СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2010 года по МПК G01R23/02 

Предлагаемое изобретение относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники и может быть использовано для измерения мгновенных и усредненных значений частоты.

Согласно известному способу определения усредненных значений частоты [1] искомая усредненная частота ƒ_y определяется путем подсчета числа периодов N_x на заданном интервале времени Т и вычисления частоты путем деления длительности интервала Т на подсчитанное число периодов N_x за интервал

Недостатком данного способа является низкая точность, погрешность способа равна ±0,5/Nx. Для уменьшения погрешности способа необходимо значительное увеличение интервала измерения Т. Например [1], для получения погрешности в 0,5% при измерении частоты 50 Гц интервал измерения Т должен составлять 200 с. Способ дает приемлемые результаты только при измерении высоких частот.

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения мгновенных значений низкой частоты за каждый период [1, 2], согласно которому определяется длительность Т_x одного периода колебаний искомой частоты ƒ_x по числу N_1x импульсов высокочастотных колебаний кварцевого генератора, заполняющих период Т_х с частотой ƒ_кг и подсчитываемых счетчиком импульсов, число импульсов N_1x переписывается из счетчика в буфер памяти, счетчик импульсов обнуляется для подготовки его к измерению частоты в следующем периоде, а измеряемая частота ƒ_X определяется как величина, обратная длительности Т_х периода

где К - коэффициент пропорциональности, кратный частоте f кг.

Недостатком прототипа предлагаемого способа является низкая точность, обусловленная затратами времени на запись числа импульсов N_1x из счетчика в буфер памяти и на обнуление счетчика для подготовки его к измерению частоты в следующем периоде. Это «потерянное» время, затраченное на прерывание циклической работы счетчика, занижает фактическую длительность периода Т_х, что приводит к завышению показаний измеряемой частоты ƒ_x. Этот способ приемлем в тех случаях, когда частота входного сигнала ƒ_x намного меньше частоты ƒ_кг кварцевого генератора.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству для реализации способа является система для измерения отклонений частоты промышленного напряжения [3], содержащая входную клемму, аналоговый компаратор, генератор эталонной частоты, делители частоты, два оперативных запоминающих устройства, два двоично-десятичных счетчика, четыре двоичных счетчика, два шифратора, два распределителя уровней, два индикатора, три триггера, регистр, многоканальный коммутатор, элементы И и ИЛИ, многопозиционный и двухпозиционный переключатели, кнопку управления.

Недостатками прототипа-устройства являются узкие функциональные возможности, сложность схемы, слишком большой интервал усреднения наблюдаемой частоты (10 минут), снижающий быстродействие прототипа, недостаточно высокая точность.

Техническая задача, решаемая изобретением, - повышение точности измерения частоты.

Указанная техническая задача (в первом варианте способа, предназначенном для измерения мгновенных значений частоты) решается благодаря тому, что при способе измерения мгновенных значений низкой частоты за каждый период, согласно которому длительность Т_х одного периода колебаний искомой частоты ƒ_x измеряют с помощью таймера, счетчик которого считает импульсы кварцевого генератора с частотой ƒ_кг, код длительности T_x одного периода запоминают в регистре для последующих вычислений, а измеряемую частоту ƒ_x вычисляют как величину, обратную длительности Т_x периода по формуле ƒ_х=К/Т_x (где К - коэффициент пропорциональности, кратный частоте ƒ_кг), дополнительно время измеряют с помощью таймера, счетчик которого работает в непрерывном режиме без прерываний, в моменты времени окончания t_i и начала t_i-1 измеряемого периода содержимое счетчика таймера, соответственно N_i и N_i-1, переписывают в регистры путем захвата, а длительность периода Т_х измеряемой частоты ƒ_x вычисляют по формуле Т_х=N_i-N_i-1.

