高準(zhǔn)確性的頻率測(cè)量系統(tǒng)

摘要：提出并研制了一種高可靠性、高精度、使用簡(jiǎn)單且便于維護(hù)的頻率測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于電力電子測(cè)量領(lǐng)域。其硬件系統(tǒng)以嵌入式PC104計(jì)算機(jī)為測(cè)控平臺(tái)，軟件系統(tǒng)以LabWindows/CVI為開發(fā)平臺(tái)，采用測(cè)周期法，依據(jù)頻率大小選用不同的基準(zhǔn)頻率。經(jīng)實(shí)際測(cè)試證實(shí)，該設(shè)計(jì)滿足精度和實(shí)時(shí)性的要求，檢測(cè)效率高，便于操作與維護(hù)。該系統(tǒng)亦可用于其他要求高精度頻率測(cè)量的領(lǐng)域中。 敘詞：頻率量測(cè)量 PC104 測(cè)周期法 Abstract：It proposes and developsa frequency measurement system with high reliability and accuracy which is simple to use, easy to maintain in the paper. Its used in the field of power electronics measurement. PC104 Embedded computer is used as the measuring and control platform in the hardware systems, and the software platform is based on the LabWindows/CVI platform. Its based on the cycle measurement method, choosing different reference frequency according to the values of the frequency. The practical test confirmed that the design meets the requirements of precision and real-time, and it is easy to operate and maintain with high efficiency. The system can also be used in other areas where high-precision frequency measurements is reauired. Keyword：Frequency measurement, PC104, Cycle measurement method

1 引言

頻率是電力電子系統(tǒng)中1個(gè)基本的物理量，其測(cè)量問題在工程應(yīng)用中非常重要。通常的測(cè)量方案是選用單片機(jī)或可編程邏輯器件。然而，在某些特殊場(chǎng)合，工作環(huán)境惡劣，要求測(cè)量精度高、可靠性強(qiáng)，使用常規(guī)的方案難以達(dá)到要求，或成本過高。本文提出了一種基于PC104測(cè)控計(jì)算機(jī)的頻率測(cè)量系統(tǒng)，依據(jù)初步測(cè)試得到的待測(cè)頻率大小選用不同的基準(zhǔn)頻率，測(cè)量精度達(dá)到0.2%，且實(shí)現(xiàn)了同時(shí)測(cè)量多路信號(hào)的頻率。

2 總體設(shè)計(jì)

交變信號(hào)的頻率是指單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)周期性變化的次數(shù)，即發(fā)fx =N/t，可見測(cè)量fx須將N或t作為基準(zhǔn)，對(duì)另一個(gè)量進(jìn)行測(cè)量[1]。基本的測(cè)量頻率方法有兩種：一種是測(cè)頻法，由測(cè)量電路給出標(biāo)準(zhǔn)閘門信號(hào)t =Tr，測(cè)出待測(cè)信號(hào)在一定的時(shí)間間隔Tr內(nèi)重復(fù)變化次數(shù)N, 得被測(cè)信號(hào)的頻率為；另一種方法是測(cè)周期法，由測(cè)量電路提供標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)fr，以被測(cè)信號(hào)的周期作為閘門，測(cè)出在一個(gè)被測(cè)信號(hào)周期內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)fr的個(gè)數(shù)N，得到被測(cè)信號(hào)的頻率為。兩種方法均存在計(jì)數(shù)器的±1量化誤差，測(cè)頻法的相對(duì)誤差，測(cè)周期法的相對(duì)誤差。前者fx位于分母，其值越大誤差越小，因此對(duì)于高頻信號(hào)有較高的精度，而后者fx位于分子，值越小誤差越小，對(duì)低頻信號(hào)的測(cè)量精度較高。本文以測(cè)周期法為原理，提出的測(cè)頻方案如圖1所示。以PC104測(cè)控計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)調(diào)理模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，通過PC104總線輸入到操作系統(tǒng)平臺(tái)上，由數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)行處理，并在液晶顯示器上顯示。

