曼 納 沈海軍 鄭祖平 趙宏衛(wèi)

1.新疆特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院；2.上海交通大學(xué)

引言

電力系統(tǒng)中頻率與電壓是衡量電能質(zhì)量的兩大重要指標(biāo)，頻率偏差的大小不僅對(duì)電力生產(chǎn)企業(yè)而且對(duì)除照明及電熱負(fù)荷以外用戶的機(jī)電設(shè)備(如水泵，風(fēng)機(jī)等)的使用效率都會(huì)產(chǎn)生影響，為此精確地測量電網(wǎng)頻率并在一定范圍內(nèi)(±0.1HZ～±0.5HZ)迅速準(zhǔn)確無誤地顯示是對(duì)頻率測量儀的基本要求，尤其在當(dāng)今提倡行業(yè)達(dá)標(biāo)的前提下，顯得更為重要。

隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子元器件亦在不斷地創(chuàng)新提高，頻率測量儀采用的元器件也從分立元件過渡到集成電路，本文主要介紹一種新穎的采用CMOS電路器件構(gòu)成的測頻測速裝置。

1 工作原理

測頻測速裝置的工作原理如圖1所示，整個(gè)頻率測量由基準(zhǔn)環(huán)節(jié)、采樣環(huán)節(jié)、門電路環(huán)節(jié)和測量環(huán)節(jié)共同來實(shí)現(xiàn)。

圖1 頻率測量原理圖

2 具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 基準(zhǔn)環(huán)節(jié)

基準(zhǔn)環(huán)節(jié)由晶振單元與分頻單元組成如圖2所示。晶振單元由電阻R0和與非門YF0及石英晶體振蕩器Q并聯(lián)后，構(gòu)成性能穩(wěn)定可靠的振蕩回路。分頻單元由記數(shù)器4518及4018組成，其中4518是一種用途廣泛雙片獨(dú)立的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，4018是可預(yù)置數(shù)1/N的計(jì)數(shù)器。4兆的信號(hào)經(jīng)二級(jí)4518計(jì)數(shù)器U1，U2分頻后再輸至4018計(jì)數(shù)器U3，其輸出信號(hào)通過一個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)ZK1的切換并經(jīng)一個(gè)或門電路及最后一級(jí)4518計(jì)數(shù)器U4，最終可獲得一個(gè)周期為1.25秒或0.75秒，占空比均為20%的基準(zhǔn)信號(hào)電壓V(b)，為后面的頻率測量或轉(zhuǎn)速測量提供必要的基準(zhǔn)。

圖2 基準(zhǔn)環(huán)節(jié)原理圖

2.2 采樣環(huán)節(jié)

圖3 采樣環(huán)節(jié)原理圖

如圖3所示，采樣環(huán)節(jié)由整型單元與倍頻單元組成。整型單元由電阻R1/R2、電容C1/C2、二極管D1和光隔器件GG構(gòu)成簡易、可靠和實(shí)用的電路。當(dāng)輸入頻率為零(即直流)的電壓U(f)或輸入回路斷開時(shí)，光隔輸出電壓V(f)為1即高電位；當(dāng)輸入頻率為f的交流強(qiáng)電電壓U(f)經(jīng)R1、C1濾波，再通過R2、C2隔直分壓輸至光隔器件GG兩端時(shí)，在光隔器件GG另兩端即可得到頻率亦為f，幅度為0～Vdd(即0～1)，占空比固定的交變?nèi)蹼娦盘?hào)電壓V(f)，至此達(dá)到強(qiáng)弱電可靠隔離的目的。

倍頻單元是裝置的核心部分，由計(jì)數(shù)器4518，4018和鎖相環(huán)4046構(gòu)成1 000倍頻的電路，鎖相環(huán)輸出電壓V(d)接至后面測量環(huán)節(jié)中的計(jì)數(shù)單元，計(jì)數(shù)器4518，4018在這里用作分頻，組合成1 000倍頻的電路，鎖相環(huán)4046是一種精密的、多用途的由相位比較器、低通濾波器和壓控振蕩器等環(huán)節(jié)組成的相位同步自動(dòng)控制電路。通過適當(dāng)?shù)呐渲猛獠吭?，就可在鎖相環(huán)輸出端4處得到一個(gè)占空比為50%、頻率相比輸入端14處高 1 000倍的方波信號(hào)電壓V(d)。此外，為提高抗干擾的能力，在鎖相環(huán)禁止輸入端5處，設(shè)計(jì)了輔助電路，可保證當(dāng)沒有施加電壓U(f)時(shí)即便在強(qiáng)電磁場的環(huán)境里輸出仍舊為0，以避免最終出現(xiàn)異常閃爍顯示的情況。

