專利名稱：等精度測頻電路及其測頻方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測頻電路及其測頻方法，尤其涉及一種等精度測頻電路及其測頻 方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)場控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與通訊系統(tǒng)、設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)和人機接口單元在各個行業(yè) 中得到了廣泛的應(yīng)用。在汽輪機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，對汽輪機轉(zhuǎn)速采集的準確性和實時性要求非常高。常 用的采集方法為利用單片機在單位時間內(nèi)計數(shù)法，在單位時間內(nèi)對待測頻率信號進行計 數(shù)。單位時間內(nèi)檢測到的脈沖信號個數(shù)誤差為1，這種方法的測量精度會因頻率的高低變化 而產(chǎn)生較大波動。為了避免單位時間內(nèi)計數(shù)法中脈沖信號個數(shù)的誤差，提高轉(zhuǎn)速采集的準確性和實 時性，有必要提供等精度測頻電路及其測頻方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種等精度測頻電路及其測頻方法，消除單位 時間內(nèi)計數(shù)法帶來的脈沖信號個數(shù)的誤差，提高轉(zhuǎn)速信號采集的準確性和實時性。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題而采用的技術(shù)方案是提供一種等精度測頻電路，包括 第一計數(shù)器、第二計數(shù)器和分頻計數(shù)器，其中，被測信號分別和第一 D觸發(fā)器、第二 D觸發(fā)器 的時鐘輸入端相連，所述第一 D觸發(fā)器的輸出端和第一計數(shù)器的輸入端相連，所述第二 D觸 發(fā)器的輸出端和第二計數(shù)器的輸入端相連；所述第一 D觸發(fā)器的觸發(fā)端和控制信號START 相連，輸出端和第一計數(shù)器的使能端相連，所述第二 D觸發(fā)器的觸發(fā)端和控制信號STOP相 連，輸出端和第二計數(shù)器的使能端相連，實現(xiàn)控制信號與被測信號上升沿同步控制；所述分 頻計數(shù)器的輸出信號和第二 D觸發(fā)器的輸出信號反相相與后和第一計數(shù)器的時鐘輸入端 相連；所述被測信號和第二 D觸發(fā)器的輸出信號反相相與后和第二計數(shù)器的時鐘輸入端相 連。上述的等精度測頻電路，其中，所述待測信號通過光耦輸入電路，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換之 后的信號再經(jīng)過第一反相器、第二反相器實現(xiàn)信號的整形預(yù)處理后分別和第一 D觸發(fā)器、 第二 D觸發(fā)器的輸入端相連。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題還提供一種等精度測頻方法，所述方法包括如下步 驟a)當(dāng)控制信號START為高電平時，被測信號的上升沿通過第一 D觸發(fā)器的使能端同時 啟動第一計數(shù)器和第二計數(shù)器，對被測信號和標(biāo)準頻率信號同時計數(shù)；b)當(dāng)控制信號STOP 為高電平時，被測信號的上升沿通過第二 D觸發(fā)器的使能端輸出高電平信號，該高電平信 號取反后與頻率信號相與，使得第一計數(shù)器和第二計數(shù)器的輸入端電平保持為低電平，實 現(xiàn)同時停止第一計數(shù)器和第二計數(shù)器的計數(shù)；c)設(shè)在一次門控時間T中對被測信號計數(shù)值 為Nx，對標(biāo)準頻率信號的計數(shù)值為Ns，則被測信號的頻率值為Fx = (Fs/Ns) XNx。