圖1 測(cè)頻方案示意圖

3 硬件設(shè)計(jì)

本文以PC104測(cè)控計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)，選用的功能模塊有DMM-32X-AT、OMM-XT和GPIO-MM-XT，可以實(shí)現(xiàn)多路頻率信號(hào)的同時(shí)測(cè)量。PC104與標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)式PC(PC/AT)體系結(jié)構(gòu)完全兼容，并且具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，功耗低，使用溫度范圍寬(-45℃～85℃)，可靠性高(單個(gè)模塊MTBF>20萬h)，抗惡劣環(huán)境，堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)，從而保證了產(chǎn)品的生命周期[2-3]。

圖2 傳統(tǒng)的周期法測(cè)頻原理框圖

對(duì)多路待測(cè)頻率信號(hào)進(jìn)行分類，將存在先后測(cè)試順序的頻率信號(hào)共用一組檢測(cè)電路進(jìn)行調(diào)理，利用多路開關(guān)實(shí)現(xiàn)信號(hào)之間的切換。在測(cè)量過程中，實(shí)際輸入信號(hào)存在不確定性及抖動(dòng)等問題，為了提高測(cè)量精度，首先對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，通過濾波器濾去高頻干擾和低頻漂移信號(hào)，接著進(jìn)行線性放大，再經(jīng)過零比較器整形為矩形波信號(hào)，最后通過雙穩(wěn)態(tài)電路輸入PC104功能模塊卡。

傳統(tǒng)的測(cè)量周期原理框圖如圖2所示。在待測(cè)頻率的1個(gè)周期中，高電平時(shí)間計(jì)數(shù)器閘門打開進(jìn)行計(jì)數(shù)，低電平時(shí)關(guān)閉，通過測(cè)量出高電平時(shí)間計(jì)算出信號(hào)周期。但是如果遇到干擾，待測(cè)頻率上升沿和下降沿輕微變化時(shí), 計(jì)數(shù)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖的讀數(shù)誤差。同時(shí)，對(duì)于占空比未知的信號(hào)，采用此原理無法測(cè)出準(zhǔn)確頻率。

因此，為減小誤差，并且能測(cè)量占空比未知的信號(hào)，所提出的測(cè)頻方案首先將待測(cè)信號(hào)分頻，使測(cè)頻時(shí)間為待測(cè)頻率信號(hào)周期的整數(shù)倍，而與占空比無關(guān)，如圖3所示。另外對(duì)于高頻和低頻信號(hào)，采用不同的分頻系數(shù)，以提高測(cè)量精度。對(duì)于1kHz以下的信號(hào)進(jìn)行二分頻，1kHz以上的信號(hào)進(jìn)行四分頻。

硬件電路原理圖如圖4所示。

圖3改進(jìn)的測(cè)頻方法原理框圖

圖4 硬件電路圖

4 軟件設(shè)計(jì)

選用NI公司的LabWindows/CVI為軟件開發(fā)環(huán)境，它以ANSIC為核心，有機(jī)結(jié)合了數(shù)據(jù)采集、分析和顯示等工具，為自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)提供了一個(gè)理想的軟件開發(fā)環(huán)境。待測(cè)信號(hào)較多時(shí)，如果使用單一線程，會(huì)造成測(cè)量或激勵(lì)沖突，導(dǎo)致系統(tǒng)死機(jī)，難以保證實(shí)時(shí)性。為避免這一現(xiàn)象，在頻率量測(cè)量程序中，本文使用了多線程技術(shù)——線程池。線程池實(shí)現(xiàn)了多個(gè)任務(wù)分時(shí)占有CPU，可在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)并行完成多個(gè)任務(wù)，適用于需要不連續(xù)地執(zhí)行多次或在循環(huán)中執(zhí)行的任務(wù)[4]。同時(shí)，軟件使用SQLToolkit工具包，記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，并可進(jìn)行離線數(shù)據(jù)分析。軟件系統(tǒng)示意圖如圖5。為了測(cè)量多路信號(hào)，使用三種功能模塊同時(shí)測(cè)量。

