CN112710897A - 一种频率测量电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种频率测量电路，包括：滤波模块、比较器模块、锁相环模块、频率测量模块和控制模块，滤波模块的输入端连接被测电路；比较器的输入端连接滤波模块的输出端；锁相环模块包括锁相电路和分频电路，锁相电路的输入端连接比较器的输出端，分频电路的输入端与锁相电路的输出端连接，分频电路的输出端连接锁相电路，分频电路的输出端连接锁相电路的比较输入端；频率测量模块的输入端连接锁相电路的输出端，用于测量并输出信号的频率；控制模块控制滤波模块、锁相模块和频率测量模块。本发明提高了频率测量电路的抗干扰能力强，达到了频率测量电路更加精准的效果。
Description
技术领域
本发明实施例涉及电力系统测量与监控技术，尤其涉及一种频率测量电路。
背景技术
随着分布式电源技术的不断发展，分布式电源组成的微电网如今已经可在脱离大电网后持续为负荷供电，这样的分布式电源可大大提高清洁能源的利用率和供电可靠性。然而微电网失去大电网的频率支撑，其运行频率可能发生变化，这将导致出现计量误差甚至用电设备损坏，成为直接影响微电网安全稳定运行的重要因素。
为了有效检测微电网的频率，从而及时的对频率偏差进行控制，高精度频率检测电路对于微电网中保护测控装置变得尤为重要。但是微电网中的电压波动、谐波等问题的存在使得传统的基于过零点计数的频率测量电路出现较大误差，无法满足微电网的要求。
发明内容
本发明提供一种频率测量电路，以提高频率测量电路的抗干扰能力强，达到了频率测量电路更加精准的效果。
本发明实施例提供了一种频率测量电路，包括：滤波模块、比较器模块、锁相环模块、频率测量模块和控制模块；所述滤波模块包括输入端和输出端，所述滤波模块的输入端连接被测电路；所述比较器模块包括输入端和输出端，所述比较器模块的输入端连接所述滤波模块的输出端；所述锁相环模块包括锁相电路和分频电路，所述锁相电路的输入端连接所述比较器模块的输出端，所述分频电路的输入端与所述锁相电路的输出端连接，所述分频电路的输出端连接所述锁相电路的比较输入端；所述频率测量模块包括输入端和输出端，所述频率测量模块的输入端连接锁相电路的输出端，用于测量并输出信号的频率；所述控制模块控制所述滤波模块、锁相模块和所述频率测量模块。
可选地，所述的频率测量电路还包括：电源模块，所述电源模块连接所述滤波模块、比较器模块、锁相模块和频率测量模块，为所述滤波模块、比较器模块、锁相模块和频率测量模块供电。
可选地，所述锁相电路输出的信号的频率倍数与所述分频电路的分频数相同，所述倍率倍数和分频数由控制模块控制。
可选地，所述滤波模块包括低通滤波器，所述低通滤波器包括椭圆滤波芯片，所述椭圆滤波芯片包括输入端、输出端和截止频率调节信号输入端；其中，所述椭圆滤波芯片的输入端和输出端分别作为所述滤波模块的输入端和输出端；所述椭圆滤波芯片的输入端，用于接收被测电路输入的幅值小于5V的信号；所述椭圆滤波芯片的输出端连接所述比较器模块的输入端，用于输出滤波处理后的模拟量信号；所述截止频率调节信号输入端连接所述控制器，用于接收所述控制器发出的截止频率调节信号，所述控制器发出的截止频率调节信号为占空比为50％的方波。
可选地，所述椭圆滤波芯片采用型号为LTC1069-1的椭圆滤波芯片，所述型号为LTC1069-1的椭圆滤波芯片的截止频率为所述截止频率调节信号频率的0.01倍。
可选地，所述比较器模块还包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一放大器和第二放大器；其中，所述第一电阻的一端连接电源模块，另一端连接所述第二放大器的正向输入端；所述第二电阻连接于所述第一放大器的输出端和第二放大器的正向输入端之间；所述第一放大器的正向输入端作为所述比较器的输入端，用于接收所述滤波处理后的模拟量信号；所述第一放大器的反向输入端接地；所述第二放大器的反向输入端和输出端短接；所述第三电阻的一端连接所述第二放大器的输出端，另一端连接所述比较器模块的输出端；所述第四电阻的一端作为所述比较器模块的输出端，用于输出+3.3V至+5V的单极性方波信号，另一端接地。
可选地，所述第一放大器和第二放大器采用型号为AD8030的运算放大器。
