一種新的快速高精度頻率測量方法

摘 要　本文提出了一種用Motorola公司推出的32位機中的CTM模塊來快速、精確的硬件測頻方法，該方法已被應用于低頻低壓自動減載電力自動裝置中。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構，同時裝置性能得到改善，測頻更快速、更準確。且該方法計算量小，測頻速度快，特別適合于電網頻率的微機實時測量。實踐證明，這種方法在保證了較高測量精度的同時，能保證頻率測量的快速完成，對于微型化智能測試系統的研制和進一步開發產品具有一定的參考價值和實際應用意義。

關鍵詞　頻率　測量　單片機　硬件

1　引言

　　電力系統頻率穩定是近年來受到電力工程界廣泛關注的課題。失去頻率穩定性，會使系統頻率崩潰而招致系統全停電；失去電壓穩定性，會發生電壓崩潰，從而引起大面積停電。電力系統的頻率反映了發電機組發出的有功功率與負荷所需有功功率的平衡情況。目前，人們對電力系統動態頻率的定義普遍沿用物理學和電工學對標準正弦交流電頻率即每秒變化的周期數的定義，這種測量頻率的方法就是“周期法”。不同的測頻裝置應用周期法測頻的精度是不同的。準確的測量時間和頻率在現代電力系統的運行中起著重要的作用。況且現代電力系統是一種復雜而廣泛分散的結構，經常涉及多個地區。大量的發電機和用戶負載是并聯運作的。—個互聯系統由許多控制區組成，電力從發電站傳輸到用戶取決于許多地方測量的電力系統頻率。許多場合均需要進行電網頻率實時測量。傳統的頻率測量采用計算單位時間內電壓波形過零點個數或測量波形兩相鄰過零點的時間間隔等方法。這些方法需占用微機的外部中斷口，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計算量偏大，并且在測量精度和測量速度上不能獲得較好的統一，影響了實際應用。為此，本文提出一種新的頻率測量方法，它同時具有很好的測量精度和計算速度。本文將在頻率測量的硬件電路設計和軟件濾波方法研究的基礎上，提出一種實用有效的測頻方法。

2　頻率測量的基本算法

　　頻率測量是電子測量領域的最基本測量，通常頻率測量有兩種方法：

　　（1）計數法。這是指在一定的時間間隔T內，對輸入的周期信號脈沖計數為：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。這種方法是計量在被測信號一個周期內頻率為F0的標準信號的脈沖數N來間接測量頻率，F＝F0／N。顯然，被測信號的周期越長（頻率越低），則測得的標準信號的脈沖數N越大，則相對誤差越小。

　　設電壓是一個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是時間，θ是初相角，當電壓信號以TS時間間隔被采樣時，第k，k＋1，k＋2點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％。這是因為傳統的頻率測量技術存在著不可避免的量化誤差和精確位數限制等問題，盡管傳統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，是將傳統的頻率測量技術與周期測量技術結合起來，對被測信號同時進行頻率和周期測量，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技術和精簡的指令系統計算機（RISC）技術，數據處理能力達到32位，因而具有較高的執行速度、較高的穩定性和很強的數據處理功能。特別是采用了一個定時處理器TPU，可脫離CPU而單獨工作，專門處理與定時有關的事件，可減輕CPU的負擔，提高系統的執行速度。我們此處主要用到了CTM模塊來進行頻率測量。

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

　　CTM內部有一個FREERUNING（自由運行時鐘）。此處，我們用CTD9和CTD10兩個管腳作為輸入端，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系統頻率64倍分頻后，產生的250 kHz的頻率作為基準頻率來計數。

再用下式即可求出該方波的頻率。

　　式中，n代表CTM模塊中，數據寄存器（CTM＿DASM10A）或數據寄存器（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。此處應用輸入捕捉功能，且對輸入信號uab上升沿觸發，一旦捕捉到上升沿，便將此時刻自由運行時鐘（free running）的值讀入到CTM模塊中的數據寄存器（CTM＿DASM10A）中，并將狀態寄存器中的某一位置1，每個周期中斷來讀一下標志位，若該位置位則說明該寄存器內已有計數值，讀走后再將該位清0，以便下一次讀數。而此時DASM10的B通道，也對該輸入信號進行上升沿捕捉，其步驟與A通道完全一樣。最后，按照（9）～（11）所述公式來各自計算頻率，然后取二者的平均值即為fab之值，這樣便會減少計數誤差。

對另一路輸入信號ubc則DASM9的A、B兩個通道，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，上升沿或者下降沿有畸變，而影響測量精度。最后，應用f=來得出系統的頻率，相當于取了平均值的平均值，這樣測到的頻率更加準確。實踐證明，它能簡化測頻裝置硬件電路，提高裝置性能。

4　結論

　　本文方法已被應用于低頻低壓自動減載電力自動裝置中。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構，同時裝置性能得到改善，測頻更快速、更準確。且該方法計算量小，測頻速度快，特別適合于電網頻率的微機實時測量。實踐證明，這種方法在保證了較高測量精度的同時，能保證頻率測量的快速完成，對于微型化智能測試系統的研制和進一步開發產品具有一定的參考價值和實際應用意義。 參考文獻 酸度計/PH計| 鹽度計| 糖度計| 電導儀/電導計| 溶氧儀| 水分測定儀| 溶解量測試儀|

1　Motorola inc．SIM System Integration Module Reference Manual．1990

2　Motorola inc．TPU TimeProcessor UnitReference Man－ual．1991

3　Motorola Inc．User＇s Manual．1993

4　崔廣新．高性能價格比單片機．電子技術應用，1996，22（2）：47～49