TWI510790B - 頻率檢測裝置及頻率檢測方法 - Google Patents

Description

頻率檢測裝置及頻率檢測方法

本案是有關於一種電子裝置。特別是一種頻率檢測裝置及頻率檢測方法。

隨著科技的快速進展，各種型態的電子裝置已廣泛地應用在人們生活當中。

電力系統用以提供電力訊號，以驅動各式電子裝置。電力訊號的頻率攸關用電的安全性問題。在電力訊號的頻率不穩定時，接收電力訊號的電子裝置可能因而受損或燒毀，而造成安全上的風險。

傳統技術中，可利用類比-數位轉換器擷取電力訊號，而後運用處理器對電力訊號進行後處理(post processing)，並據以計算電力訊號的頻率。然而如此的做法成本較高，且無法即時地監控電力訊號的頻率。

是以，為能夠即時監控電力訊號的頻率，一種更有效的頻率檢測裝置當被提出。

本發明的一態樣為一種頻率檢測裝置。根據本發明一實施例，頻率檢測裝置包括一濾波器、一偵測模組以及一計算模組。該濾波器用以接收一輸入訊號，並用以濾波該輸入訊號，以產生一待測訊號。該偵測模組用以利用一二階微分器偵測該待測訊號之複數個波峰或複數個波谷，以產生複數個偵測訊號。該些偵測訊號分別對應該些波峰或該些波谷。計算模組用以接收該些偵測訊號，並用以根據該些偵測訊號計算該待測訊號的一頻率。

本發明的一態樣為一種頻率檢測方法。根據本發明一實施例，頻率檢測方法包括：濾波一輸入訊號，以產生一待測訊號；利用一二階微分器，偵測該待測訊號之複數個波峰或複數個波谷，以產生複數個偵測訊號，其中該些偵測訊號分別對應該些波峰或該些波谷；以及根據該些偵測訊號計算該待測訊號的一頻率。

綜上所述，透過應用上述一實施例，即可即時監控待測訊號的頻率，以確保待測訊號的頻率的穩定。

10‧‧‧變壓器

100‧‧‧頻率檢測裝置

110‧‧‧濾波器

120‧‧‧偵測模組

122‧‧‧偵測單元

124‧‧‧判斷單元

130‧‧‧計算模組

DF1‧‧‧第一微分器

DF2‧‧‧第二微分器

ZD‧‧‧零點偵測器

S(t)‧‧‧輸入訊號

F(t)‧‧‧待測訊號

F’(t)‧‧‧待測訊號的一階微分訊號

F”(t)‧‧‧待測訊號的二階微分訊號

Y‧‧‧偵測訊號

Z‧‧‧極值訊號

Z’‧‧‧反相的極值訊號

F”(t)-d‧‧‧訊號

IN1‧‧‧反相器

IN2‧‧‧反相器

BF‧‧‧緩衝器

NR‧‧‧互斥閘

AD‧‧‧及閘

F”(t)-d’‧‧‧訊號

FR‧‧‧頻率

D‧‧‧週期

t1-t4‧‧‧時間點

500‧‧‧頻率檢測方法

S1-S3‧‧‧步驟

第1圖為根據本發明一實施例所繪示的頻率檢測裝置的示意圖；第2圖為根據本發明一實施例所繪示的不同訊號的示意圖； 第3圖為根據本發明一實施例所繪示的偵測單元的示意圖；第4a圖為根據本發明一實施例所繪示的判斷單元的示意圖；第4b圖為根據本發明另一實施例所繪示的判斷單元的示意圖；以及第5圖為根據本發明一實施例所繪示的頻率檢測方法的流程圖。

以下將以圖式及詳細敘述清楚說明本揭示內容之精神，任何所屬技術領域中具有通常知識者在瞭解本揭示內容之較佳實施例後，當可由本揭示內容所教示之技術，加以改變及修飾，其並不脫離本揭示內容之精神與範圍。

