CN201060228Y - 电压频率测量分析系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种电压频率测量分析系统及分析方法，可以应用到检测、数据采集分析、变频技术等领域。该装置可以对电压信号、频率信号测量，精度高达1/10⁶。本实用新型提出了压频曲线线性度α_out、压频比K_out和压频基点V_50Hz进行计算和分析得出结论的方法，并配合、绘制压时、频时和压频曲线分析方法，为待测设备，特别是变频设备运行状况提供有效的辅助分析手段。实现了低成本、高精度、宽范围电压、频率测量，和对测量结果的智能分析功能。

Description

电压频率测量分析系统

技术领域

本实用新型提出了一种电压频率测量分析系统，可以应用到检测、数据采集分析、变频技术等领域。

背景技术

目前，测量电压的装置最常见的是万用表，万用表可以测量电压、电流和电阻等信号，但缺乏对频率信号的测量功能；测量频率的装置最常见的是频率计，它精度高但缺乏对各种电压信号的测量，特别是强电信号的测量。示波器兼有万用表和频率计的功能，可以对电压和频率同时测量，并能把每个时刻的波形绘制出来，但其缺乏对连续时间段电压、频率序列的测量，无法将所测的电压、频率序列绘制成为以时间为横轴的电压-时间、频率-时间曲线以及电压-频率曲线，用于专业人员分析使用，而且单个示波器往往成本太高且操作繁琐，体积大不易便携。

实用新型内容

本实用新型的两个目的在于克服示波器的上述缺陷，提供了一种电压频率测量分析系统及分析方法。本系统可以对各种波形的电压、频率进行测量，并能绘制出电压-时间、频率-时间和电压-频率曲线，进行曲线特征值计算，为电压频率曲线应用于实际工程，特别是对变频技术应用领域，提供辅助分析提供有效帮助，更好的满足实际应用的需求。

为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案。本系统主要包括有信号处理电路1、频率测量电路2、A/D转换电路3、CPU控制电路4、键盘显示电路5、和电源电路8；其中：

信号处理电路1包括有弱电接入电路1.1、强电接入电路1.2、降压电路1.3、稳压跟随电路1.4、TTL标准化电路1.5、峰值保持电路1.6；

弱电接入电路1.1的输入端为一个用于与0～5V待测信号IN_low相连接的模拟信号接口，弱电接入电路1.1的输出端与稳压跟随电路1.4相连接；

强电接入电路1.2的输入端为一个用于与5～300V待测信号IN_high相连接的模拟信号接口，强电接入电路1.2的输出接在降压电路1.3相连接；降压电路1.3将强电接入电路送来的5～300V待测信号IN_high根据降压倍率线性等比降为0～5V弱电待测信号后输出给稳压跟随电路1.4；

稳压跟随电路1.4的输出信号IN_std端分别与TTL标准化电路1.5和峰值保持电路1.6相连接；TTL标准化电路1.5将电压跟随电路1.4的输出信号变为交流方波，再通过滞回比较电路除去抖动，通过稳压管后得到了标准的TTL频率待测信号IN_TTL，输出给频率测量电路2；峰值保持电路1.6将电压跟随电路1.6的输出信号电压出现过的最大值以直流恒压的信号IN_peak输出给A/D转换电路3；

频率测量电路2的输出端通过数据总线、地址总线和控制总线与CPU控制电路4相连接，频率测量电路2测量出TTL标准波形的频率值，并将测得的频率值以数字量的形式输出到CPU控制电路4，并送至键盘显示电路5显示；

A/D转换电路3的输入与信号处理电路1电压峰值电路1.6的输出端相连接，输出端通过数据总线、地址总线和控制总线与CPU控制电路4连接；A/D转换电路3将电压峰值电路1.6输出的电压值转换成数字量输出到CPU控制电路4，并送至键盘显示电路5显示；

CPU控制电路4与频率测量电路2的输出端相连接，接收频率测量电路测得的频率值；CPU控制电路4与A/D转换电路3相连接，接收转换后的数字量的电压值；如果是强电信号，CPU控制电路4根据降压电路1.3的降压后的电压值和降压倍率，计算出实际的电压值，并存储CPU控制电路4的RAM中，并送至键盘显示电路5中的显示部分显示；

键盘显示电路5通过数据总线、地址总线和控制总线与CPU控制电路4相连接，键盘显示电路5中的显示部分用于显示频率测量电路2和A/D转换电路3实时转换的结果；键盘显示电路5中的键盘通过键盘显示控制芯片与CPU控制电路4相连接；

电源电路8为以上各电路提供电源。

还设置有用于与上位机通讯的通讯电路6，通讯电路6与CPU控制电路4相连接。通讯电路6与计算机通过数据线连接，其发送端、接受端、数据端、地址端和控制端分别接到线可编程CPU控制电路4的发送端、接受端、数据总线、地址总线和控制总线上，通讯电路的。

还设置有自检校正电路7，自检校正电路7的数据端、地址端和控制端分别接到CPU控制电路4的数据总线、地址总线和控制总线上，自检校正电路7输出端与信号处理电路3弱电接入电路1.1接口相连接。CPU控制电路4生成电压、频率信号输入给自检校正电路并通过自检校正电路7产生自检波形，自检波形输入给弱电接入电路1.1，CPU控制器将弱电接入电路1.1采集到的电压、频率测量值与其产生的自检电压、频率进行比较来判断系统是否正常。

所述的频率测量电路2包括两个继电器、4个74F161记数器构成的串联的计数器组、1个74F161记数器作为逻辑控制器和2支74LS245总线收发器，四个计数器每个记数器有4位输出，每两个记数器的8位输出接在总线收发器74LS245的输入上，总线收发器74LS245的输出通过数据总线、地址总线和控制总线与CPU控制电路4相连接；