Указанная техническая задача (во втором варианте способа, предназначенном для измерения мгновенных значений частоты при ограниченной емкости таймера) решается благодаря тому, что при способе измерения мгновенных значений низкой частоты за каждый период, согласно которому длительность Т_х одного периода колебаний искомой частоты ƒ_x измеряют с помощью таймера, счетчик которого считает импульсы кварцевого генератора с частотой ƒ_кг, код длительности Т_x одного периода переписывают в регистр для последующих вычислений, а измеряемую частоту ƒ_x вычисляют как величину, обратную длительности T_x периода по формуле ƒ_х=К/Т_x (где K - коэффициент пропорциональности, кратный частоте ƒкг), дополнительно время измеряют с помощью таймера, счетчик которого работает в непрерывном режиме без прерываний, определяют число k переполнений счетчика таймера с помощью дополнительного счетчика, в моменты времени окончания t_i и начала t_i-1 измеряемого периода содержимое счетчика таймера, соответственно N_i и N_i-1, переписывают в регистры путем захвата, а длительность периода T_x измеряемой частоты ƒ_x вычисляют по формуле T_x=N_i-N_i-1+kN_Т (где N_T - емкость счетчика таймера).

Указанная техническая задача (в третьем варианте способа, предназначенном для измерения усредненных значений частоты за n периодов) решается благодаря тому, что при способе измерения мгновенных значений низкой частоты за каждый период, согласно которому длительность Т_у интервала усреднения колебаний искомой усредненной частоты ƒ_у измеряют с помощью таймера, счетчик которого считает импульсы кварцевого генератора с частотой ƒ_кг, код длительности Т_у интервала усреднения переписывают в регистр для последующих вычислений, а измеряемую усредненную частоту ƒ_у вычисляют как величину, обратную длительности Т_у интервала усреднения по формуле f_y=К/Т_у (где К - коэффициент пропорциональности, кратный частоте ƒ_кг), дополнительно интервал усреднения Т_у=Т_nx частоты задают целым числом n периодов измеряемой частоты, время измеряют с помощью таймера, счетчик которого работает в непрерывном режиме без прерываний, в моменты времени окончания t_i+n n-го периода и начала t_i-1 первого периода интервала усреднения частоты содержимое счетчика таймера, соответственно N_i+n и N_j-1, переписывают в регистры путем захвата, суммарную длительность n периодов Т_nx определяют по разности содержимого таймера в конце и в начале интервала усреднения Т_nх=N_i+n-N_i-1, а измеряемую усредненную частоту ƒ_у вычисляют по формуле ƒ_y=nК/Т_nx=nK/(N_i+n-N_i-1).

Указанная техническая задача (в четвертом варианте способа, предназначенном для измерения усредненных значений частоты за n периодов при ограниченной емкости таймера) решается благодаря тому, что при способе измерения мгновенных значений низкой частоты за один период, согласно которому длительность Т_у интервала усреднения колебаний искомой усредненной частоты ƒ_у измеряют с помощью таймера, счетчик которого считает импульсы кварцевого генератора с частотой ƒ_кг, код длительности Т_у интервала усреднения переписывают в регистр для последующих вычислений, а измеряемую усредненную частоту ƒ_у вычисляют как величину, обратную длительности Т_у интервала усреднения по формуле ƒ_у=К/Т_у (где К - коэффициент пропорциональности, кратный частоте ƒ_кг), дополнительно интервал усреднения Т_у=Т_nx частоты задают целым числом n периодов измеряемой частоты, определяют число k переполнений счетчика таймера с помощью дополнительного счетчика, время измеряют с помощью таймера, счетчик которого работает в непрерывном режиме без прерываний, в моменты времени окончания t_i+n n-го периода и начала t_i-1 первого периода интервала усреднения частоты содержимое счетчика таймера, соответственно N_i+n и N_i-1, переписывают в регистры путем захвата, суммарную длительность n периодов Т_nx вычисляют по формуле Т_nx=N_i+n-N_i-1+kN_т (где N_т - емкость счетчика таймера), а измеряемую усредненную частоту ƒ_y вычисляют по формуле ƒ_у=nК/Т_nx=nK/(N_i+n-N_i-1+kN_T).