圖5 軟件結(jié)構(gòu)示意圖

4.1 DMM-32-XT模塊測(cè)頻

DMM-32-XT的板載頻率有10kHz和10MHz兩種，根據(jù)輸入頻率的不同，選用不同的板載頻率來測(cè)量。首先用10kHz進(jìn)行測(cè)頻。計(jì)數(shù)器是減記數(shù)的方式，所以在檢測(cè)到低電平時(shí)，往計(jì)數(shù)器0賦初值0；當(dāng)遇到高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器自動(dòng)開始減數(shù)。直到再次遇到低電平時(shí)停止。這時(shí)，將計(jì)數(shù)器中的值鎖存并讀出。先從計(jì)數(shù)器讀出低位low，再讀出高位high。可求出頻率為：

為使測(cè)量誤差小于0.5%，由得fx≤50，如果待測(cè)頻率分頻后大于50Hz，為了精度更高，將選用10MHz的板載頻率再次測(cè)量，過程相同。程序流程圖如圖6。

4.2 OMM-XT模塊測(cè)頻

OMM-XT模塊只有一種大小為4MHz的板載頻率，在測(cè)低頻時(shí)，以4MHz作為基準(zhǔn)頻率，計(jì)數(shù)器會(huì)產(chǎn)生溢出。為解決這個(gè)問題，將計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2的級(jí)連，把計(jì)數(shù)器1的輸出設(shè)置為計(jì)數(shù)器2的輸入。計(jì)數(shù)器1對(duì)4MHz分頻，產(chǎn)生50kHz的方波，計(jì)數(shù)器2用此頻率作為基準(zhǔn)頻率計(jì)數(shù)。而在測(cè)高頻時(shí)，只用計(jì)數(shù)器2進(jìn)行測(cè)頻即可。

為使測(cè)量誤差小于0.5%，由得fx≤250，為了保留一定的裕度，設(shè)定fx≥200時(shí)換用測(cè)高頻方式，即只用計(jì)數(shù)器2進(jìn)行測(cè)頻。同理，由

得fx≤20kHz，當(dāng)待測(cè)信號(hào)頻率大于20kHz時(shí)，精度無法保證，因此該法只適用于20kHz以下的頻率。

4.3 GPIO-MM-XT模塊測(cè)頻

GPIO-MM-XT功能模塊是基于FPGA的PC104計(jì)數(shù)器和數(shù)字I/O模塊，嵌入兩個(gè)CTS9513計(jì)數(shù)邏輯器件。其板載頻率為40MHz，軟件可配置16分頻、256分頻、4096分頻、65536分頻，得到大小不同的基準(zhǔn)頻率。測(cè)頻原理類似于上述模塊。程序流程圖如圖7。

圖6 DMM-32X-AT模塊測(cè)頻流程圖

圖7 GPIO模塊測(cè)頻流程圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用EE1411型合成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的頻率信號(hào)作為輸入，對(duì)每個(gè)信號(hào)進(jìn)行10次測(cè)量，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，可見測(cè)量誤差在0.2%以下。

6 結(jié)論

本文詳細(xì)論述了一種高精度頻率測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上充分考慮了現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境的特點(diǎn)和用戶需求，并為離線數(shù)據(jù)分析處理提供方便。硬件上采用PC104總線模塊，保證系統(tǒng)的高可靠性。軟件平臺(tái)采用NI公司的LabWindows/CVI，軟件設(shè)計(jì)面向測(cè)試過程，界面友好，為功能擴(kuò)展提供了良好基礎(chǔ)。經(jīng)實(shí)際測(cè)試表明，該系統(tǒng)用于電力電子測(cè)量中，滿足相應(yīng)的測(cè)試要求和測(cè)試指標(biāo)，操作簡(jiǎn)單，可靠性好，檢測(cè)效率高，便于攜帶和維護(hù)。

參考文獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介
李坤峪（1989-），女，安徽壽縣人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)檢測(cè)技術(shù)?！?br />