可选地，所述锁相电路包括锁相环芯片，所述锁相环芯片包括输入端、比较输入端和输出端；所述分频电路包括同步计数器芯片,所述同步计数器芯片包括输入端和输出端；其中，所述锁相环芯片的输入端、输出端和比较输入端分别作为所述锁相电路的输入端、输出端和比较输入端，所述同步计数器芯片的输入端和输出端分别作为所述分频电路的输入端和输出端。
可选地，所述锁相环芯片采用型号为SN74HC4046的锁相环芯片，所述同步计数器芯片采用型号为CD74HC4024的同步计数器芯片。
可选地，所述频率测量模块包括时间数字转换器芯片，所述时间数字转换器芯片包括输入端、开始信号输入端、时钟信号输入端和输出端；其中，所述时间数字转换器芯片的输入端作为所述频率测量模块的输入端；所述时间数字转换器芯片的输出端作为所述频率测量模块的输出端，用于输出测量出的信号频率值；所述开始信号输入端连接所述控制器，接收所述控制器发出的启动测量信号；所述时钟信号输入端连接所述控制器，接收8MHz的时钟信号。
本发明通过设计一种频率测量电路，利用截止频率可调的滤波模块去除信号噪声干扰，比较器将模拟被测信号转换为方便测量的单极性方波信号，锁相环模块控制信号频率稳定，消除了电网异常电压波动对频率测量的影响，提高了频率测量电路的抗干扰能力强，达到了频率测量电路更加精准的效果。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种频率测量电路的示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种频率测量电路的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种低通滤波器的示意图；
图4为本发明实施例提供的一种比较器模块的示意图；
图5为本发明实施例提供的一种锁相环模块的示意图；
图6为本发明实施例提供的一种频率测量模块的示意图。
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详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
本发明实施例提供一种频率测量电路100，图1为本发明实施例提供的一种频率测量电路100的示意图，参见图1，一种频率测量电路100，包括：滤波模块110、比较器模块120、锁相环模块130、频率测量模块140和控制模块150，滤波模块110包括输入端和输出端，滤波模块110的输入端连接被测电路；比较器模块120包括输入端和输出端，比较器模块120的输入端连接滤波模块110的输出端；锁相环模块130包括锁相电路131和分频电路132，锁相电路131的输入端连接比较器模块120的输出端，分频电路132的输入端与锁相电路131的输出端连接，分频电路132的输出端连接锁相电路131的比较输入端；频率测量模块140包括输入端和输出端，频率测量模块140的输入端连锁相电路131的输出端，用于测量并输出信号的频率；控制模块150控制滤波模块110、锁相模块和频率测量模块140。
其中，滤波模块110输入被测信号，并对被测信号进行滤波处理，用于去除被测信号的噪声干扰，滤波模块110的截止频率可调，示例性地，滤波模块110可以是基于开关电容滤波器设计的低通滤波器；比较器模块120可以采用高速运算放大器设计，可以改变输入信号的幅值；锁相环模块130包括锁相电路131和分频电路132，用于将信号的频率转换并锁定在固定倍数，分频电路132的输出信号作为锁相电路131的比较输入信号，锁相电路131的比较输入信号控制输出锁相环模块130的信号的频率倍数；频率测量模块140用于测量信号的频率，示例性地，频率测量模块140可以为时间数字转换器，利用控制模块150提供的频率为兆赫级的时钟输入信号测量输入信号的频率；频率测量模块140的输出端为SPI接口，可以用于输出所测信号的频率测量值；控制模块150控制滤波模块110的截止频率、分频电路132的分频数和频率测量模块140的启动，并为频率测量模块140提供时钟输入信号。
需要说明的是，时钟输入信号不仅限于由控制模块150提供，也可以由外设晶振设备提供。
