一种二进制输出的电网频率测量电路和方法与流程

1.本发明涉及配电自动化，特别是一种二进制输出的电网频率测量电路和方法。


背景技术：

2.在配电网自动化技术领域，馈线终端ftu和站所终端dtu等终端装置的主要功能之一是对电网频率进行实时监测。当电网频率出现大幅波动等异常情况时，终端装置可在规定时间内对线路进行分闸操作，从而切断故障源与电网的连接，起到保护电网的作用，待故障解除后再进行合闸操作，恢复供电。另外，电网频率也是计算电能质量参数的重要依据，因此电网频率的准确测量显得尤为重要。
3.目前广泛应用于工程实践中的电网频率测量方法主要有软件测频法和硬件测频法两大类，其中软件测频法一般基于全波傅里叶算法等方式实现，而硬件测频法一般是搭建电平转换电路及信号调理电路，将电网电压信号转换成cpu可处理的方波信号，再利用cpu的中断调用内部定时器实现频率测量功能。
4.在工程上，软件法和硬件法都能够一定程度上满足终端装置对电网频率检测功能的需要，但同时也存在着软件法计算量大、硬件法占用cpu中断资源等问题。而cpu往往承担着通信、实时数据采集与计算、状态监测数据接收及数据分析等诸多任务。因此，在cpu中断资源有限且任务繁重的情况下，寻求一种计算简单且不占用中断资源的电网频率测量方法是当前需要解决的问题。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明的目的是提供一种二进制输出的电网频率测量电路和方法，从而克服现有技术计算量大、占用cpu中断资源的问题。
6.技术方案：本发明所述的一种二进制输出的电网频率测量电路，包括基准脉冲单元、异步计数单元、同步锁存单元、延迟清零单元和cpu计算单元，所述基准脉冲单元输出端与异步计数单元第一输入端连接；所述异步计数单元的输出端与同步锁存单元第一输入端连接；所述同步锁存单元第二输入端为被测方波信号，为本频率测量电路的输入端；所述同步锁存单元的输出端与所述cpu计算单元输入端连接，为本频率测量电路的输出端；所述延时清零单元输入端为被测方波信号；所述延时清零单元的输出端与所述异步计数单元的第二输入端连接；
7.所述基准脉冲单元包括高精度有源晶振及信号调理电路，用于产生精准的方波作为基准脉冲；所述异步计数单元包括n位二进制计数器，用于对基准脉冲进行计数，并转换为二进制数据；所述同步锁存单元包括边沿触发式d型触发器，用于锁存二进制计数器中的数据，并输出至cpu计算；所述延迟清零单元包括单稳态多谐振荡器、脉宽调节电阻r
ext
、脉宽调节电容c
ext
，用于延迟输出脉宽可调的脉冲信号并清零计数器，使计数器进入下一个计数周期。
8.所述有源晶振的频率参数是根据被测信号频率来选择的，为了保证测量精度，有
源晶振的频率参数至少大于被测信号频率一个数量级。
9.所述二进制计数器的位数根据基准脉冲频率及被测信号频率来选择，二进制计数器的位数n需满足以下条件：
10.转换为二进制的转换值的位数
11.其中，f
基
为基准脉冲的频率，单位为hz；f
测
为被测方波的频率，单位为hz；
12.若选择的计数器位数不够，则使用多个计数器进行级联，组成一个多位的异步计数器。
13.所述二进制计数器的计数清零方式为脉冲清零方式。
14.所述边沿触发式d型触发器为上升沿触发方式。
15.所述边沿触发式d型触发器的位数等于异步二进制计数器的位数n，若选择的触发器位数不够，则使用多个触发器通过同步触发的方式组合成多位边沿触发式d型触发器。
16.所述脉宽调节电容c
ext
与脉宽调节电阻r
ext
的约束条件为：
[0017][0018]
其中，k为恒定系数；t
delay
为单稳态多谐振荡器输入输出固有延时，单位为秒；k与t
delay
均与单稳态多振荡器的具体型号相关；f
基
为基准脉冲的频率，单位为hz；r
ext
单位为kω；c
ext
的单位为pf。
[0019]