第一个继电器的常开、常闭端分别接高频的频率待侧信号IN_TTL和已知标准晶振的输出管脚IN_cry，公共的输出端接在计数器芯片组中第一个计数器的计数输入端；第二个继电器的常开、常闭端分别接产生定时脉冲的CPU管脚IN_timer和低频的频率待侧信号IN_TTL相连接，公共的输出接到四个计数芯片的使能端，第一个继电器和第二个继电器的常开、常闭切换控制端与CPU控制电路4控制总线相连接来控制两个继电器常开、常闭的切换；

作为逻辑控制器的74F161计数器的CLK端始终接低频信号IN_TTL，其CLR端与其第2位计数输出P1通过一个反门相连，实现只允许一个周期波形通过的自锁电路，复位信号CLR通过控制总线与CPU的为控制端相连；

作为逻辑控制器的74F161计数器的CLK始终接低频信号IN_TTL，其CLR端与其第2位计数输出P1通过一个反门相连，实现只允许一个周期波形通过的自锁电路，复位信号CLR通过控制总线与CPU的为控制端相连。

四个计数器每个记数器有4位输出，每两个记数器的8位输出接在总线收发器的输入上，总线收发器的输出通过数据总线、地址总线和控制总线与CPU相连；

2.装置工作流程：

装置工作时的信号流图见附图15，0～5V的弱电信号IN_low通过信号处理电路1的弱电接入电路1.1，或5～380V的强电信号IN_high通过信号处理电路1的强电接入电路1.2与降压电路1.3降压之后，经过电压跟随电路1.4阻抗匹配后，得到标准待测信号IN_std，IN_std经过峰值保持电路1.6得到峰值电压IN_peak，经过A/D转换电路得到待测信号频率测量值OUT_U，对于输入为弱点信号的情况，OUT_U即为待测信号电压真实值U(t)，对于输入为强点信号的情况，OUT_U需乘以降压倍率得到待测信号电压真实值U(t)；IN_std经过TTL标准化电路1.5得到标准的TTL形式的频率待测信号IN_TTL，高频待测信号IN_TTL和CPU控制电路4发出的已知时长的高电平脉冲IN_timer通过频率测量电路，得到输出OUT_F；而低频待测信号IN_TTL和已知频率晶振的输出波形IN_cry通过频率测量电路，得到待测信号频率测量值OUT_F，频率测量值和电压测量值输入给CPU控制电路，并同时送至键盘显示电路5显示。

利用上述的电压频率测量分析系统，采集时间序列电压、频率及其分析方法，其特征在于，主要包括以下步骤：数据采集、数据预处理、三线分析和压频特征值计算分析：

1)数据采集：通过权利要求1中所述的系统采集时间序列电压、时间序列频率，具体采集方法如下：

第1步：通过键盘显示电路(5)中的键盘设置采集时间间隔T_sample和对电压、频率的连续采集次数t_sample，置当前采集次数t_once＝1，将上述参数存入CPU控制电路(4)的RAM中，CPU控制电路(4)执行连续采集子程序；

第2步：CPU控制电路(4)通过A/D转换电路(3)得到当前接入信号电压的采集值OUT_V，乘以降压倍率得出当前电压的真实值U(t_once)存放在其RAM中；

第3步：CPU控制电路(4)通过频率测量电路(2)得到当前接入信号频率的采集值OUT_F，计算得出当前电压的真实值F(t_once)存放在其RAM中；

第4步：当前采集次数t_once增1，如果t_once≤t_sample则重复执行步骤2，3，4；

第5步：采集完成；

于是产生了随时间序列电压值(U(t)，t)和时间序列频率值(F(t)，t)，其中t是采样时间，t＝1，2，…，t_sample，t_sample是正整数，表示采样时间的终值，U(t)、F(t)分别表示t时刻的电压值和频率值；

2)数据预处理：

第1步：从CPU控制电路4的RAM中读出连续采集次数t_sample，置当前计算次数t_prc＝n+1，计算比对结束次数t_prcend＝t_sample-n，其中n是与U(t_sample)和F(t_sample)对比的电压值的个数，n的取值范围一般为3≤n≤10；

对上步中采集到的(U(t)，t)、(F(t)，t)进行修正处理，即把明显偏离相邻数据的值删除，修正原则是：如果t时刻的电压值U(t)与之前或之后的n个时刻电压值平均值的差值的绝对值，大于t时刻之前或之后n个时刻电压值之间差值绝对值的平均值，需要修正，即

$|U\left(t\right)-\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}U(t-i)}{n}|\×\mathrm{\α}>\frac{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}|U(t-i)-U(t-i-1)|}{n-1}---\left(1\right)$

或

$|U\left(t\right)-\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}U(t+i)}{n}|\×\mathrm{\α}>\frac{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}|U(t+i)-U(t+i+1)|}{n-1}---\left(2\right)$

式(1)中，t-i表示时刻t之前i个时刻，则U(t-i)表示采样时刻t-i时的电压值，U(t)是t时刻的电压值，U(t-i-1)表示t-i-1时刻的电压值；α是界定强度，取值范围为0％～100％；

式(2)中，U(t)是t时刻的电压值，则U(t+i)表示采样时刻t+i时的电压值，U(t+i+1)表示t+i+1时刻的电压值，α是界定强度，取值范围为0％～100％；

如果t时刻的电压值U(t)满足(1)式或(2)式，则修正为：

$U\left(t\right)=\frac{U(t-1)+U(t+1)}{2};$ 其中，U(t-1)为t-1时刻的电压值，U(t+1)为t+1时刻的电压值；

频率值F(t)的修正原则与U(t)的修正原则相同：如果t时刻的频率值F(t)与之前或之后的n个时刻电压值平均值的差值的绝对值，大于t时刻之前或之后n个时刻电压值之间差值绝对值的平均值，需要修正，即