示例性地，当使用本实施例提供的频率测量电路100测量微电网中信号的频率时，待测信号由滤波模块110的输入端进入频率测量电路100；控制模块150控制滤波模块110的截止频率，待测信号经滤波模块110的处理去除噪声干扰，再输入比较器模块120；比较器模块120将输入的模拟量待测信号转换为幅值符合后续模块工作要求的单极性方波信号，并输入锁相环模块130；控制模块150通过改变分频电路132的分频数来控制锁相环模块130输出待测信号的频率，例如，当分频电路132实现64分频时，锁相环模块130输出的待测信号为64倍频待测频率，锁相环模块130可以稳定待测信号的频率；锁相环模块130输出的待测信号输入频率测量模块140，控制模块150控制频率测量模块140开始测量，同时向频率测量模块140发送频率为兆赫级的时钟输入信号，测量后的频率信息经频率测量模块140的输出端输出。
由上述分析可知，本发明实施例通过设计一种频率测量电路100，利用截止频率可调的滤波模块110去除信号噪声干扰，比较器将模拟被测信号转换为方便测量的单极性方波信号，锁相环模块130控制信号频率稳定，消除了电网异常电压波动对频率测量的影响，提高了频率测量电路100的抗干扰能力强，达到了频率测量电路100更加精准的效果。
图2为本发明实施例提供的另一种频率测量电路100的示意图，参见图2，可选地，频率测量电路100还包括：电源模块260，电源模块260连接滤波模块110、比较器模块120、锁相模块和频率测量模块140，为滤波模块110、比较器模块120、锁相模块和频率测量模块140供电。
其中，电源模块260为频率测量电路100中各模块供电，供电电压可以为5V，被测信号的幅值不超过供电电压。本实施例提供的一种频率测量电路100，利用截止频率可调的滤波模块110去除信号噪声干扰，比较器将模拟被测信号转换为方便测量的单极性方波信号，锁相环模块130控制信号频率稳定，测量电路还配备有稳定的电源，消除了电网异常电压波动对频率测量的影响，提高了频率测量电路100的抗干扰能力强，达到了频率测量电路100更加精准的效果。
继续参照图2，可选地，锁相电路131输出的信号的频率倍数与分频电路132的分频数相同，倍率倍数和分频数由控制模块150控制。
其中，锁相电路131输出信号的频率为锁相电路131输入信号频率的整数倍，该输出信号的频率倍数与分频电路132的分频数相同，并由控制模块150控制。本实施例提供的一种频率测量电路100，利用锁相环模块130稳定待测信号的频率，消除了电网异常电压波动对频率测量的影响，达到了频率测量电路100更加精准的效果。
图3为本发明实施例提供的一种低通滤波器的示意图，参见图3，可选地，滤波模块110包括低通滤波器311，低通滤波器311包括椭圆滤波芯片312，椭圆滤波芯片312包括输入端314、输出端315和截止频率调节信号输入端313。
其中，椭圆滤波芯片312是在通带和阻带等波纹的一种滤波器，相比于其他类型的滤波器，能获得更窄的过渡带宽和较小的阻带波动，椭圆滤波芯片312的输入端314和输出端315分别作为滤波模块110的输入端和输出端；椭圆滤波芯片312的输入端314，用于接收被测电路输入的幅值小于5V的信号；椭圆滤波芯片312的输出端315连接比较器模块120的输入端，用于输出滤波处理后的模拟量信号；截止频率调节信号输入端313连接控制模块150，用于接收控制模块150发出的截止频率调节信号，控制模块150发出的截止频率调节信号为占空比为50％的方波，椭圆滤波芯片312根据收到的截止频率调节信号的频率改变截止频率；低通滤波器311还包括与椭圆滤波芯片312连接的第一电容C1和第二电容C2。本实施例提供的一种频率测量电路100，通过设置截止频率可调的椭圆滤波芯片312对待测信号进行处理，去除了待测信号的噪声干扰，达到了测量结果更加准确的效果。
继续参见图3，可选地，椭圆滤波芯片312采用型号为LTC1069-1的椭圆滤波芯片312，型号为LTC1069-1的椭圆滤波芯片312的截止频率为截止频率调节信号频率的0.01倍。
其中，LTC1069-1与第一电容C1和第二电容C2连接，组成开关电容低通滤波器，供电电压为±5V，输入端信号的幅值应小于±5V，控制模块150输入截止频率调节信号用于改变LTC1069-1的截止频率。本实施例提供的一种频率测量电路100，通过设置截止频率可调的LTC1069-1椭圆滤波芯片312对待测信号进行处理，去除了待测信号的噪声干扰，达到了测量结果更加准确的效果。
图4为本发明实施例提供的一种比较器模块的示意图，参见图4，可选地，比较器模块120还包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一放大器425和第二放大器426；