關於本文中所使用之『電性連接』，可指二或多個元件相互直接作實體或電性接觸，或是相互間接作實體或電性接觸，而『電性連接』還可指二或多個元件相互操作或動作。

於本文中所使用之『第一』、『第二』、...等，並非特別指稱次序或順位的意思，亦非用以限定本案，其僅為了區別以相同技術用語描述的元件或操作。

關於本文中所使用之『包括』、『具有』等等，均為開放性的用語，即意指包括但不限於。

關於本文中所使用之『及/或』，係包括所述事物的 任一或全部組合。

關於本文中所使用之用詞(terms)，除有特別註明外，通常具有每個用詞使用在此領域中、在此揭露之內容中與特殊內容中的平常意義。某些用以描述本揭露之用詞將於下或在此說明書的別處討論，以提供本領域技術人員在有關本揭露之描述上額外的引導。

本發明的一實施態樣為一種頻率檢測裝置。頻率檢測裝置可用以檢測電力訊號、光訊號、生理訊號之頻率等。為使敘述明確，在以下段落中，僅以檢測電力訊號之頻率為例進行說明，然而本案並不以此為限。

第1圖為根據本發明一實施例所繪示的頻率檢測裝置100的示意圖。頻率檢測裝置100可電性連接變壓器10。變壓器10用以接收外部的電力訊號，並將電力訊號轉換為對應頻率檢測裝置100的操作電壓的輸入訊號S(t)。在一實施例中，電力訊號的振幅為110V-220V，輸入訊號S(t)的振幅為5V-12V。當注意到，在一些實施例中，於外部的電力訊號符合頻率檢測裝置100的操作電壓的情況下，變壓器10可被省略。

在本實施例中，頻率檢測裝置100包括濾波器110、偵測模組120以及計算模組130。濾波器110電性連接偵測模組120。偵測模組120電性連接計算模組130。

在本實施例中，濾波器110用以接收輸入訊號S(t)，並用以濾波輸入訊號S(t)，以產生待測訊號F(t)。在一實施例中，濾波器110為低通濾波器，用以濾除輸入訊 號S(t)的高頻雜訊。在進一步的實施例中，待測訊號F(t)大致為輸入訊號S(t)的基頻訊號(fundamental frequency)。在其它實施例中，濾波器110亦可以是帶通濾波器。

在本實施例中，偵測模組120用以接收待測訊號F(t)，並用以偵測待測訊號F(t)之複數個波峰或複數個波谷，以產生複數個偵測訊號Y，並傳送此些偵測訊號Y至計算模組130，其中此些偵測訊號Y分別對應待測訊號F(t)之波峰或波谷。換言之，偵測模組120是在待測訊號F(t)抵達波峰或波谷的複數個時間點產生前述的偵測訊號Y。在一實施例中，偵測模組120例如可利用一二階微分器，以產生前述的偵測訊號Y，關於此一二階微分器的細節將在以下段落詳述。

在本實施例中，計算模組130用以接收偵測模組120所產生的偵測訊號Y，並根據此些偵測訊號Y計算待測訊號F(t)的頻率FR。在一實施例中，計算模組130是計算接收到相鄰兩個偵測訊號Y的時間點之間的時間差，作為待測訊號F(t)的週期。計算模組130並計算待測訊號F(t)的週期的倒數，以求得待測訊號F(t)的頻率FR。此些相鄰兩個偵測訊號Y的時間點意指待測訊號F(t)連續抵達兩個波峰或兩個波谷的時間點。

舉例而言，同時參照第2圖，在時間點t1時，待測訊號F(t)扺達波峰，此時偵測模組120產生一第一偵測訊號Y。接著，在時間點t3時，待測訊號F(t)再次扺達波峰，此時偵測模組120產生一第二偵測訊號Y。計算模組130 分別接收第一偵測訊號Y與第二偵測訊號Y，並計算接收到第一偵測訊號Y與第二偵測訊號Y的時間點之間的時間差。此一時間差即為待測訊號F(t)的週期D。