$|F\left(t\right)-\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}F(t-i)}{n}|\×\mathrm{\α}>\frac{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}|F(t-i)-F(t-i-1)|}{n-1}---\left(3\right)$

或

$|F\left(t\right)-\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}F(t+i)}{n}|\×\mathrm{\α}>\frac{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}|F(t+i)-F(t+i+1)|}{n-1}---\left(4\right)$

式(3)中，t-i表示时刻t之前i个时刻，则F(t-i)表示采样时刻t-i时的电压值，F(t)是t时刻的电压值，F(t-i-1)表示t-i-1时刻的电压值；α是界定强度，取值范围为0％～100％；

式(2)中，F(t)是t时刻的电压值，则F(t+i)表示采样时刻t+i时的电压值，F(t+i+1)表示t+i+1时刻的电压值，α是界定强度，取值范围为0％～100％；

如果t时刻的电压值F(t)满足(3)式或(4)式，则修正为：

$F\left(t\right)=\frac{F(t-1)+F(t+1)}{2};$ 其中，F(t-1)为t-1时刻的电压值，F(t+1)为t+1时刻的电压值；

第2步：前计算次数t_prc自增1，如果t_prc≤t_prcend则重复执行步骤1；

第3步：数据预处理完成；

3)三线分析法及特征值计算：

第1步，压频曲线拟合：

1)应用最小二乘法将U-F曲线中的点拟合为一直线，并计算拟合参数a、b和压频特征值：压频曲线线性度α_out、压频比K_out和压频基点V_50Hz；

为了表示方便，将U(t)记为u_t，将F(t)记为f_t，将t_sample记为n，具体步骤如下：

设电压-频率直线函数为f＝au+b，其中a、b是待定常数；

记ε_t＝f_t-(au_t+b)，它反映了用直线f＝au+b来描述u＝u_t，f＝f_t时，计算值f与实际值f_t产生的偏差；用

来度量总偏差；

确定f＝au+b中的常数a和b，使 $F(a,b)=\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ}}_t^2=\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(f_t-a{u}_t-b)}^2$ 为最小；

由极值原理得 $\frac{\∂F}{\∂a}=\frac{\∂F}{\∂b}=0,$ 即 $\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂F}{\∂a}=-2\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{u}_t(f_t-a{u}_t-b)=0\\ \frac{\∂F}{\∂b}=-2\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(f_t-a{u}_t-b)=0\end{array}\right.$

解此联立方程得： $\left\{\begin{array}{c}a=\frac{n\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{u}_t{f}_t-\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{u}_t\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{f}_t}{n\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{u_t}^2-{\left(\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{u}_t\right)}^2}\\ b=\frac{1}{n}\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{f}_t-\frac{a}{n}\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{u}_t\end{array}\right.$

第2步，电压、频率特征值计算：

压频比K_out＝a：压频比用来表示电压和频率值的线性关系；

压频曲线线性度 $L_{\mathrm{out}}=\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ}}_t^2:$ 压频曲线线性度用来衡量压频曲线上的点偏离拟合出来直线的程度；

压频基点V_50Hz＝50a+b：压频基点用来衡量工作频率50Hz时的工作电压；

第3步，绘制三条曲线：

绘制电压时间即U-t曲线：将修正后的时间序列(U(t)，t)每个时刻t与对应的电压值U(t)绘制到U-t坐标系中，得到的电压时间U-t曲线；

绘制频率时间F-t曲线：将修正后的时间序列(F(t)，t)每个时刻t与对应的频率值F(t)绘制到F-t坐标系中，得到的频率时间F-t曲线；

绘制电压频率U-F曲线：将修正后的时间序列变量(U(t)，t)和(F(t)，t)，构成三元组(U(t)，F(t)，t)，把每个时刻t对应的U(t)、F(t)两个值作为一个点的(U，F)坐标，绘制到U-F坐标系中，得到U-F曲线；

第4步，性能指标分析：

根据项上述绘制的三条曲线，和三个特征值，工程师得出所测量的电压频率值是否满足工程实际项目指标的要求，以及满足程度。

本实用新型的有益效果：

1)本实用新型的设备具有体积小便于携带，成本低，具有对电压、频率信号测量精度高，测量范围宽；特别是本实用新型构成的系统具有时间序列连续采集，数据处理，可视化分析功能的特点；

2)本实用新型提出的时间序列电压频率分析方法，通过对本实用新型中提出的通过特征值计算和绘制的三种曲线和对电压频率散点图的曲线拟合分析方法，可以为工程师分析待测设备的性能指标给出快速、便捷、直观的参考，本实用新型直接给出了一些评价指标，这些评价指标来自于有经验的工程师实际工程实践，但尚未由学术界官方的形式提出。

3)本实用新型特别是对近年来发展迅速的变频技术应用给与了很大帮助，对于变频控制器输出的PWM波形，该设备不仅能够测量，还可以分析，弥补了变频器输出PWM波形测量技术上的空白。

附图说明

附图1电压频率测试分析仪电路模块连接图

附图1.1信号处理电路模块连接图

附图2CPU控制电路图

附图3LEM模块电路图

附图4模拟信号处理通道电路

附图5电压峰值采样保持电路

附图6A/D转换电路图

附图7低频周期捕捉时序图

附图8高频频率测量时序图

附图9低频周期捕捉电路

附图10频率计模块

附图11高频/低频测量复用电路图

附图12CH451与CPU、LED显示连接电路图

附图13芯片与USB总线的连接图

附图14AD7008与微机接口电路图

附图15复用式电压频率测量分析方法信号流图

附图16采集程序软件流程图

具体实施方式

本实施例首先对电压频率测量分析装置硬件电路、连接关系及具体工作原理以及待测信号在装置中传递、转换和处理的过程进行详细描述(参见附图1-14)，接下来对主程序进行描述，最后为时间序列电压频率分析方法对上述采集的数据特征曲线的绘制和特征值的计算分析的详细步骤(参见附图14-15)。