其中，第一电阻R1的一端连接电源模块260，另一端连接第二放大器426的正向输入端；第二电阻R2连接于第一放大器425的输出端和第二放大器426的正向输入端之间；第一放大器425的正向输入端作为比较器的输入端，用于接收滤波处理后的模拟量信号；第一放大器425的反向输入端接地；第二放大器426的反向输入端和输出端短接；第三电阻R3的一端连接第二放大器426的输出端，另一端连接比较器模块120的输出端；第四电阻R4的一端作为比较器模块120的输出端，用于输出+3.3V的单极性方波信号，另一端接地；第一放大器425起到比较器的作用，将模拟量待测信号转换为幅值为±5V的双极性方波信号，并输入第二放大器426的正向输入端；第二放大器426起到加法器的作用，将输入的幅值为±5V的双极性方波转换为幅值为﹢5V的单极性方波信号；第三电阻R3和第四电阻R4将幅值为﹢5V的单极性方波信号转换为符合后续模块工作要求的幅值为﹢3.3V至+5V的单极性方波信号。
需要说明的是，放大器电路输出的单极性方波的幅值可以受控制模块150控制，可以根据锁相环模块130和频率测量模块140选用的芯片的工作要求在+3.3V至+5V之间更改。
本实施例提供的一种频率测量电路100，通过设置比较器模块120将待测的模拟量信号转换为符合后续模块工作要求的单极性方波信号，方便频率测量，达到了测量结果更加准确的效果。
继续参见图4，可选地，第一放大器425和第二放大器426采用型号为AD8030的运算放大器。
图5为本发明实施例提供的一种锁相环模块的示意图，参见图5，可选地，锁相电路131包括锁相环芯片531，锁相环芯片531包括输入端534、比较输入端533和输出端535；分频电路132包括同步计数器芯片532,同步计数器芯片532包括输入端546和输出端547。
其中，锁相环芯片531的输入端534、输出端535和比较输入端533分别作为锁相电路131的输入端、输出端分别和比较输入端，同步计数器芯片532的输入端546和输出端547分别作为分频电路132的输入端和输出端；锁相环模块130还包括第三电容C3、第四电容C4、第五电阻R5和第六电阻R6，控制模块150可以通过改变C3和R6的值控制锁相环模块130输出信号的频率；同步计数器芯片532用于实现64分频，锁相环芯片531根据比较输入端533的信号将输入的单极性方波的频率调整为64倍频并输入频率测量模块140。本实施例提供的一种频率测量电路100，通过设置锁相环芯片531和同步计数器芯片532，消除电网电压波动或故障导致电压、电流过零点波动对频率测量精度的影响，达到了测量结果更加准确的效果。
继续参照图5，可选地，锁相环芯片531采用型号为SN74HC4046的锁相环芯片531，同步计数器芯片532采用型号为CD74HC4024的同步计数器芯片532。
图6为本发明实施例提供的一种频率测量模块的示意图，参见图6，可选地，频率测量模块140包括时间数字转换器芯片641，时间数字转换器芯片641包括输入端644、开始信号输入端642、时钟信号输入端643和输出端645。
其中，时间数字转换器芯片641的输入端644作为频率测量模块140的输入端；时间数字转换器芯片641的输出端645作为频率测量模块140的输出端，用于输出测量出的信号频率值；开始信号输入端642连接控制模块150，接收控制模块150发出的启动测量信号；时钟信号输入端643连接控制模块150，接收8MHz的时钟信号；时间数字转换器芯片641的输出端645可以为SPI接口，用于输出读取的频率值；频率测量模块140还包括与时间数字转换器芯片641连接的第五电容C5和第六电容C6。
示例性地，时间数字转换器芯片641可以是型号为TDC7200的时间数字转换器芯片641，当测量输入信号的频率时，控制模块150通过开始信号输入端642向时间数字转换器芯片641传输启动测量信号，启动数字转换器芯片，同时通过时钟信号输入端643向时间数字转换器芯片641传输8MHz的时钟信号，用于测量信号频率，测量后的频率值通过时间数字转换器芯片641的输出端645将测量结果输出。
本实施例提供的一种频率测量电路100，通过设置利用截止频率可调的滤波模块110去除信号噪声干扰，比较器将模拟被测信号转换为方便测量的单极性方波信号，锁相环模块130控制信号频率稳定，消除了电网异常电压波动对频率测量的影响，提高了频率测量电路100的抗干扰能力强，达到了频率测量电路100更加精准的效果。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种频率测量电路，其特征在于，包括：