當注意到，在不同實施例中，偵測模組120亦可於待測訊號F(t)扺達波谷時產生偵測訊號Y。本案不以上述實施例為限。

在一實施例中，上述濾波器110、偵測模組120以及計算模組130皆可用數位及/或類比電路實現。

透過應用上述一實施例，頻率檢測裝置100即可即時監控待測訊號F(t)的頻率FR，以確保待測訊號F(t)的頻率FR的穩定。此外，透過上述偵測波峰或波谷的作法，更可避免待測訊號F(t)的直流雜訊干擾偵測，以確保頻率檢測的準確性。

以下將提供本案一實施例中的具體細節，然而本案不以下述實施例為限。

在本案一實施例中，偵測模組120包括一偵測單元122以及一判斷單元124。偵測單元122電性連接判斷單元124。

偵測單元122用以偵測待測訊號F(t)之波峰及波谷，以產生複數個極值訊號Z，並提供此些極值訊號Z至判斷單元124，其中此些極值訊號Z分別對應待測訊號F(t)之波峰及波谷。換言之，偵測單元122是在待測訊號F(t)抵達波峰及波谷的複數個時間點產生前述的極值訊號Z。

另外，偵測單元122用以二階微分待測訊號F(t)， 以產生待測訊號F(t)的二階微分訊號F”(t)，並提供待測訊號F(t)的二階微分訊號F”(t)至判斷單元124。

判斷單元124用以接收來自偵測單元122的極值訊號Z以及待測訊號F(t)的二階微分訊號F”(t)，以產生前述偵測訊號Y。在一實施例中，判斷單元124是在接收到前述極值訊號Z且待測訊號F(t)的二階微分訊號F”(t)的數值為正數或為負數的複數個時間點，分別產生所述的偵測訊號Y。

舉例而言，同時參照第2圖，在時間點t1時，待測訊號F(t)扺達波峰，偵測單元122產生一第一極值訊號Z。接著，在時間點t2時，待測訊號F(t)抵達波谷，偵測單元122產生一第二極值訊號Z。接著，在時間點t3時，待測訊號F(t)再次扺達波峰，偵測單元122產生一第三極值訊號Z。接著，在時間點t4時，待測訊號F(t)再次扺達波谷，偵測單元122產生一第四極值訊號Z。

另一方面，在待測訊號F(t)例如為正弦函數(例如表示為+sin(ω t))的情況下，待測訊號F(t)的二階微分訊號F”(t)為負的正弦函數(例如表示為-sin(ω t))。是以，於時間點t1、t2、t3、t4(於接收到極值訊號Z時)，判斷單元124可根據待測訊號F(t)的二階微分訊號F”(t)為正數或負數以判斷此時待測訊號F(t)是抵達波峰或波谷，並據以決定是否輸出所述的偵測訊號Y。

換言之，判斷單元124係根據待測訊號F(t)的二階微分訊號F”(t)，選擇性地於待測訊號F(t)抵達波峰的時間 點(如時間點t1、t3)輸出偵測訊號Y，或於待測訊號F(t)抵達波谷的時間點(如時間點t2、t4)輸出偵測訊號Y。

第3圖為根據本發明一實施例所繪示的偵測單元122的示意圖。在本實施例中，偵測單元122包括第一微分器DF1、第二微分器DF2以及零點偵測器ZD。在本實施例中，第一微分器DF1分別與第二微分器DF2以及零點偵測器ZD電性串連。在一實施例中，前述二階微分器可包括此處第一微分器DF1與第二微分器DF2。在一實施例中，第一微分器DF1、第二微分器DF2以及零點偵測器ZD皆可用類比及/或數位電路實現。

在本實施例中，第一微分器DF1用以接收待測訊號F(t)，並用以微分待測訊號F(t)，以產生待測訊號F(t)的一階微分訊號F’(t)。第一微分器DF1用以分別提供待測訊號F(t)的一階微分訊號F’(t)至第二微分器DF2以及零點偵測器ZD。