上述的測頻方法，其中，所述分頻計數(shù)器為4位計數(shù)器，輸入信號采用2. 5MHZ的信 號，經(jīng)過八分頻后轉(zhuǎn)為輸出2. 5MHZ的標(biāo)準頻率信號。上述的測頻方法，其中，所述被測信號通過選擇不同的分壓電阻來改變輸入電路 的門檻電壓從而實現(xiàn)測量精度的調(diào)節(jié)。本發(fā)明對比現(xiàn)有技術(shù)有如下的有益效果本發(fā)明提供的等精度測頻電路及其測頻 方法，通過設(shè)置兩個D觸發(fā)器對兩個計數(shù)器進行同步計數(shù)，消除了單位時間內(nèi)計數(shù)法帶來 的脈沖信號個數(shù)的誤差，顯著提高了轉(zhuǎn)速信號采集的準確性和實時性。


圖1為本發(fā)明的等精度測頻電路示意圖；圖2為本發(fā)明的精度調(diào)節(jié)電路示意圖；圖3為本發(fā)明的輸入整形電路示意圖；圖4為本發(fā)明的等精度測頻率法示意圖；圖5為本發(fā)明的等精度測頻率方法流程圖；圖6為本發(fā)明等精度測頻電路及方法在汽輪機轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)中應(yīng)用示意圖。圖中1第一 D觸發(fā)器 2第二 D觸發(fā)器 3分頻計數(shù)器4第一計數(shù)器 5第二計數(shù)器 6比較器7第一反相器 8第二反相器 9光耦輸入電路
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的描述。圖1為本發(fā)明的等精度測頻電路示意圖。請參見圖1，本發(fā)明的的等精度測頻電路包括第一計數(shù)器4、第二計數(shù)器5和分頻 計數(shù)器3，其中，被測信號分別和第一 D觸發(fā)器1、第二 D觸發(fā)器2的時鐘輸入端相連，所述 第一 D觸發(fā)器1的輸出端和第一計數(shù)器4的輸入端相連，所述第二 D觸發(fā)器2的輸出端和 第二計數(shù)器5的輸入端相連；所述第一 D觸發(fā)器1的觸發(fā)端和控制信號START相連，輸出端和第一計數(shù)器4的 使能端相連，所述第二 D觸發(fā)器2的觸發(fā)端和控制信號STOP相連，輸出端和第二計數(shù)器5 的使能端相連，實現(xiàn)控制信號與被測信號上升沿同步控制；所述分頻計數(shù)器3的輸出信號和第二 D觸發(fā)器2的輸出信號反相相與后和第一計 數(shù)器4的時鐘輸入端相連；所述被測信號和第二 D觸發(fā)器2的輸出信號反相相與后和第二 計數(shù)器5的時鐘輸入端相連。為了進一步實現(xiàn)測量精度的可調(diào)，待測信號可以通過精度調(diào)節(jié)電路進行處理，精 度調(diào)節(jié)電路可以通過選擇不同的分壓電阻來改變輸入電路的門檻電壓從而實現(xiàn)測量精度 的可調(diào)，如圖2所示。四個分壓電阻(RSI、RS2、RS3、RS4)都不接通時，電源電壓5V加在 Rl (39K歐姆)和R2(1K歐姆)上，Rl分得的門檻電壓為5V+(39ΚΩ+1ΚΩ)*1ΚΩ = 125mV此時高于125mV的信號經(jīng)過比較器輸出都為1，低于125mV的信號經(jīng)過比較器輸出都為0，為了保證測量的穩(wěn)定性，限定用戶輸入的門檻電壓為250mV，測量精度最高；接通分 壓電阻RSl (20K歐姆)時，RSl和Rl并聯(lián)后的電阻值為13. 2K歐姆，此時門檻電壓為5V+(13. 2ΚΩ+1ΚΩ)*1ΚΩ = 350mV此時高于350mV的信號經(jīng)過比較器輸出都為1，低于350mV的信號經(jīng)過比較器輸出 都為0，為了保證測量的穩(wěn)定性，限定用戶輸入的門檻電壓為500mV，測量精度次高。以此類 推，選通不同的分壓電阻值即可以實現(xiàn)測量精度的可調(diào)。待測信號可以通過整形電路進行預(yù)處理待測信號通過光耦輸入實現(xiàn)輸入電路和 測量電路的隔離，保證了測量的抗干擾性，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換之后的信號再經(jīng)過第一反相器7 和第二反相器8實現(xiàn)信號的整形預(yù)處理，如圖3所示。