快速高精度頻率測量方法

1　引言

　　電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定是近年來受到電力工程界廣泛關(guān)注的課題。失去頻率穩(wěn)定性，會使系統(tǒng)頻率崩潰而招致系統(tǒng)全停電；失去電壓穩(wěn)定性，會發(fā)生電壓崩潰，從而引起大面積停電。電力系統(tǒng)的頻率反映了發(fā)電機(jī)組發(fā)出的有功功率與負(fù)荷所需有功功率的平衡情況。目前，人們對電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)頻率的定義普遍沿用物理學(xué)和電工學(xué)對標(biāo)準(zhǔn)正弦交流電頻率即每秒變化的周期數(shù)的定義，這種測量頻率的方法就是“周期法”。不同的測頻裝置應(yīng)用周期法測頻的精度是不同的。準(zhǔn)確的測量時(shí)間和頻率在現(xiàn)代電力系統(tǒng)的運(yùn)行中起著重要的作用。況且現(xiàn)代電力系統(tǒng)是一種復(fù)雜而廣泛分散的結(jié)構(gòu)，經(jīng)常涉及多個(gè)地區(qū)。大量的發(fā)電機(jī)和用戶負(fù)載是并聯(lián)運(yùn)作的。—個(gè)互聯(lián)系統(tǒng)由許多控制區(qū)組成，電力從發(fā)電站傳輸?shù)接脩羧Q于許多地方測量的電力系統(tǒng)頻率。許多場合均需要進(jìn)行電網(wǎng)頻率實(shí)時(shí)測量。傳統(tǒng)的頻率測量采用計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)電壓波形過零點(diǎn)個(gè)數(shù)或測量波形兩相鄰過零點(diǎn)的時(shí)間間隔等方法。這些方法需占用微機(jī)的外部中斷口，增加過零比較器等硬件開銷，且在一些場合得不到令人滿意的測量結(jié)果。因此，近年來人們開始研究基于采樣值的頻率測量方法，但提出的一些方法多數(shù)計(jì)算量偏大，并且在測量精度和測量速度上不能獲得較好的統(tǒng)一，影響了實(shí)際應(yīng)用。為此，本文提出一種新的頻率測量方法，它同時(shí)具有很好的測量精度和計(jì)算速度。本文將在頻率測量的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件濾波方法研究的基礎(chǔ)上，提出一種實(shí)用有效的測頻方法。

2　頻率測量的基本算法

　　頻率測量是電子測量領(lǐng)域的最基本測量，通常頻率測量有兩種方法：

　?。?）計(jì)數(shù)法。這是指在一定的時(shí)間間隔T內(nèi)，對輸入的周期信號脈沖計(jì)數(shù)為：N，則信號的頻率為F＝N／T。測量的相對誤差為1／N×100％。顯然這種方法適合于高頻測量，信號的頻率越高，則相對誤差越小。

　　（2）測周法。這種方法是計(jì)量在被測信號一個(gè)周期內(nèi)頻率為F0的標(biāo)準(zhǔn)信號的脈沖數(shù)N來間接測量頻率，F(xiàn)＝F0／N。顯然，被測信號的周期越長（頻率越低），則測得的標(biāo)準(zhǔn)信號的脈沖數(shù)N越大，則相對誤差越小。

　　設(shè)電壓是一個(gè)恒定頻率和幅值的正弦波形，電壓信號可用下式表示：

V是電壓的峰值，ω＝2πf是用弧度表示的角頻率，t是時(shí)間，θ是初相角，當(dāng)電壓信號以TS時(shí)間間隔被采樣時(shí)，第k，k＋1，k＋2點(diǎn)的采樣值可以表示為：

　　利用該方法算頻率不僅速度跟不上，而且誤差也很大，其最大誤差為2％。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的頻率測量技術(shù)存在著不可避免的量化誤差和精確位數(shù)限制等問題，盡管傳統(tǒng)的測量被測信號周期的方法能夠克服這些問題，但也僅限于對低頻信號的測量，采用Motorola推出的32位微控制器中的CTM模塊來精密頻率測量技術(shù)，是將傳統(tǒng)的頻率測量技術(shù)與周期測量技術(shù)結(jié)合起來，對被測信號同時(shí)進(jìn)行頻率和周期測量，完成對高、低頻率的精確測定。