1.硬件电路连接关系、工作原理和信号处理：

本实施例的硬件电路如图1～14所示，主要包括有信号处理电路1、频率测量电路2、A/D转换电路3、CPU控制电路4、键盘显示电路5、通讯电路6、自检校正电路7、电源电路8八个核心部分组成，见附图1。

信号处理电路1，见附图1.1，作用是将输入信号接入，处理成为频率测量电路2和A/D转换电路3可以处理的信号形式。信号处理电路1有一个复用的模拟信号输入接口，既可以作为弱电接入电路1.1的输入(接入0～5V待测信号)，又可以作为强电接入电路1.2的输入(接入5～300V待测信号)。信号处理电路1有两个输出接口，一个是TTL标准化电路1.5输出给频率测量电路2，一个是电压峰值电路1.6输出给A/D转换电路3。

弱电接入电路1.1有一个模拟信号接口，与0～5V待测信号IN_low相连接，输出接在稳压跟随电路1.4的输入上，即后级电压跟随器运算放大器的输入管脚。

强电接入电路1.2有一个模拟信号接口，与5～300V待测信号IN_high相连接，输出接在降压电路1.3的输入上，即将压芯片的输入高压管脚(+HT)；

降压电路1.3将强电接入电路送来的5～300V待测信号IN_high，保持其输入信号的波形形状不变，通过等比例放大或缩小其幅值的电路，得到的信号，其范围在0~5V。由于IN_high电压幅值最高达±300V左右，因此我们需将所测试的线电压降成幅值在10V以内的弱电信号，需要注意的是我们所需测量的是波形，这就要求在变压的过程中，波形不能失真。而我们通常所用的变压器是对于50Hz周波所设计，不适用于我们的测试。因此，我们选用了瑞士LEM公司的最新技术——磁补偿原理——LEM电流电压传感器模块。

LEM模块的电路连接，见附图3。

其中+HT、-HT为强电输入端，+、-为电源，M为输出端

需测量PWM脉宽调制波电压最大峰值：通常情况下在±300V

可用电源：±15V(±5％)

降压比可使当幅值为300V的PWM脉宽调制波降压为幅值为6.25V的PWM脉宽调制波，也就是说，当采用LV28变压模块所得的变压比为300∶6.25即48∶1。被降压的信号，在CPU控制电路4计算过程中，通过乘以上述降压倍率的方式，得到强电待测信号电压的真实值。

降压电路1.3输出IN_LEM接在稳压跟随电路1.4的输入上。

稳压跟随电路1.4将输入信号IN_low、IN_LEM通过5V稳压电路，将电压限幅在0～5V之间，通过电压跟随进行阻抗匹配后输出信号IN_std，分别接在TTL标准化电路1.5和峰值保持电路1.6的输入上。

TTL标准化电路1.5将输入信号IN_std波形一级一级处理，即对测试系统中的模拟信号进行处理，直至成为测试系统的电压、频率测量电路能够接受的形式，见附图4。首先输入信号先经过一次稳压，目的在于防止输入信号过大烧毁后级电路，然后再将其进行电压追随，使前后级阻抗隔离，输出在送下一级处理的同时送到电压峰值保持电路。然后经过一个开环集成运算放大器，(其中正电位输入上的1M电阻和10K电阻是为了输入信号为TTL时，经过稳压后不存在负电位也能够被无穷放大为交流方波)。然后再经过滞回比较器，除去翻转抖动，稳压后即为TTL电平。最后再经过同相门(74LS07)使其变成标准的TTL信号IN_TTL。IN_TTL与频率测量电路2的输入端连接。

峰值保持电路1.6将输入信号IN_std通入峰值保持电路1.6的输入端，峰值保持电路1.6的复位端与CPU控制电路4的控制总线相连接，具体电路图见附图5。峰值电压采样保持电路由一片采样保持器芯片LF398和一块电压比较器LM311构成。LF398的输出电压和输入电压通过LM311进行比较，当Vi＞V0时，LM311输出高电平，送到LF398的逻辑控制端8脚，使LF398处于采样状态；当Vi达到峰值而下降时，Vi＜V0，电压比较器LM311输出低电平，LF398的逻辑控制端置低电平，使LF398处于保持状态。由于LM311采用集电极开路输出，故需接上拉电阻。由过电压检测电路输出端送来的脉冲控制电路开关的导通，没有过电时采样电容放电，否则采样电路一直跟踪峰值的变化。

即峰值保持电路经过复位后输出电压为零IN_peak＝0，IN_std输入峰值保持电路后，比较IN_std和IN_peak：如果IN_std＞IN_peak，则IN_peak＝IN_std并且锁定IN_peak电压值；如果IN_std＜IN_peak，则IN_peak输出电压值保持不变；得到IN_peak＝IN_std峰值IN_peak的模拟输出；峰值保持电路的输出IN_peak接在A/D转换电路(3)的输入上。

频率测量电路2的输入与信号处理电路1TTL标准化电路1.5的输出IN_TTL相连接，作为待测频率信号的输入；测量结果输出OUT_F(t)通过数据总线、地址总线和控制总线与CPU控制电路3连接。

低频测量原理：

频率信号IN_TTL的测量采用了纯硬件实现的方法，四级快速74F161串联形成74F161计数器组，测量分辨率高达2¹⁶。对于1KHz以下的低频信号和1KHz以上的中高频信号，采用了完全不同的方法：测量低频信号时，捕捉一个周期的长度，用标准的1MHz有源晶振作为串联计数芯片组CLK输入信号，也就是在输入待测信号一个周期内，测量通入74F161计数器组的1MHz高频信号的个数。