圖4為本發(fā)明的等精度測頻率法示意圖；圖5為本發(fā)明的等精度測頻率方法流程 圖。請參見圖4和圖5，本發(fā)明的等精度測頻率方法如下1)第一計數(shù)器4(16位計數(shù)器)和第二計數(shù)器5 (8位計數(shù)器)，高電平允許計數(shù)。 標(biāo)準頻率信號采用2. 5MHZ的信號將20MHZ的信號從分頻計數(shù)器3 (4位計數(shù)器)的時鐘輸 入端C輸入經(jīng)過八分頻后轉(zhuǎn)為2. 5MHZ的頻率信號，該頻率信號從第一計數(shù)器4的時鐘輸入 端C輸入，定義其頻率為Fs ；被測信號經(jīng)外部電路整形后從第二計數(shù)器5的時鐘輸入端C輸 入，測量頻率為&。2)第一 D觸發(fā)器1和第二 D觸發(fā)器2對被測信號h的上升沿檢測，實現(xiàn)控制信號 (START/STOP)與!7X上升沿同步。當(dāng)START為高電平時，被測信號的上升沿通過第一 D觸發(fā)器1的觸發(fā)端Q同時啟 動第一計數(shù)器4和第二計數(shù)器5，對被測信號h和標(biāo)準頻率信號Fs同時計數(shù)。當(dāng)STOP為 高電平時，被測信號的上升沿通過第二 D觸發(fā)器5的觸發(fā)端Q輸出高電平信號，該高電平信 號取反后與頻率信號相與，使得第一計數(shù)器4和第二計數(shù)器5的輸入端C電平保持為低電 平，實現(xiàn)同時停止第一計數(shù)器和第二計數(shù)器的計數(shù)。這樣就保證了第二計數(shù)器5對被測信號計數(shù)剛好為整數(shù)個周期，而計數(shù)器1對基 準信號計數(shù)的誤差為正負1個脈沖。3)設(shè)在一次門控時間T中對被測信號計數(shù)值為Nx，對標(biāo)準頻率信號的計數(shù)值為 Ns，則被測信號的頻率值為=Fx = (Fs/Ns) XNx，如圖4所示。4)完成一次測量后，控制芯片發(fā)送CLR信號，同時清零第一計數(shù)器4和第二計數(shù)
ο5)待測信號通過比較器轉(zhuǎn)換成高低電平信號，為了保證信號輸入電路不會干擾測 量電路，在輸入電路和測量電路之間通過光耦進行連接實現(xiàn)光電隔離，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換之后 的信號再通過第一反相器7和第二反相器8進行整形處理。6)調(diào)節(jié)比較器6的門檻電壓可以實現(xiàn)待測信號的測量精度的調(diào)節(jié)。通過單片機發(fā) 送指令，選通不同的分壓電阻進而調(diào)節(jié)門檻電壓，實現(xiàn)測量精度的調(diào)節(jié)。圖6為本發(fā)明等精度測頻電路及方法在汽輪機轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)中應(yīng)用示意圖。請繼續(xù)參見圖6，本發(fā)明提供的等精度測頻電路，可以通過選用型號為)(C9572XL 的可編程邏輯控制器件，STC12C5A的單片機，LM393的比較器，4N35的光電耦合轉(zhuǎn)換器， 74HC14的反相器構(gòu)建。，也可以通過可編程邏輯控制器件(CPLD)構(gòu)建。下面對采用CPLD計數(shù)等精度測頻法的系統(tǒng)的性能進行測試，同原來的單位計數(shù)法做對比。兩個系統(tǒng)都采用 STC12C5A芯片、XC9572XL芯片和相同的整形電路，實驗系統(tǒng)中通過對相同的信號進行采 集，通過數(shù)據(jù)通訊傳輸?shù)缴衔粰C軟件輸出顯示。檢測轉(zhuǎn)速脈沖信號從1轉(zhuǎn)到11000轉(zhuǎn)的采 集精度和采集時間。
權(quán)利要求