Указанная техническая задача (в первом варианте устройства для реализации способа измерения частоты, предназначенном для измерения и регистрации мгновенных значений частоты промышленного напряжения) решается благодаря тому, что в систему для измерения отклонений частоты промышленного напряжения, содержащую входную клемму, аналоговый компаратор, одновибратор, генератор прямоугольных импульсов, регистр, дополнительно введены персональная электронная вычислительная машина, микроконтроллер, приемопередатчик, постоянное запоминающее устройство, источник опорного напряжения, таймер, таймер-часы, блок вычитания, блок деления, блок множителя, фильтр нижних частот, вход которого подключен к входной клемме, а выход соединен с первым входом аналогового компаратора, второй вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а выход соединен с входом одновибратора, выход которого соединен с входом первого вектора прерываний микроконтроллера и входом захвата таймера, тактовый вход которого объединен с тактовыми входами микроконтроллера и таймера-часов и подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, информационный выход таймера соединен с входом уменьшаемого блока вычитания и через регистр с входом вычитаемого блока вычитания, выход которого соединен с входом делителя блока деления, вход делимого которого подключен к выходу блока множителя, а выход соединен с шиной данных микроконтроллера, с которой также связаны информационный выход таймера-часов, а также информационные вход и выход постоянного запоминающего устройства, адресный вход которого подключен к адресной шине микроконтроллера, а вход управления записью подключен к шине управления микроконтроллера, к которой также подключены вход управления записью регистра и входы управления состоянием выходов постоянного запоминающего устройства и таймера-часов, выход суточных импульсов которого соединен с входом второго вектора прерываний микроконтроллера, информационный выход которого через шину данных связан с входом приемопередатчика, выход которого через шину обмена данными соединен с входом персональной электронной вычислительной машины.

Указанная техническая задача (во втором варианте устройства для реализации способа измерения частоты, предназначенном для измерения и регистрации мгновенных значений частоты промышленного напряжения при ограниченной емкости таймера) решается благодаря тому, что в систему для измерения отклонений частоты промышленного напряжения, содержащую входную клемму, аналоговый компаратор, одновибратор, генератор прямоугольных импульсов, счетчик, регистр, дополнительно введены персональная электронная вычислительная машина, микроконтроллер, приемопередатчик, постоянное запоминающее устройство, источник опорного напряжения, таймер, таймер-часы, сумматор, блок умножения, блок вычитания, блок деления, первый и второй блоки множителя, фильтр нижних частот, вход которого подключен к входной клемме, а выход соединен с первым входом аналогового компаратора, второй вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а выход соединен с входом одновибратора, выход которого соединен с входом первого вектора прерываний микроконтроллера и входом захвата таймера, тактовый вход которого объединен с тактовыми входами микроконтроллера и таймера-часов и подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, информационный выход соединен с первым входом сумматора и через регистр с входом вычитаемого блока вычитания, а выход переполнения соединен с тактовым входом счетчика, информационный выход которого соединен с первым входом блока умножения, второй вход которого подключен к выходу первого блока множителя, а выход соединен с вторым входом сумматора, выход которого соединен с входом уменьшаемого блока вычитания, выход которого соединен с входом делителя блока деления, вход делимого которого подключен к выходу второго блока множителя, а выход соединен с шиной данных микроконтроллера, с которой также связаны информационный выход таймера-часов, а также информационные вход и выход постоянного запоминающего устройства, адресный вход которого подключен к адресной шине микроконтроллера, а вход управления записью подключен к шине управления микроконтроллера, к которой также подключены вход управления записью регистра, вход установки нуля счетчика и входы управления состоянием выходов постоянного запоминающего устройства и таймера-часов, выход суточных импульсов которого соединен с входом второго вектора прерываний микроконтроллера, информационный выход которого через шину данных связан с входом приемопередатчика, выход которого через шину обмена данными соединен с входом персональной электронной вычислительной машины.