附图7为是低频测量电路设想的时序图：

捕捉电路只有在触发脉冲来的时候，捕捉待测信号相邻的两个上升沿，在此期间输出高电平，使74F161计数器组通入1MHz高频信号，其它时间均保持低电平，除非再有触发电平输入，再捕捉待测信号相邻的两个上升沿……

巧用74F161，实现上述逻辑，见附图9。74F161始终输入CLK为信号源，当CLR低电平清零时，计数器次低位P1为0，计数器可以工作，于是信号源接下来的一个上升沿，将计数器低位P0由低变高，此时由于计数器次低位P1依然为0，所以计数器可以继续工作；于是信号源接下来的一个上升沿，将计数器低位P0由高变低，此时计数器次低位P1为1，计数器自锁，P0保持低，完成了信号源一个周期长度的捕捉，直到下一次CLR信号到来时才重复上述捕捉过程。

相对于1KHz以下的输入信号来讲，使用1MHz的高频信号进行测量具有很高的准确性和精度。假设在输入信号的一个周期内，经过计数器的已知频率信号的周期数为N，则待测低频信号的频率值为： $f=\frac{{10}^6\mathrm{\μs}}{1\mathrm{\μs}\×N}.$

附图10为74F161组及其与数据总线连接的电路图，计数单元有4颗74F161快速计数器串接构成，每颗74F161可以计4位，因此可实现共16位计数，低8位和高8位分别接一颗75LS245与数据总线相连，每颗74LS245都有自己独立的片选地址，从而实现与CPU数据交换。

高频测量原理：

对于1KHz以上的中高频信号，采用了截然不同的测量方法——测量定时期间内信号源脉冲数：将四个快速计数器74F161按照后一片计数器的时钟CLK端连接前一片计数器的进位端TC的办法首尾相连，89C51单片机某一管脚产生一固定的定时信号(分为几挡)，接在计数器74F161的使能端上，将高频信号接在第一个计数器的时钟端。将计数器的计数输出通过总线收发器74F245送到数据总线上传回单片机。这样，单片机定时信号在高电平期间，计数器会将计的高频信号脉冲数，汇总四个计数器的数据，就可以知道在定时信号高电平期间有多少高频信号周期经过计数器。

图8是高频测量电路的时序图：

假设定时脉冲的周期为T，在脉冲高电平期间通过计数器的高频信号周期数为N，则可以得到高频信号的频率为： $\frac{f}{{10}^6\mathrm{\μs}}=\frac{N}{T}$ $f=\frac{{10}^6\×N}{T}\left(\mathrm{Hz}\right)$

由于电路工作的频带仅仅由参与计数的四个计数器的工作频率决定，而与单片机和总线缓冲器无关，因此只要选择频带宽的计数器，就完全可以实现高频信号的计数。我们选用的74F161的标称工作频率为143MHz，所以理论上来说我们的电路对高频信号的测量可以达到百兆以上，但是由于实验条件的限制，我们的测量值只能达到50MHz的频率(信号源产生的上限频率仅有15MHz，我们用50MHz有源晶振来充当信号源)，在这个频率以下的高频信号测量完全正常。下表给出了测量不同频率时，定时器的最佳定时长度：

频率范围	定时长度	单片机定时器初值	此频段计数器峰值
				10K-1MHz	50ms	3CB0H	50000＜65535
1MHz-10MHz	5ms	OEC78H	50000＜65535

10MHz-100MHz

0.5ms

OFEOCH

50000＜65535

高频/低频测量复用电路：

为了能够使频率测量更加准确，频带更宽，对高、低频段的输入信号采取了不同的测量办法，并且在两种办法所能够测量的频率范围之间设定了重叠区域，以保证系统的完整性，不使频率测量出现断档区域。

对于高频信号测量电路和低频信号测量电路来讲，串联的计数器组是相同的，所不同的只是两种方案中计数器所接的时钟信号和使能信号不同。高频测量时时钟信号为输入待测信号，而低频测量时为已知频率晶振的输出波形；高频测量时使能信号为单片机定时脉冲，低频测量时为输入信号经过波形变换和频率变换后的波形。

为保证信号通路切换不影响信号质量，不选用模拟开关(例如CD4051)，而使用两个继电器，第一个继电器的常开、常闭端分别接高频输入信号IN_TTL和晶振的输出管脚IN_cry，公共的输出端接在计数芯片组的计数输入端，由一位数字信号的高低控制磁片吸合端，从而实现两路信号的切换；另一个继电器的常开、常闭端分别接产生定时脉冲的单片机管脚IN_timer和低频输入IN_TTL信号经过信号处理后的波形，公共的输出接到四个计数芯片的使能端。由相同的一位数字信号控制其切换。这样通过数字信号的控制(该控制信号可以来自单片机的某个管脚)，就可以实现频率测量中高频通道和低频通道的切换，并且大幅度节约了设计成本。经过我们的实践，它具有良好的稳定性。但要注意继电器可靠吸合磁片需要足够吸合电流(用74LS07加小电阻上拉实现)，同时还要保证吸合时间(程序中用延时保证)，图11是频率通道的电路图。

A/D转换电路3的MAX153模拟信号输入管脚与信号处理电路1电压峰值电路1.6的LF398采样保持输出管脚相连接，作为待测电压信号的输入；测量结果OUT_U(t)输出通过数据总线、地址总线和控制总线与CPU控制电路3连接。

由于使用AT89C51单片机进行控制，使用12M的晶振，则单片机每条指令用1μs，因此可以采用读-写模式(MODE＝1)，利用WR信号启动转换，RD信号读取转换结果。两条指令间隔1μs，满足控制要求。