第二微分器DF2用以接收待測訊號F(t)的一階微分訊號F’(t)，並用以再次微分待測訊號F(t)的一階微分訊號F’(t)，以產生待測訊號F(t)的二階微分訊號F”(t)。

零點偵測器ZD用以接收待測訊號F(t)的一階微分訊號F’(t)，並用以偵測待測訊號F(t)的一階微分訊號F’(t)的零點，並於待測訊號F(t)的一階微分訊號F’(t)為零的複數個時間點分別產生前述的極值訊號Z。

再次參照第2圖，在待測訊號F(t)例如為正弦函數(例如表示為+sin(ω t))的情況下，待測訊號F(t)的一階微 分訊號F’(t)為餘弦函數(例如表示為+cos(ω t))。待測訊號F(t)的一階微分訊號F’(t)為零的時間點分別是待測訊號F(t)抵達波峰以及波谷的時間點t1-t4。因此，透過零點偵測器ZD偵測待測訊號F(t)的一階微分訊號F’(t)的零點，即可於待測訊號F(t)抵達波峰及波谷的時間點產生極值訊號Z。

第4a、4b圖分別為根據本發明不同實施例中的判斷單元124所繪示的示意圖。

在第4a圖實施例中，判斷單元124例如包括一反相器IN1、一緩衝器BF以及一互斥閘NR。反相器IN1用以接收極值訊號Z，並提供一反相的極值訊號Z’至互斥閘NR的一輸入端。緩衝器BF用以接收待測訊號F(t)的二階微分訊號F”(t)，並用以提供數位化後的待測訊號F(t)的二階微分訊號F”(t)(例如表示為訊號F”(t)-d)至互斥閘NR的另一輸入端。互斥閘NR用以接收反相的極值訊號Z’以及訊號F”(t)-d，並據以操作性輸出偵測訊號Y。

舉例而言，同時參照第2圖，在時間點t1時，反相器IN1接收極值訊號Z(例如是邏輯準位1)，並提供反相的極值訊號Z’(例如是邏輯準位0)至互斥閘NR。此時，緩衝器BF接收數值小於零的待測訊號F(t)的二階微分訊號F”(t)，並輸出訊號F”(t)-d(例如是邏輯準位0)。此時，由於互斥閘NR的兩輸入端邏輯準位相反，故輸出偵測訊號Y(例如是邏輯準位1)。

另一方面，於時間點t2時，反相器IN1接收極值 訊號Z(例如是邏輯準位1)，並提供反相的極值訊號Z’(例如是邏輯準位0)至互斥閘NR。此時，緩衝器BF接收數值大於零的待測訊號F(t)的二階微分訊號F”(t)，並輸出訊號F”(t)-d(例如是邏輯準位1)。此時，由於互斥閘NR的兩輸入端邏輯準位相同，故不輸出偵測訊號Y(例如是邏輯準位0)。時間點t3、t4的操作可由上述操作類推。

透過上述第4a圖中的設置，判斷單元124即可在待測訊號F(t)抵達波峰時產生偵測訊號Y。

另一方面，在第4b圖實施例中，判斷單元124例如包括一反相器IN2以及一及閘AD。反相器IN2用以接收待測訊號F(t)的二階微分訊號F”(t)，並用以提供反向且數位化後的待測訊號F(t)的二階微分訊號F”(t)(例如表示為訊號F”(t)-d’)至及閘AD的一輸入端。及閘AD的另一輸入端用以接收極值訊號Z。及閘AD根據極值訊號Z以及訊號F”(t)-d’，操作性輸出偵測訊號Y。

舉例而言，同時參照第2圖，在時間點t1時，及閘AD的一輸入端接收極值訊號Z(例如是邏輯準位1)。此時，反相器IN2接收數值小於零的待測訊號F(t)的二階微分訊號F”(t)，並輸出訊號F”(t)-d’(例如是邏輯準位1)。此時，由於及閘AD的兩輸入端邏輯準位皆為邏輯準位1，故輸出偵測訊號Y(例如是邏輯準位1)。