Указанная техническая задача (в третьем варианте устройства для реализации способа измерения частоты, предназначенном для контроля частоты, усредненной на примыкающих интервалах времени за фиксированное число периодов) решается благодаря тому, что в систему для измерения отклонений частоты промышленного напряжения, содержащую входную клемму, генератор прямоугольных импульсов, аналоговый компаратор, индикатор, счетчик, первый и второй одновибраторы, первый регистр, информационный выход которого соединен с информационным входом индикатора, выход переноса счетчика соединен с инверсным входом второго одновибратора, дополнительно введены таймер, второй регистр, блок вычитания, блок деления, блок множителя, источник опорного напряжения, фильтр нижних частот, вход которого подключен к входной клемме, а выход соединен с первым входом компаратора, второй вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а выход соединен с входом первого одновибратора, выход которого соединен с тактовым входом счетчика и входом захвата таймера, тактовый вход которого подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, информационный выход таймера соединен с входом уменьшаемого блока вычитания и через второй регистр с входом вычитаемого блока вычитания, выход которого соединен с входом делителя блока деления, вход делимого которого подключен к выходу блока множителя, а выход соединен с информационным входом первого регистра, вход управления записью которого подключен к выходу переноса счетчика, выход второго одновибратора соединен с входом управления записью второго регистра.

Указанная техническая задача (в четвертом варианте устройства для реализации способа измерения частоты, предназначенном для контроля частоты, усредненной на примыкающих интервалах времени за фиксированное число периодов, при ограниченной емкости таймера) решается благодаря тому, что в систему для измерения отклонений частоты промышленного напряжения, содержащую входную клемму, генератор прямоугольных импульсов, аналоговый компаратор, индикатор, первый и второй счетчики, первый и второй одновибраторы, первый регистр, информационный выход которого соединен с информационным входом индикатора, выход переноса первого счетчика соединен с инверсным входом второго одновибратора, дополнительно введены таймер, сумматор, второй регистр, блок умножения, блок вычитания, блок деления, первый и второй блоки множителя, источник опорного напряжения, фильтр нижних частот, вход которого подключен к входной клемме, а выход соединен с первым входом компаратора, второй вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а выход соединен с входом первого одновибратора, выход которого соединен с тактовым входом первого счетчика и входом захвата таймера, тактовый вход которого подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, информационный выход соединен с первым входом сумматора и через второй регистр с входом вычитаемого блока вычитания, а выход переполнения таймера соединен с тактовым входом второго счетчика, информационный выход которого соединен с первым входом блока умножения, второй вход которого подключен к выходу первого блока множителя, а выход соединен с вторым входом сумматора, выход которого соединен с входом уменьшаемого блока вычитания, выход которого соединен с входом делителя блока деления, вход делимого которого подключен к выходу второго блока множителя, а выход соединен с информационным входом первого регистра, вход управления записью которого подключен к выходу переноса первого счетчика, выход второго одновибратора соединен с объединенными входом управления записью второго регистра и входом установки нуля второго счетчика.

Существенными отличиями предлагаемого способа измерения частоты в различных вариантах его реализации являются следующие: время измеряют с помощью таймера, счетчик которого работает в непрерывном режиме без прерываний, в моменты времени окончания и начала измеряемого периода или в моменты времени окончания и начала интервала усреднения содержимое счетчика таймера запоминают в регистрах путем захвата, а длительность периода измеряемой мгновенной частоты или интервала усреднения усредненной частоты определяют по разности соответствующих кодов счетчика таймера в моменты времени окончания и начала измеряемого периода или интервала усреднения. Совокупность указанных существенных отличий обеспечивает достижение положительного эффекта - повышения точности измерения частоты.

Существенными отличиями различных вариантов устройства для реализации предлагаемого способа измерения частоты является введение дополнительных элементов:

1) микроконтроллера, приемопередатчика, персональной электронной вычислительной машины, постоянного запоминающего устройства, таймера, таймера-часов, блока вычитания, блока деления, блока множителя, источника опорного напряжения, фильтра нижних частот;

2) микроконтроллера, приемопередатчика, персональной электронной вычислительной машины, постоянного запоминающего устройства, таймера, таймера-часов, сумматора, блока умножения, блока вычитания, блока деления, первого и второго блоков множителя, источника опорного напряжения, фильтра нижних частот;

3) таймера, второго регистра, блока вычитания, блока деления, блока множителя, источника опорного напряжения, фильтра нижних частот;

4) таймера, второго регистра, блока вычитания, блока умножения, блока деления, сумматора, первого и второго блоков множителя, источника опорного напряжения, фильтра нижних частот.