选用Maxim公司的高速A/D MAX153芯片。将LEM模块的输出电阻RM200Ω，用两个精密电阻100Ω代替，形成分压。因此需选用电阻来保证器准确分压。电路图参见附图6。

CPU控制电路4的作用是控制所有电路的工作，数据的处理、移动和存储；CPU外部总线由数据总线和地址总线构成；通过数据总线、地址总线和控制总线实现控制其它各电路工作。Flash和RAM通过数据总线和地址总线与CPU相连，扩展程序、地址空间。

在装置中CPU选用AT89C51单片机，地址分配方案为：采取了P0口接数据总线，专门用于芯片间数据的传输；P2口接地址总线，专门用于分配地址，这种接法大大化简了经典的P0口接74LS373通过ALE锁存的方式，电路稳定性提高，但寻址范围减小，但P2口所提供的地址范围已经充分满足了我们的需求；

按照以下三个原则分配地址：

(1)用P2.7来选中CH371芯片，同时接74LS138的GA使能端：P2.7＝0时CH371被选中，74LS138关闭(即CH371进行USB通讯，其他设备全都不被选中)；而当P2.7＝1时CH371闲置，74LS138便可以选中其他设备了；换言之，P2.7决定了测试系统只能在CH371和74LS138(即其它芯片)中选其一。这样的设计实现了USB通讯(上位机的命令)的优先级高于一切功能模块(下位机)的控制策略；

(2)第1片74LS138的Y5～Y7作为与键盘显示芯片通讯的接口，通过LOAD、DIN、DCLK三条数据线的配合，实现键盘显示芯片与CPU的通讯；

(3)P2口工作于两种方式，一种是常见的P2口配合RD、WR的读写操作；一种是利用P2口平时本身带锁存的输入输出口的特点，实现长时间选中一片芯片的操作方式。

地址分配如下表：

地址

8000H

8100-8105H

8200H

8300H

<8000H

芯片

AD

预留

频率模块高八位

频率模块低八位

USB(CH371)

译码电路接线，见附图2。

在测试系统中，P1口的8个管脚也派上了重要的用途，如下表所示：

键盘显示电路5中的键盘接口与4×4键盘连接，现实接口与现实装置通过现实数据线连接。其数据端、地址端和控制端分别接到线CPU控制电路4的数据总线、地址总线和控制总线上。

选用CH451键盘显示驱动芯片，它是一个整合了数码管显示驱动和键盘扫描控制以及μP监控的多功能外围芯片。CH451内置RC振荡电路，可以动态驱动8位数码管或者64位LED，具有BCD译码、闪烁、移位等功能；同时还可以进行64键的键盘扫描；CH451通过可以级联的串行接口与单片机等交换数据；并且提供上电复位和看门狗等监控功能。图3-14为电路连接框图，单片机与CH451有3条位数据线和1条中断线连接：

CH451与键盘LED电器连接图如图12所示：

通讯电路6与计算机通过数据线连接，其发数据端、地址端和控制端分别接到线可编程CPU控制电路4的数据总线、地址总线和控制总线上，通讯电路的。

USB通讯选用CH371智能USB通讯芯片。CH371是一个USB总线的通用接口芯片。在本地端，CH371具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机、DSP、MCU等控制器的系统总线上；在计算机系统中，CH371的配套软件提供了简洁易用的操作接口，与本地端的单片机通讯就如同读写硬盘中的文件。CH371屏蔽了USB通讯中的所有协议，在计算机应用层与本地端控制器之间提供端对端的连接。基于CH371，不需要了解任何USB协议或者固件程序甚至驱动程序，就可以实现USB通讯。单片机、CH371接口芯片、计算机之间的关系如图3-19。CH371与CPU之间的通过数据总线连接，通过地址译码选通，配合RD#、WR#向CH371读取、写入数据，CPU、CH371与USB总线的连接如图13所示。

自检校正电路7数据端、地址端和控制端分别接到线可编程CPU控制电路4的数据总线、地址总线和控制总线上。AD7008产生的自检波形输出管脚与信号处理电路3弱电接入电路1.1输出接口连接，即直接连在稳压跟随运算放大器的输入管脚上。

在设备自检中，往往需要频率、幅度都能由测试系统自动调节的信号源。采用直接数字合成芯片AD7008及外加D/A转换芯片AD7520构成的可控信号源，可生产正弦波、调频波、调幅波及方波等，并且其信号的频率和幅度可由微机来精确控制，调节非常方便。参见图14。

电源电路8的作用是为各模块提供5V和±12V电源供电；电源电路8的输入与220V电源连接，通过整流、滤波、限幅、稳压和过载保护电路，得到标准电压，通过电压总线，与其它7个部分连接。

3.本实施例分析方法的实现：

1)数据采集：通过权利要求1中所述的系统采集时间序列电压、时间序列频率，具体采集方法如下，见附图17：

第1步：通过键盘显示电路(5)中的键盘设置采集时间间隔T_sample和对电压、频率的连续采集次数t_sample，置当前采集次数t_once＝1，将上述参数存入CPU控制电路(4)的RAM中，CPU控制电路(4)执行连续采集子程序；

第2步：CPU控制电路(4)通过A/D转换电路(3)得到当前接入信号电压的采集值OUT_V，乘以降压倍率得出当前电压的真实值U(t_once)存放在其RAM中；

第3步：CPU控制电路(4)通过频率测量电路(2)得到当前接入信号频率的采集值OUT_F，计算得出当前电压的真实值F(t_once)存放在其RAM中；

第4步：当前采集次数t_once自增1，如果t_once≤t_sample则重复执行步骤2，3，4；

第5步：采集完成；

于是产生了随时间序列电压值(U(t)，t)和时间序列频率值(F(t)，t)，其中t是采样时间，t＝1，2，…，t_sample，t_sample是正整数表示采样时间的终值，U(t)、F(t)分别表示t时刻的电压值和频率值；

