利用片内AD采样和软件算法进行测频；

③在对精度要求更高的场合，可以利用片外AD采样提高采样的精度，采用高精度算法计算信号频率。

各工作模式之间的转换只需在DSP中使能与该硬件电路相连的管脚对应的计算程序，无需硬件电路的二次调整，更加简单和方便。

Claims (7)

1.一种兼容电力系统信号软硬件测频电路，其特征在于，包括传感器、模拟信号调理电路、片外AD芯片、整形电路、DSP处理器；传感器采集的信号送到模拟信号调理电路，模拟信号调理电路处理后的信号送到DSP处理器的片内AD或片外AD，处理器DSP与片外AD通过总线方式连接，通过过零点检测的软件算法，计算过零点的时间间隔，以实现软件测频；模拟信号调理电路中，经过电压跟随电路处理后的信号进入整形电路，然后将整形后的信号送到DSP处理器的CAP引脚，通过脉冲计数，以实现硬件测频；片内、片外AD以及整形电路三者互为备用，均可作为硬件处理待测频信号的电路。 

所述的软件测频是通过使用DSP处理器对传感器测量的信号进行AD采样，然后利用软件算法处理采样得到的离散值，以计算信号频率； 

所述的硬件测频是通过硬件电路将传感器测量得的交流信号整形为方波，再通过DSP处理器的CAP引脚对方波信号上升沿的捕获来计算信号频率； 

与软件测频对应的电路为信号采集电路、模拟信号调理电路、外扩AD芯片；与硬件测频对应的电路为信号采集电路、模拟信号调理电路的电压跟随部分、整形电路和DSP处理器芯片；软件测频电路与硬件测频电路重复的部分，为二者的共用电路； 

信号采集电路与模拟信号调理电路相连，调理电路与外扩AD或DSP处理器的AD采样引脚相连，片外AD与DSP处理器相连；模拟信号调理电路中电压跟随的输出与整形电路相连，整形电路与DSP的捕获CAP引脚相连。 

2.根据权利要求1所述的测频电路，其特征在于，所述的DSP处理器芯片的型号为TMSF2812，外扩AD芯片为AD7606。 

3.根据权利要求1所述的测频电路，其特征在于，所述的信号采集电路为通过霍尔传感器采集主回路中电压和电流模拟信号，再将模拟信号送给信号调理电路。 

4.根据权利要求3所述的测频电路，其特征在于，所述的霍尔电压传感器型号为LV25-P，霍尔电流传感器是LA100-P。 

5.根据权利要求1所述的测频电路，其特征在于，所述的模拟信号采样电路分为四部分：电压跟随电路、电压放大电路、电压偏置电路、信号滤波电路；压跟随 电路由运算放大器OP07构成，其负输入端与输出端相连；电压放大器由运放LF353构成，在其输出端和负输入端之间接滑线变阻器，以调节调理电压的幅值大小。 

6.根据权利要求5所述的测频电路，其特征在于，所述的电压偏置电路采用LF353；信号滤波电路为RC滤波器，由电阻和电容组成。 

7.根据权利要求1所述的测频电路，其特征在于，所述的整形电路由电压比较器LM311构成，正负输入端均加RC滤波电路，采用电源电压为±15V，并在电压比较器的正输入端与输出端之间接62k欧姆的电阻，构成正反馈。