2.3 門電路環(huán)節(jié)

為了能更好地提高測量精度及穩(wěn)定顯示，設(shè)計(jì)了如圖4所示的門電路并繪出了各點(diǎn)相關(guān)波形。

圖4 門電路環(huán)節(jié)原理圖

當(dāng)基準(zhǔn)信號(hào)電壓V(b)下跳變結(jié)束后，電源VDD經(jīng)R8和R9分別加至與非門YF4YF6的輸入端，則與非門YF5輸出為高電平1，YF6輸出為低電平0。當(dāng)基準(zhǔn)信號(hào)電壓V(b)上跳變?yōu)榕R時(shí)電容C6瞬間等效于短接，與非門YF6的輸入端J處仍為高電平，使與非門YF6輸出狀態(tài)不變；另一方面基準(zhǔn)信號(hào)電壓V(b)經(jīng)與非門YF3倒相后狀態(tài)剛好相反，此時(shí)與非門YF3輸出為下跳變，電容C7瞬間等效于短接，與非門YF4的輸入端I處呈低電平，電源VDD經(jīng)R8向電容C7充電，經(jīng)短暫的R8，C7時(shí)間tw延遲后又恢復(fù)至高電平。為增加跳變的陡度，經(jīng)兩級(jí)與非門YF4及YF5，在與非門YF5的輸出端得到和與非門YF4的輸入端I處變化一致的控制信號(hào)電壓V(L)。同理，當(dāng)基準(zhǔn)信號(hào)電壓V(b)下跳變來臨時(shí)電容C6瞬間等效于短接，與非門YF6的輸入端J處則為低電平，與非門YF6輸出轉(zhuǎn)為高電平，這時(shí)候電源VDD經(jīng)R9向電容C6充電，經(jīng)短暫的R9，C6時(shí)間tw延遲后與非門YF6的輸入端J處又恢復(fù)至高電平，與非門YF6輸出控制信號(hào)V(c)亦恢復(fù)至低電平；當(dāng)基準(zhǔn)信號(hào)電壓V(b)下跳變來臨的同一時(shí)刻，與非門YF3輸出為上跳變，與非門YF4的輸入端I處仍維持為高電平，與非門YF5輸出控制信號(hào)電壓V(L)狀態(tài)不變。至此，可以看出，當(dāng)占空比為80%的基準(zhǔn)信號(hào)電壓V(b)經(jīng)門電路環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換后輸出兩個(gè)控制信號(hào)電壓V(L)及V(c)，分別去控制測量環(huán)節(jié)里的計(jì)數(shù)單元4518中的置零端R及譯碼單元4511中的鎖存端LE。

2.4 測量環(huán)節(jié)

如圖5所示，測量環(huán)節(jié)由計(jì)數(shù)單元與譯碼單元組成，計(jì)數(shù)單元由4518計(jì)數(shù)器采用串行輸入并行輸出的連接方法構(gòu)成5位有效數(shù)測量，與前面介紹有所區(qū)別的是這里4518計(jì)數(shù)器所有的置零端R連在一起受門電路環(huán)節(jié)輸出信號(hào)電壓V(c)的控制。

圖5 測量環(huán)節(jié)原理圖

4518計(jì)數(shù)器特定的功能如表1所示，下面對(duì)計(jì)數(shù)單元的工作原理作簡單介紹：當(dāng)施加在計(jì)數(shù)單元第一級(jí)4518計(jì)數(shù)器輸入端CLK上的基準(zhǔn)信號(hào)電壓V(b)為低電平時(shí)段TL，計(jì)數(shù)器輸出處在計(jì)數(shù)狀態(tài)，具體數(shù)值由計(jì)數(shù)器的另一輸入端EN上的倍頻信號(hào)電壓V(d)的頻率決定；當(dāng)施加在計(jì)數(shù)單元第一級(jí)4518計(jì)數(shù)器輸入端CLK上的基準(zhǔn)信號(hào)電壓V(b)為高電平時(shí)段TH，計(jì)數(shù)器處在保持狀態(tài)，仍保持計(jì)數(shù)時(shí)段最后一刻所記錄的數(shù)值，然后按照基準(zhǔn)信號(hào)電壓V(b)的周期TB重復(fù)上述現(xiàn)象。如果基準(zhǔn)信號(hào)電壓V(b)的周期TB選擇定為1.25秒占空比為20%的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，則基準(zhǔn)信號(hào)電壓V(b)的低電平時(shí)段TL為1秒也就是計(jì)數(shù)器執(zhí)行計(jì)數(shù)所持續(xù)的時(shí)間為1秒，其輸出端的第一位就得到1 000f的個(gè)數(shù)脈沖。