2)数据预处理：

第1步：从CPU控制电路4的RAM中读出连续采集次数t_sample，置当前计算次数t_prc＝6，计算比对结束次数t_prcend＝t_sample-5，其中与U(t_sample)和F(t_sample)对比的电压值的个数为5；

对上步中采集到的(U(t)，t)、(F(t)，t)进行修正处理，即把明显偏离相邻数据的值删除，修正原则是：如果t时刻的电压值U(t)与之前或之后的5个时刻电压值平均值的差值的绝对值，大于t时刻之前或之后5个时刻电压值之间差值绝对值的平均值，需要修正，即

$|U\left(t\right)-\frac{\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}U(t-i)}{5}|\×\mathrm{\α}>\frac{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}|U(t-i)-U(t-i-1)|}{4}---\left(1\right)$

或

$|U\left(t\right)-\frac{\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}U(t+i)}{5}|\×\mathrm{\α}>\frac{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}|U(t+i)-U(t+i+1)|}{4}---\left(2\right)$

式(1)中，t-i表示时刻t之前i个时刻，则U(t-i)表示采样时刻t-i时的电压值，U(t)是t时刻的电压值，U(t-i-1)表示t-i-1时刻的电压值；α是界定强度，取值范围为0％～100％；

式(2)中，U(t)是t时刻的电压值，则U(t+i)表示采样时刻t+i时的电压值，U(t+i+1)表示t+i+1时刻的电压值，α是界定强度，取值范围为0％～100％；

如果t时刻的电压值U(t)满足(1)式或(2)式，则修正为：

$U\left(t\right)=\frac{U(t-1)+U(t+1)}{2};$ 其中，U(t-1)为t-1时刻的电压值，U(t+1)为t+1时刻的电压值；

频率值F(t)的修正原则与U(t)的修正原则相同：如果t时刻的频率值F(t)与之前或之后的n个时刻电压值平均值的差值的绝对值，大于t时刻之前或之后n个时刻电压值之间差值绝对值的平均值，需要修正，即

$|F\left(t\right)-\frac{\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}F(t-i)}{5}|\×\mathrm{\α}>\frac{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}|F(t-i)-F(t-i-1)|}{4}---\left(3\right)$

或

$|F\left(t\right)-\frac{\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}F(t+i)}{5}|\×\mathrm{\α}>\frac{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}|F(t+i)-F(t+i+1)|}{4}---\left(4\right)$

式(3)中，t-i表示时刻t之前i个时刻，则F(t-i)表示采样时刻t-i时的电压值，F(t)是t时刻的电压值，F(t-i-1)表示t-i-1时刻的电压值；α是界定强度，取值范围为0％～100％；

式(2)中，F(t)是t时刻的电压值，则F(t+i)表示采样时刻t+i时的电压值，F(t+i+1)表示t+i+1时刻的电压值，α是界定强度，取值范围为0％～100％；

如果t时刻的电压值F(t)满足(3)式或(4)式，则修正为：

$F\left(t\right)=\frac{F(t-1)+F(t+1)}{2};$ 其中，F(t-1)为t-1时刻的电压值，F(t+1)为t+1时刻的电压值；

第2步：前计算次数t_prc自增1，如果t_prc≤t_prcend则重复执行步骤1；

第3步：数据预处理完成；

3)三线分析法及特征值计算：

第1步，压频曲线拟合：

1)应用最小二乘法将U-F曲线中的点拟合为一直线，并计算拟合参数a、b和压频特征值：压频曲线线性度α_out、压频比K_out和压频基点V_50Hz；

为了表示方便，将U(t)记为u_t，将F(t)记为f_t，将t_sample记为n，具体步骤如下：

设电压-频率直线函数为f＝au+b，其中a、b是待定常数；

记ε_t＝f_t-(au_t+b)，它反映了用直线f＝au+b来描述u＝u_t，f＝f_t时，计算值f与实际值f_t产生的偏差；用

来度量总偏差；

确定f＝au+b中的常数a和b，使 $F(a,b)=\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ}}_t^2=\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(f_t-a{u}_t-b)}^2$ 为最小；

由极值原理得 $\frac{\∂F}{\∂a}=\frac{\∂F}{\∂b}=0,$ 即 $\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂F}{\∂a}=-2\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{u}_t(f_t-a{u}_t-b)=0\\ \frac{\∂F}{\∂b}=-2\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(f_t-a{u}_t-b)=0\end{array}\right.$

解此联立方程得 $\left\{\begin{array}{c}a=\frac{n\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{u}_t{f}_t-\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{u}_t\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{f}_t}{n\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{u_t}^2-{\left(\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{u}_t\right)}^2}\\ b=\frac{1}{n}\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{f}_t-\frac{a}{n}\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{u}_t\end{array}\right.$

第2步，电压、频率特征值计算：

压频比K_out＝a：压频比用来表示电压和频率值的线性关系；

压频曲线线性度 $L_{\mathrm{out}}=\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ}}_t^2:$ 压频曲线线性度用来衡量压频曲线上的点偏离拟合出来直线的程度；

压频基点V_50Hz＝50a+b：压频基点用来衡量工作频率50Hz时的工作电压；

第3步，绘制三条曲线：

绘制电压时间即U-t曲线：将修正后的时间序列(U(t)，t)每个时刻t与对应的电压值U(t)绘制到U-t坐标系中，得到的电压时间U-t曲线；

绘制频率时间F-t曲线：将修正后的时间序列(F(t)，t)每个时刻t与对应的频率值F(t)绘制到F-t坐标系中，得到的频率时间F-t曲线；

绘制电压频率U-F曲线：将修正后的时间序列变量(U(t)，t)和(F(t)，t)，构成三元组(U(t)，F(t)，t)，把每个时刻t对应的U(t)、F(t)两个值作为一个点的(U，F)坐标，绘制到U-F坐标系中，得到U-F曲线；