一种二进制输出的电网频率测量方法，包括如下步骤：
[0020]
(1)确定有源晶振频率并计算基准脉冲的周期；
[0021]
(2)异步计数单元对基准脉冲进行计数；
[0022]
(3)被测信号上升沿到来时触发同步锁存单元；
[0023]
(4)cpu计算单元读取锁存单元的数据并进行计算，得出频率值；所述cpu计算单元可结合多个计数周期的频率值数据计算平均值，得到更加精准的被测信号频率值；
[0024]
(5)被测信号上升沿输入单稳态多谐振荡器后，经短暂延时输出清零脉冲，清零异步计数单元，并返回步骤(2)。
[0025]
步骤(4)中，所述cpu计算单元读取同步锁存单元的数据，结合基准脉冲周期，计算得到一个计数周期，再对计数周期进行求倒数后得到被测信号的频率值，被测信号频率值的计算公式为：
[0026][0027]
其中f
测
是被测信号频率值，ta是一个计数周期；n
计
是一个计数周期内计数的个数，t
基
是基准脉冲周期。
[0028]
步骤(5)中，所述同步锁存单元触发之后，经过所述单稳态多谐振荡器的短暂固有延时，会输出一个清零脉冲，异步计数单元被清零，进入下一个计数周期；所述清零脉冲的脉宽加上固有延时时间应当小于一个基准脉冲周期，保证在下一个基准脉冲到来之前将异步计数单元数据清零。
[0029]
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0030]
1、本发明提供的频率测量电路和方法，通过对输入方波信号进行处理，输出二进
制数据，cpu只需要进行简单的浮点运算即可得到被测信号的频率值，无需进行复杂的全波傅里叶计算，大幅减少了cpu的计算量；
[0031]
2、由于cpu直接处理二进制数据，不需要cpu中断调用内部计数器，为主程序优化提供了资源空间。
附图说明
[0032]
图1是本发明所述电路的功能单元框图；
[0033]
图2是本发明所述方法的步骤图。
具体实施方式
[0034]
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
[0035]
本发明提供一种二进制输出的电网频率测量电路和方法，在现有硬件测频法将电网电压转换为方波信号的基础上，通过对被测方波信号进行处理，输出cpu能够直接处理的二进制数据。
[0036]
如图1所示，一种二进制输出的电网频率测量电路，包括基准脉冲单元、异步计数单元、同步锁存单元、延迟清零单元和cpu计算单元。
[0037]
所述基准脉冲单元输出端与异步计数单元第一输入端连接；
[0038]
所述异步计数单元的输出端与同步锁存单元第一输入端连接；
[0039]
所述同步锁存单元第二输入端为被测方波信号，为本频率测量电路的输入端；所述同步锁存单元的输出端与所述cpu计算单元输入端连接，为本频率测量电路的输出端；
[0040]
所述延时清零单元输入端为被测方波信号；所述延时清零单元的输出端与所述异步计数单元的第二输入端连接；
[0041]
所述基准脉冲单元包括高精度有源晶振及信号调理电路，用于产生精准的方波作为基准脉冲；所述异步计数单元包括n位二进制计数器，用于对基准脉冲进行计数，并转换为二进制数据；所述同步锁存单元包括边沿触发式d型触发器，用于锁存二进制计数器中的数据，并输出至cpu计算；所述延迟清零单元包括单稳态多谐振荡器、脉宽调节电阻r
ext
、脉宽调节电容c
ext
，用于延迟输出脉宽可调的脉冲信号并清零计数器，使计数器进入下一个计数周期；
[0042]
所述脉宽调节电阻r
ext
一端连接到电压vcc，另一端连接到所述单稳态多谐振荡器的外部电阻管脚，所述脉宽调节电容c
ext
并联到所述单稳态多谐振荡器的两个外部电容管脚；
[0043]
由技术方案可知，所述有源晶振的频率参数应根据被测信号频率来选择，为了保证测量精度，有源晶振的频率参数应满足至少大于被测信号频率一个数量级；本实施例中有源晶振的频率参数选择为1mhz；