К существенным отличиям различных вариантов устройства для реализации предлагаемого способа измерения частоты также относятся организация их новой структуры и введение новых связей между элементами. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивает достижение положительного эффекта - повышения точности измерения частоты.

Схемы различных вариантов устройства для реализации предлагаемого способа измерения частоты представлены соответственно на фиг.1 - первого варианта, предназначенного для измерения и регистрации мгновенных значений частоты промышленного напряжения, на фиг.2 - второго варианта, предназначенного для измерения и регистрации мгновенных значений частоты промышленного напряжения при ограниченной емкости таймера, на фиг.3 - третьего варианта, предназначенного для контроля частоты, усредненной на примыкающих интервалах времени за фиксированное число периодов, фиг.4 - четвертого варианта, предназначенного для контроля частоты, усредненной на примыкающих интервалах времени за фиксированное число периодов, при ограниченной емкости таймера.

Схема первого варианта устройства для реализации предлагаемого способа измерения частоты, предназначенного для измерения и регистрации мгновенных значений частоты промышленного напряжения (фиг.1), содержит входную клемму 1, фильтр нижних частот (ФНЧ) 2, аналоговый компаратор (АК) 3, источник опорного напряжения (ИОН) 4, одновибратор 5, таймер 6, генератор 7 прямоугольных импульсов (ГПИ), регистр 8, блок 9 вычитания (БВ), блок 10 деления (БД), блок 11 множителя (БМ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 12, персональную электронную вычислительную машину (ПЭВМ) 13, микроконтроллер (МК) 14, приемопередатчик 15, таймер-часы 16. Входная клемма 1 через фильтр 2 нижних частот соединена с первым входом компаратора 3, второй вход которого подключен к выходу источника 4 опорного напряжения, а выход соединен с входом одновибратора 5, выход которого соединен с входом первого вектора прерываний микроконтроллера 14 и входом захвата таймера 6, тактовый вход которого объединен с тактовыми входами микроконтроллера 14 и таймера-часов 16 и подключен к выходу генератора 7 прямоугольных импульсов, информационный выход таймера 6 соединен с входом уменьшаемого блока 9 вычитания и через регистр 8 с входом вычитаемого блока 9 вычитания, выход которого соединен с входом делителя блока 10 деления, вход делимого которого подключен к выходу блока 11 множителя, а выход соединен с шиной данных микроконтроллера 14, с которой также связаны информационный выход таймера-часов 16, а также информационные вход и выход постоянного запоминающего устройства 12, адресный вход которого подключен к адресной шине микроконтроллера 14, а вход управления записью подключен к шине управления микроконтроллера 14, к которой также подключены вход управления записью регистра 8 и входы управления состоянием выходов постоянного запоминающего устройства 12 и таймера-часов 16, выход суточных импульсов которого соединен с входом второго вектора прерываний микроконтроллера 14, информационный выход которого через шину данных связан с входом приемопередатчика 15, выход которого через шину обмена данными соединен с входом персональной электронной вычислительной машины 13.