另一方面，於時間點t2時，及閘AD的一輸入端接收極值訊號Z(例如是邏輯準位1)。此時，反相器IN2接收數值大於零的待測訊號F(t)的二階微分訊號F”(t)，並輸 出訊號F”(t)-d’(例如是邏輯準位0)。此時，由於及閘AD的兩輸入端邏輯準位不同，故不輸出偵測訊號Y(例如是邏輯準位0)。時間點t3、t4的操作可由上述操作類推。

透過上述第4b圖中的設置，判斷單元124亦可在待測訊號F(t)抵達波峰時產生偵測訊號Y。

當注意到，於上述實施例中，僅以判斷單元124在待測訊號F(t)抵達波峰時產生偵測訊號Y為例進行敘述。然而，本領域人士當可清楚了解，藉由改變上述判斷單元124的設置，判斷單元124亦可在待測訊號F(t)抵達波谷時產生偵測訊號Y。是以，本案不以上述實施例為限。

此外，當注意到，雖然在上述實施例中，上述濾波器110、偵測模組120以及計算模組130皆以具體的電路為例進行介紹。然而實際上，於不同實施例中，濾波器110、偵測模組120及/或計算模組130的功能亦可藉由一處理器執行一儲存於一電腦可讀取記錄媒體中的電腦程式以實現。處理器例如可為中央處理器(central processing unit，CPU)、數位訊號處理器(digital signal processor，DSP)、微處理器(micro processor)或其他可執行指令之硬體元件。此外，電腦可讀取記錄媒體例如可為唯讀記憶體、快閃記憶體、軟碟、硬碟、光碟、隨身碟、磁帶、可由網路存取之資料庫或其他類型之儲存元件。電腦可讀取記錄媒體存有多個指令，供處理器存取後執行而提供頻率檢測裝置100之功能。

本發明的另一實施態樣為一種頻率檢測方法。此 一頻率檢測方法可應用於相同或相似於第1圖中的頻率檢測裝置100。(然而，在一些實施例中，此一頻率檢測方法亦可實作為一電腦程式產品(如應用程式)，並儲存於例如前述的電腦可讀取記錄媒體中，而使電腦(如處理)讀取此記錄媒體後執行頻率檢測方法。

為使敘述簡單，以下將根據本發明一實施例，以第1圖中的頻率檢測裝置100為例進行此一頻率檢測方法的敘述，然本發明不以此應用為限。

另外，應瞭解到，在本實施方式中所提及的上述運作方法的步驟，除特別敘明其順序者外，均可依實際需要調整其前後順序，甚至可同時或部分同時執行。

第5圖為根據本發明一實施例所繪示的頻率檢測方法500的流程圖。

在步驟S1中，頻率檢測裝置100透過濾波器110濾波輸入訊號S(t)，以產生待測訊號F(t)。

在步驟S2中，頻率檢測裝置100透過偵測模組120偵測待測訊號F(t)的波峰或波谷，以產生複數個偵測訊號Y，其中此些偵測訊號Y分別對應待測訊號F(t)的波峰或波谷。在一實施例中，頻率檢測裝置100是利用一二階微分器偵測待測訊號F(t)的波峰或波谷。

在步驟S3中，頻率檢測裝置100透過計算模組130計算待測訊號F(t)的頻率FR。在一實施例中，計算模組130是計算接收到相鄰兩個偵測訊號Y之間的時間差，作為待測訊號F(t)的週期。而後，計算模組130計算待測訊號F(t) 的週期的倒數，以求得待測訊號F(t)的頻率FR。

透過應用上述一實施例，即可即時監控待測訊號F(t)的頻率FR，以確保待測訊號F(t)的頻率FR的穩定。此外，透過上述偵測波峰或波谷的作法，更可避免待測訊號F(t)的直流雜訊干擾偵測，以確保頻率檢測的準確性。