[0044]
由技术方案可知，所述二进制计数器的位数根据基准脉冲频率及被测信号频率来选择，二进制计数器的位数n需满足以下条件：
[0045]
转换为二进制的转换值的位数
[0046]
其中，f
基
为基准脉冲的频率，单位为hz；
[0047]f测
为被测方波的频率，单位为hz；
[0048]
经过计算，本实施例中，16位二进制计数器满足条件；
[0049]
由技术方案可知，所述二进制计数器的计数清零方式为脉冲清零方式；
[0050]
本实施例中二进制计数器选择2个8位二进制计数器74hc393dr级联，组成一个16位二级制异步计数器；
[0051]
由技术方案可知，所述边沿触发式d型触发器为上升沿触发方式，并且所述边沿触发式d型触发器的位数等于异步二进制计数器的位数n，若选择的触发器位数不够，可以使用多个触发器通过同步触发的方式组合成多位边沿触发式d型触发器；
[0052]
本实施例中选择2个型号为sn74hc574pwr的边沿触发式d型触发器通过同步触发的方式组合成1个16位的边沿触发式d型触发器；
[0053]
本实施例中单稳态多谐振荡器型号为sn74121n；
[0054]
而由技术方案可知，脉宽调节电容c
ext
与脉宽调节电阻r
ext
的约束条件为：
[0055][0056]
其中，k为恒定系数；
[0057]
t
delay
为单稳态多谐振荡器的输入输出固有延时；
[0058]
k与t
delay
均与单稳态多振荡器的具体型号相关；
[0059]f基
为基准脉冲的频率，单位为hz；r
ext
单位为kω；c
ext
的单位为pf；
[0060]
根据d型触发器的具体型号可得到k＝0.7，t
delay
《70ns，f
基
为基准脉冲的频率＝1mhz，
[0061]
本实施例中所述脉宽调节电阻r
ext
阻值为1kω；
[0062]
本实施例中所述脉宽调节电容c
ext
容值为100pf；
[0063]
经计算，脉宽调节电容c
ext
参数与脉宽调节电阻r
ext
参数满足上述约束条件。
[0064]
如图2所示，一种二进制输出的电网频率测量方法，所述方法包括如下步骤：
[0065]
(1)确定有源晶振频率并计算基准脉冲的周期；
[0066]
(2)异步计数单元对基准脉冲进行计数；
[0067]
(3)被测信号上升沿到来时触发同步锁存单元；
[0068]
(4)cpu计算单元读取锁存单元的数据并进行计算，得出频率值；所述cpu计算单元可结合多个计数周期的频率值数据计算平均值，得到更加精准的被测信号频率值；
[0069]
(5)被测信号上升沿输入单稳态多谐振荡器后，经短暂延时输出清零脉冲，清零异步计数单元，并返回步骤(2)。
[0070]
所述cpu计算单元读取同步锁存单元的数据，结合基准脉冲周期，可计算得到一个计数周期，再对计数周期进行求倒数后即可得到被测信号单个周期的频率值，被测信号单个周期频率值的计算公式为：
[0071][0072]
其中f
测
是被测信号频率值，ta是一个计数周期。n
计
是一个计数周期内计数的个数，t
基
是基准脉冲周期；
[0073]
所述同步锁存单元触发之后，经过所述单稳态多谐振荡器的短暂固有延时，会输
出一个清零脉冲，异步计数单元被清零，进入下一个计数周期；
[0074]
所述清零脉冲脉宽加上固有延时时间应当小于一个基准脉冲周期，保证在下一个基准脉冲到来之前将异步计数单元里的数据清零。
[0075]
所述cpu计算单元可结合多个计数周期的频率值数据计算平均值，得到更加精准的被测信号频率值，本实施例选取8个计数周期的频率值进行平均值计算，得到被测信号平均频率值为：
[0076][0077]
其中f
测avr
是被测信号平均频率值，f
测1
是第一个计数周期的频率值，f
测2
是第二个计数周期的频率值，以此类推。