3　新型測頻方法

　　Motorola于2000年推出了一種新型的32位微控制器，它采用了HOMOS技術(shù)和精簡的指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（RISC）技術(shù)，數(shù)據(jù)處理能力達(dá)到32位，因而具有較高的執(zhí)行速度、較高的穩(wěn)定性和很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理功能。特別是采用了一個(gè)定時(shí)處理器TPU，可脫離CPU而單獨(dú)工作，專門處理與定時(shí)有關(guān)的事件，可減輕CPU的負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的執(zhí)行速度。我們此處主要用到了CTM模塊來進(jìn)行頻率測量。

　　CTM內(nèi)部主要寄存器有：BIUMCR、FCSMCNT、MCSM2CNT、MCSM11CNT、MCSM2ML、MCSM11ML、DASM3SIC、DASM4SIC、DASM9SIC、DASM10SIC等寄存器，對這些寄存器進(jìn)行初始化后，它便有：輸入捕捉、輸出比較、上升沿觸發(fā)、下降沿觸發(fā)等一系列功能。

　　CTM內(nèi)部有一個(gè)FREERUNING（自由運(yùn)行時(shí)鐘）。此處，我們用CTD9和CTD10兩個(gè)管腳作為輸入端，用來采集輸入電壓信號，輸入信號的頻率約為50 Hz，周期為20 ms。我們用16 MHz系統(tǒng)頻率64倍分頻后，產(chǎn)生的250 kHz的頻率作為基準(zhǔn)頻率來計(jì)數(shù)。

再用下式即可求出該方波的頻率。

　　式中，n代表CTM模塊中，數(shù)據(jù)寄存器（CTM＿DASM10A）或數(shù)據(jù)寄存器（CTM＿DASM9A）各自兩次的差值。利用該法是采用硬件捕捉脈沖，測量精度高，且速度極快，誤差小。此處應(yīng)用輸入捕捉功能，且對輸入信號uab上升沿觸發(fā)，一旦捕捉到上升沿，便將此時(shí)刻自由運(yùn)行時(shí)鐘（free running）的值讀入到CTM模塊中的數(shù)據(jù)寄存器（CTM＿DASM10A）中，并將狀態(tài)寄存器中的某一位置1，每個(gè)周期中斷來讀一下標(biāo)志位，若該位置位則說明該寄存器內(nèi)已有計(jì)數(shù)值，讀走后再將該位清0，以便下一次讀數(shù)。而此時(shí)DASM10的B通道，也對該輸入信號進(jìn)行上升沿捕捉，其步驟與A通道完全一樣。最后，按照（9）～（11）所述公式來各自計(jì)算頻率，然后取二者的平均值即為fab之值，這樣便會減少計(jì)數(shù)誤差。

對另一路輸入信號ubc則DASM9的A、B兩個(gè)通道，采用下降沿輸入捕捉功能，之所這樣做，是為了防止在受到干擾時(shí)，上升沿或者下降沿有畸變，而影響測量精度。最后，應(yīng)用f=來得出系統(tǒng)的頻率，相當(dāng)于取了平均值的平均值，這樣測到的頻率更加準(zhǔn)確。實(shí)踐證明，它能簡化測頻裝置硬件電路，提高裝置性能。

4　結(jié)論

　　本文方法已被應(yīng)用于低頻低壓自動(dòng)減載電力自動(dòng)裝置中。采用這一方法，不需要專用的測頻電路，簡化了該裝置硬件結(jié)構(gòu)，同時(shí)裝置性能得到改善，測頻更快速、更準(zhǔn)確。且該方法計(jì)算量小，測頻速度快，特別適合于電網(wǎng)頻率的微機(jī)實(shí)時(shí)測量。實(shí)踐證明，這種方法在保證了較高測量精度的同時(shí)，能保證頻率測量的快速完成，對于微型化智能測試系統(tǒng)的研制和進(jìn)一步開發(fā)產(chǎn)品具有一定的參考價(jià)值和實(shí)際應(yīng)用意義。