1.一種等精度測頻電路，包括第一計數(shù)器G)、第二計數(shù)器( 和分頻計數(shù)器(3)，其 特征在于，被測信號分別和第一D觸發(fā)器(1)、第二D觸發(fā)器( 的時鐘輸入端相連，所述第 一 D觸發(fā)器(1)的輸出端和第一計數(shù)器的輸入端相連，所述第二 D觸發(fā)器O)的輸出 端和第二計數(shù)器(5)的輸入端相連；所述第一 D觸發(fā)器(1)的觸發(fā)端和控制信號START相連，輸出端和第一計數(shù)器(4)的 使能端相連，所述第二 D觸發(fā)器O)的觸發(fā)端和控制信號STOP相連，輸出端和第二計數(shù)器 (5)的使能端相連，實現(xiàn)控制信號與被測信號上升沿同步控制；所述分頻計數(shù)器C3)的輸出信號和第二 D觸發(fā)器( 的輸出信號反相相與后和第一計 數(shù)器的時鐘輸入端相連；所述被測信號和第二 D觸發(fā)器O)的輸出信號反相相與后和 第二計數(shù)器(5)的時鐘輸入端相連。
2.如權(quán)利要求1所述的等精度測頻電路，其特征在于，所述待測信號通過光耦輸入電 路(9)，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換之后的信號再經(jīng)過第一反相器(7)、第二反相器(8)實現(xiàn)信號的整形 預(yù)處理后分別和第一 D觸發(fā)器(1)、第二 D觸發(fā)器O)的輸入端相連。
3.一種采用權(quán)利要求1所述的等精度測頻電路的測頻方法，其特征在于，所述方法包 括如下步驟a)當(dāng)控制信號START為高電平時，被測信號的上升沿通過第一D觸發(fā)器(1)的使能端 同時啟動第一計數(shù)器(4)和第二計數(shù)器(5)，對被測信號和標(biāo)準頻率信號同時計數(shù)；b)當(dāng)控制信號STOP為高電平時，被測信號的上升沿通過第二D觸發(fā)器( 的使能端輸 出高電平信號，該高電平信號取反后與頻率信號相與，使得第一計數(shù)器(4)和第二計數(shù)器 (5)的輸入端電平保持為低電平，實現(xiàn)同時停止第一計數(shù)器(4)和第二計數(shù)器(5)的計數(shù)；c)設(shè)在一次門控時間T中對被測信號計數(shù)值為Nx，對標(biāo)準頻率信號的計數(shù)值為Ns，則 被測信號的頻率值為Fx = (Fs/Ns) XNx。
4.如權(quán)利要求3所述的測頻方法，其特征在于，所述分頻計數(shù)器(3)為4位計數(shù)器，輸 入信號采用2. 5MHZ的信號，經(jīng)過八分頻后轉(zhuǎn)為輸出2. 5MHZ的標(biāo)準頻率信號。
5.如權(quán)利要求3所述的測頻方法，其特征在于，所述被測信號通過選擇不同的分壓電 阻來改變輸入電路的門檻電壓從而實現(xiàn)測量精度的調(diào)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種等精度測頻電路及其測頻方法，所述電路包括第一計數(shù)器、第二計數(shù)器和分頻計數(shù)器，其中，被測信號分別和第一D觸發(fā)器、第二D觸發(fā)器的時鐘輸入端相連；所述第一D觸發(fā)器的觸發(fā)端和控制信號START相連，輸出端和第一計數(shù)器的使能端相連，所述第二D觸發(fā)器的觸發(fā)端和控制信號STOP相連，輸出端和第二計數(shù)器的使能端相連，實現(xiàn)控制信號與被測信號上升沿同步控制；所述分頻計數(shù)器的輸出信號和第一計數(shù)器的時鐘輸入端相連；所述被測信號和第二計數(shù)器的時鐘輸入端相連。本發(fā)明提供的等精度測頻電路及其測頻方法，消除了單位時間內(nèi)計數(shù)法帶來的脈沖信號個數(shù)的誤差，顯著提高了轉(zhuǎn)速信號采集的準確性和實時性。
文檔編號G01R23/02GK102128979SQ201010619110
公開日2011年7月20日 申請日期2010年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月30日
發(fā)明者山陳琦, 朱強, 韓媛, 高雪麗 申請人:上海自動化儀表股份有限公司