滤波模块，所述滤波模块包括输入端和输出端，所述滤波模块的输入端连接被测电路；
比较器模块，所述比较器模块包括输入端和输出端，所述比较器模块的输入端连接所述滤波模块的输出端；
锁相环模块，所述锁相环模块包括锁相电路和分频电路，所述锁相电路的输入端连接所述比较器模块的输出端，所述分频电路的输入端与所述锁相电路的输出端连接，所述分频电路的输出端连接所述锁相电路的比较输入端；
频率测量模块，所述频率测量模块包括输入端和输出端，所述频率测量模块的输入端连接锁相电路的输出端，用于测量并输出信号的频率；
控制模块，所述控制模块控制所述滤波模块、锁相模块和所述频率测量模块。
2.根据权利要求1所述的频率测量电路，其特征在于，还包括：电源模块，所述电源模块连接所述滤波模块、比较器模块、锁相模块和频率测量模块，为所述滤波模块、比较器模块、锁相模块和频率测量模块供电。
3.根据权利要求1所述的频率测量电路，其特征在于，所述锁相电路输出的信号的频率倍数与所述分频电路的分频数相同，所述倍率倍数和分频数由控制模块控制。
4.根据权利要求1所述的频率测量电路，其特征在于，所述滤波模块包括低通滤波器，所述低通滤波器包括椭圆滤波芯片，所述椭圆滤波芯片包括输入端、输出端和截止频率调节信号输入端；
其中，所述椭圆滤波芯片的输入端和输出端分别作为所述滤波模块的输入端和输出端；所述椭圆滤波芯片的输入端，用于接收被测电路输入的幅值小于5V的信号；所述椭圆滤波芯片的输出端连接所述比较器模块的输入端，用于输出滤波处理后的模拟量信号；所述截止频率调节信号输入端连接所述控制器，用于接收所述控制器发出的截止频率调节信号，所述控制器发出的截止频率调节信号为占空比为50％的方波。
5.根据权利要求4所述的频率测量电路，其特征在于，所述椭圆滤波芯片采用型号为LTC1069-1的椭圆滤波芯片，所述型号为LTC1069-1的椭圆滤波芯片的截止频率为所述截止频率调节信号频率的0.01倍。
6.根据权利要求4所述的频率测量电路，其特征在于，所述比较器模块还包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一放大器和第二放大器；
其中，所述第一电阻的一端连接电源模块，另一端连接所述第二放大器的正向输入端；所述第二电阻连接于所述第一放大器的输出端和第二放大器的正向输入端之间；所述第一放大器的正向输入端作为所述比较器的输入端，用于接收所述滤波处理后的模拟量信号；所述第一放大器的反向输入端接地；所述第二放大器的反向输入端和输出端短接；所述第三电阻的一端连接所述第二放大器的输出端，另一端连接所述比较器模块的输出端；所述第四电阻的一端作为所述比较器模块的输出端，用于输出+3.3V至+5V的单极性方波信号，另一端接地。
7.根据权利要求6所述的频率测量电路，其特征在于，所述第一放大器和第二放大器采用型号为AD8030的运算放大器。
8.根据权利要求1所述的频率测量电路，其特征在于，所述锁相电路包括锁相环芯片，所述锁相环芯片包括输入端、比较输入端和输出端；
所述分频电路包括同步计数器芯片,所述同步计数器芯片包括输入端和输出端；
其中，所述锁相环芯片的输入端、输出端和比较输入端分别作为所述锁相电路的输入端、输出端和比较输入端，所述同步计数器芯片的输入端和输出端分别作为所述分频电路的输入端和输出端。
9.根据权利要求8所述的频率测量电路，其特征在于，所述锁相环芯片采用型号为SN74HC4046的锁相环芯片，所述同步计数器芯片采用型号为CD74HC4024的同步计数器芯片。
10.根据权利要求1所述的频率测量电路，其特征在于，所述频率测量模块包括时间数字转换器芯片，所述时间数字转换器芯片包括输入端、开始信号输入端、时钟信号输入端和输出端；
其中，所述时间数字转换器芯片的输入端作为所述频率测量模块的输入端；所述时间数字转换器芯片的输出端作为所述频率测量模块的输出端，用于输出测量出的信号频率值；所述开始信号输入端连接所述控制器，接收所述控制器发出的启动测量信号；所述时钟信号输入端连接所述控制器，接收8MHz的时钟信号。
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