第4步，性能指标分析：

根据项上述绘制的三条曲线，和三个特征值，工程师得出所测量的电压频率值是否满足工程实际项目指标的要求，以及满足程度。

Claims (4)

1.电压频率测量分析系统，其特征在于：主要包括有信号处理电路(1)、频率测量电路(2)、A/D转换电路(3)、CPU控制电路(4)、键盘显示电路(5)、和电源电路(8)；其中：

信号处理电路(1)包括有弱电接入电路(1.1)、强电接入电路(1.2)、降压电路(1.3)、稳压跟随电路(1.4)、TTL标准化电路(1.5)、峰值保持电路(1.6)；

弱电接入电路(1.1)的输入端为一个用于与0～5V待测信号IN_low相连接的模拟信号接口，弱电接入电路(1.1)的输出端与稳压跟随电路(1.4)相连接；

强电接入电路(1.2)的输入端为一个用于与5～300V待测信号IN_high相连接的模拟信号接口，强电接入电路(1.2)的输出接在降压电路(1.3)相连接；降压电路(1.3)将强电接入电路送来的5～300V待测信号IN_high根据降压倍率线性等比降为0～5V弱电待测信号后输出给稳压跟随电路(1.4)；

稳压跟随电路(1.4)的输出信号IN_std端分别与TTL标准化电路(1.5)和峰值保持电路(1.6)相连接；TTL标准化电路(1.5)将电压跟随电路(1.4)的输出信号变为交流方波，再通过滞回比较电路除去抖动，通过稳压管后得到了标准的TTL频率待测信号IN_TTL，输出给频率测量电路(2)；峰值保持电路(1.6)将电压跟随电路(1.6)的输出信号电压出现过的最大值以直流恒压的信号IN_peak输出给A/D转换电路(3)；

频率测量电路(2)的输出端通过数据总线、地址总线和控制总线与CPU控制电路(4)相连接，频率测量电路(2)测量出TTL标准波形的频率值，并将测得的频率值以数字量的形式输出到CPU控制电路(4)，同时送至显示电路(5)显示；

A/D转换电路(3)的输入与信号处理电路(1)电压峰值电路(1.6)的输出端相连接，输出端通过数据总线、地址总线和控制总线与CPU控制电路(4)连接；A/D转换电路(3)将电压峰值电路(1.6)输出的电压值转换成数字量输出到CPU控制电路(4)，同时送至显示电路(5)显示；

CPU控制电路(4)与频率测量电路(2)的输出端相连接，接收频率测量电路测得的频率值；CPU控制电路(4)与A/D转换电路(3)相连接，接收转换后的数字量的电压值；如果是强电信号，CPU控制电路(4)根据降压电路(1.3)的降压后的电压值和降压倍率，计算出实际的电压值，并存储CPU控制电路(4)的RAM中，并送至键盘显示电路(5)中的显示部分显示；

键盘显示电路(5)通过数据总线、地址总线和控制总线与CPU控制电路(4)相连接，键盘显示电路(5)中的显示部分用于显示频率测量电路(2)和A/D转换电路(3)实时转换的结果；键盘显示电路(5)中的键盘通过键盘显示控制芯片与CPU控制电路(4)相连接；

电源电路(8)为以上各电路提供电源。

2.根据权利要求1中所述的电压频率测量分析系统，其特征在于：还设置有用于与上位机通讯的通讯电路(6)，通讯电路(6)与CPU控制电路(4)相连接。

3.根据权利要求1中所述的电压频率测量分析系统，其特征在于：还设置有自检校正电路(7)，自检校正电路(7)的数据端、地址端和控制端分别接到CPU控制电路(4)的数据总线、地址总线和控制总线上，自检校正电路(7)输出端与信号处理电路(3)弱电接入电路(1.1)接口相连接；CPU控制电路(4)生成电压、频率信号输入给自检校正电路(7)并通过自检校正电路(7)产生自检波形，自检波形输入给弱电接入电路(1.1)，CPU控制器将弱电接入电路(1.1)采集到的电压、频率测量值与其产生的自检电压、频率进行比较来判断系统是否正常。

4.根据权利要求1中所述的电压频率测量分析系统，其特征在于：所述的频率测量电路(2)包括两个继电器、4个74F161记数器构成的串联的计数器组、1个74F161记数器作为逻辑控制器和2支74LS245总线收发器，四个计数器每个记数器有4位输出，每两个记数器的8位输出接在总线收发器74LS245的输入上，总线收发器74LS245的输出通过数据总线、地址总线和控制总线与CPU控制电路(4)相连接；

第一个继电器的常开、常闭端分别接高频的频率待侧信号IN_TTL和已知标准晶振的输出管脚IN_cry，公共的输出端接在计数器芯片组中第一个计数器的计数输入端；第二个继电器的常开、常闭端分别接产生定时脉冲的CPU管脚IN_timer和低频的频率待侧信号IN_TTL相连接，公共的输出接到四个计数芯片的使能端，第一个继电器和第二个继电器的常开、常闭切换控制端与CPU控制电路(4)控制总线相连接来控制两个继电器常开、常闭的切换；

作为逻辑控制器的74F161计数器的CLK端始终接低频信号IN_TTL，其CLR端与其第2位计数输出P1通过一个反门相连，实现只允许一个周期波形通过的自锁电路，复位信号CLR通过控制总线与CPU的为控制端相连。

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