當注意到，上述步驟S1-S3的具體細節可參照前述實施態樣，在此不贅述。

雖然本案已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本案，任何熟習此技藝者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧變壓器

100‧‧‧頻率檢測裝置

110‧‧‧濾波器

120‧‧‧偵測模組

122‧‧‧偵測單元

124‧‧‧判斷單元

130‧‧‧計算模組

S(t)‧‧‧輸入訊號

F(t)‧‧‧待測訊號

F”(t)‧‧‧待測訊號的二階微分訊號

Y‧‧‧偵測訊號

Z‧‧‧極值訊號

FR‧‧‧頻率

Claims (8)

1. 一種頻率檢測裝置，包括：一濾波器，用以接收一輸入訊號，並用以濾波該輸入訊號，以產生一待測訊號；一偵測模組，其中該偵測模組用以利用一二階微分器偵測該待測訊號之複數個波峰或複數個波谷，以產生複數個偵測訊號，其中該些偵測訊號分別對應該些波峰或該些波谷，且該偵測模組包括：一偵測單元，其中該偵測單元用以偵測該待測訊號之該些波峰及該些波谷，以產生複數個極值訊號，並用以利用該二階微分器二階微分該待測訊號以產生該待測訊號的一二階微分訊號，其中該些極值訊號分別對應該些波峰及該些波谷；以及一判斷單元，用以根據該些極值訊號以及該待測訊號的該二階微分訊號，產生該些偵測訊號；以及一計算模組，用以接收該些偵測訊號，並用以根據該些偵測訊號計算該待測訊號的一頻率。
2. 如請求項1所述之頻率檢測裝置，其中該偵測單元包括：一第一微分器，用以微分該待測訊號，以產生該待測訊號的一一階微分訊號；一第二微分器，用以微分該待測訊號的該一階微分訊號，以產生該待測訊號的該二階微分訊號；以及 一零點偵測器，用以於該待測訊號的該一階微分訊號為零的複數個時間點分別產生該些極值訊號。
3. 如請求項1所述之頻率檢測裝置，其中該判斷單元用以於接收到該些極值訊號且該待測訊號的該二階微分訊號的數值為正數或為負數的複數個時間點，分別產生該些偵測訊號。
4. 如請求項1所述之頻率檢測裝置，其中該計算模組更用以計算接收到該些偵測訊號中相鄰兩者之間的時間差，作為該待測訊號的一週期。
5. 一種頻率檢測方法，包括：濾波一輸入訊號，以產生一待測訊號；利用一二階微分器，偵測該待測訊號之複數個波峰或複數個波谷，以產生複數個偵測訊號，其中該些偵測訊號分別對應該些波峰或該些波谷；以及根據該些偵測訊號計算該待測訊號的一頻率，其中偵測該待測訊號之該些波峰或該些波谷，以產生該些偵測訊號的步驟包括：偵測該待測訊號之該些波峰及該些波谷，以產生複數個極值訊號，其中該些極值訊號分別對應該些波峰及該些波谷；二階微分該待測訊號以產生該待測訊號的一二階 微分訊號；以及根據該些極值訊號以及該待測訊號的該二階微分訊號，產生該些偵測訊號。
6. 如請求項5所述之頻率檢測方法，其中偵測該待測訊號之該些波峰及該些波谷，以產生該些極值訊號的步驟包括：微分該待測訊號，以產生該待測訊號的一一階微分訊號；於該待測訊號的該一階微分訊號為零的複數個時間點分別產生該些極值訊號。
7. 如請求項5所述之頻率檢測方法，其中根據該些極值訊號以及該待測訊號的該二階微分訊號，產生該些偵測訊號的步驟包括：於該些極值訊號產生且該待測訊號的該二階微分訊號的數值為正數或為負數的複數個時間點，分別產生該些偵測訊號。
8. 如請求項5所述之頻率檢測方法，其中根據該些偵測訊號計算該待測訊號的該頻率的步驟包括：計算產生該些偵測訊號中相鄰兩者之間的時間差，作為該待測訊號的一週期。