同理，如果基準(zhǔn)信號(hào)電壓V(b)的周期TB選擇定為0.75秒、占空比為20%的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，則基準(zhǔn)信號(hào)電壓V(b)的低電平時(shí)段TL為0.6秒，其輸出端的第一位就得到600f的個(gè)數(shù)脈沖，若頻率f此時(shí)為50周波的工頻，對(duì)應(yīng)的輸出則可根據(jù)圖2中轉(zhuǎn)換開關(guān)ZK1的定位得到不同周期TB的基準(zhǔn)信號(hào)電壓V(b)，進(jìn)而得到50 000顯示或30 000顯示，再適當(dāng)控制小數(shù)點(diǎn)位置的指示就很容易實(shí)現(xiàn)頻率與轉(zhuǎn)速之間的測量轉(zhuǎn)換。

另外為保證測量計(jì)數(shù)的精度，每次計(jì)數(shù)刷新(即置零)所需的時(shí)間tw，也就是經(jīng)門電路環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換后輸出其中一個(gè)控制信號(hào)V(c)的高電平持續(xù)的時(shí)段控制在5us左右，這樣既能滿足4518計(jì)數(shù)器固有轉(zhuǎn)換所需必要時(shí)間(約0.8us)，又能確保遠(yuǎn)小于倍頻信號(hào)電壓V(d)的周期(當(dāng)測量頻率f為工頻50或60赫茲時(shí)倍頻信號(hào)電壓，V(d)的周期為20或16.67 us)。所以在每個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)段TL內(nèi)，計(jì)數(shù)器所計(jì)得的倍頻信號(hào)電壓V(d)的脈沖信號(hào)與實(shí)際輸入的脈沖個(gè)數(shù)之間最大偏差為一個(gè)脈沖信號(hào)，可見其測量精度是相當(dāng)高的，計(jì)數(shù)器各級(jí)之間串行輸入連接后并行輸出至后面的譯碼單元所對(duì)應(yīng)的4511譯碼器上，為下面的譯碼顯示做好準(zhǔn)備。

表1 4518功能表

2.5 譯碼環(huán)節(jié)

譯碼單元由4511譯碼器組成，其作用是將4518記數(shù)單元所輸出的BCD碼變成直接可供顯示的帶功率放大的電路。此外，該譯碼器還具有鎖存，消隱功能，其連接方法如圖6所示，其中A～D為譯碼器輸入端接受BCD碼，a～g為譯碼器輸出端，LE為鎖存端，當(dāng)LE端為高電平時(shí)，譯碼器處在鎖存狀態(tài)，即輸出端鎖定在輸入端傳輸時(shí)段最后一刻所輸入的數(shù)據(jù)；而當(dāng)LE端為低電平時(shí)，譯碼器處在傳輸狀態(tài)，即輸出端接受輸入端傳遞的BCD碼并經(jīng)譯碼處理后驅(qū)動(dòng)數(shù)碼顯示塊。整個(gè)譯碼單元由五塊4511譯碼器及對(duì)應(yīng)的五塊數(shù)碼顯示塊構(gòu)成，如測量的為頻率信號(hào)則相應(yīng)的千位顯示器上的小數(shù)點(diǎn)點(diǎn)亮，這樣就可構(gòu)成帶三位小數(shù)點(diǎn)的五位有效數(shù)的頻率指示，如測量的為轉(zhuǎn)速信號(hào)則相應(yīng)的十位顯示器上的小數(shù)點(diǎn)點(diǎn)亮，這樣就可構(gòu)成帶一位小數(shù)點(diǎn)的五位有效數(shù)的轉(zhuǎn)速指示。譯碼單元中所有譯碼器的鎖存端LE連在一起，受門電路單元輸出的信號(hào)V(L)的控制，控制信號(hào)V(L)與基準(zhǔn)信號(hào)電壓V(b)的周期一致，控制信號(hào)V(L)中的高電平所持續(xù)的時(shí)間tw與施加在計(jì)數(shù)單元4518置零端R上的控制信號(hào)V(c)中的低電平所持續(xù)的時(shí)間相一致。另外在每個(gè)數(shù)碼管(LED)的公共端bus處，設(shè)計(jì)了分壓電路，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整電位器W1～W5后，可以保證當(dāng)譯碼器輸出發(fā)生改變時(shí)亮度保持前后一致。

圖6 譯碼環(huán)節(jié)原理圖

3 結(jié)語

本裝置除采用少量的分立元件，其余部分由CMOS電路組成，由于構(gòu)思新穎，設(shè)計(jì)獨(dú)特，加之采用的器件普及，因而具有精度高、功耗低、價(jià)格廉等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室長期使用，性能穩(wěn)定，可靠性高，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。