Схема второго варианта устройства для реализации предлагаемого способа измерения частоты, предназначенного для измерения и регистрации мгновенных значений частоты промышленного напряжения при ограниченной емкости таймера (фиг.2), содержит входную клемму 17, фильтр нижних частот (ФНЧ) 18, аналоговый компаратор (АК) 19, источник опорного напряжения (ИОН) 20, одновибратор 21, счетчик 22, таймер 23, генератор 24 прямоугольных импульсов (ГПИ), регистр 25, блок 26 умножения (БУ), сумматор 27, блок 28 вычитания (БВ), блок 29 деления (БД), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 30, первый 31 и второй 32 блоки множителя (БМ), персональную электронную вычислительную машину (ПЭВМ) 33, микроконтроллер (МК) 34, приемопередатчик 35, таймер-часы 36. Входная клемма 17 через фильтр 18 нижних частот соединена с первым входом компаратора 19, второй вход которого подключен к выходу источника 20 опорного напряжения, а выход соединен с входом одновибратора 21, выход которого соединен с входом первого вектора прерываний микроконтроллера 34 и входом захвата таймера 23, тактовый вход которого объединен с тактовыми входами микроконтроллера 34 и таймера-часов 36 и подключен к выходу генератора 24 прямоугольных импульсов, информационный выход соединен с первым входом сумматора 27 и через регистр 25 с входом вычитаемого блока 28 вычитания, а выход переполнения соединен с тактовым входом счетчика 22, информационный выход которого соединен с первым входом блока 26 умножения, второй вход которого подключен к выходу первого блока 31 множителя, а выход соединен с вторым входом сумматора 27, выход которого соединен с входом уменьшаемого блока 28 вычитания, выход которого соединен с входом делителя блока 29 деления, вход делимого которого подключен к выходу второго блока 32 множителя, а выход соединен с шиной данных микроконтроллера 34, с которой также связаны информационный выход таймера-часов 36, а также информационные вход и выход постоянного запоминающего устройства 30, адресный вход которого подключен к адресной шине микроконтроллера 34, а вход управления записью подключен к шине управления микроконтроллера 34, к которой также подключены вход управления записью регистра 25, вход установки нуля счетчика 22 и входы управления состоянием выходов постоянного запоминающего устройства 30 и таймера-часов 36, выход суточных импульсов которого соединен соответственно с входом второго вектора прерываний микроконтроллера 34, информационный выход которого через шину данных связан с входом приемопередатчика 35, выход которого через шину обмена данными соединен с входом персональной электронной вычислительной машины 33.

Схема третьего варианта устройства для реализации способа измерения частоты, предназначенного для контроля частоты, усредненной на примыкающих интервалах времени за фиксированное число периодов (фиг.3), содержит входную клемму 37, фильтр нижних частот (ФНЧ) 38, аналоговый компаратор (АК) 39, источник опорного напряжения (ИОН) 40, первый 41 и второй 42 одновибраторы, генератор 43 прямоугольных импульсов (ГПИ), таймер 44, первый 45 и второй 46 регистры, блок 47 множителя (БМ), блок 48 вычитания (БВ), блок 49 деления (БД), счетчик 50, индикатор 51. Входная клемма 37 через фильтр 38 нижних частот соединена с первым входом компаратора 39, второй вход которого подключен к выходу источника 40 опорного напряжения, а выход компаратора 39 соединен с входом первого одновибратора 41, выход которого соединен с тактовым входом счетчика 50 и входом захвата таймера 46, тактовый вход которого подключен к выходу генератора 43 прямоугольных импульсов, информационный выход соединен с входом уменьшаемого блока 48 вычитания и через второй регистр 46 с входом вычитаемого блока 48 вычитания, выход которого соединен с входом делителя блока 49 деления, вход делимого которого подключен к выходу блока 47 множителя, а выход соединен с информационным входом первого регистра 45, вход управления записью которого подключен к выходу переноса счетчика 50, соединенному с инверсным входом второго одновибратора 42, выход которого соединен с входом управления записью второго регистра 46.

Схема четвертого варианта устройства для реализации способа измерения частоты, предназначенного для контроля частоты, усредненной на примыкающих интервалах времени за фиксированное число периодов при ограниченной емкости таймера (фиг.4), содержит входную клемму 52, фильтр нижних частот (ФНЧ) 53, аналоговый компаратор (АК) 54, источник опорного напряжения (ИОН) 55, первый 56 и второй 57 одновибраторы, генератор 58 прямоугольных импульсов (ГПИ), таймер 59, первый 60 и второй 61 регистры, первый 62 и второй 63 блоки множителя (БМ), блок 64 умножения (БУ), сумматор 65, блок 66 вычитания (БВ), блок 67 деления (БД), первый 68 и второй 69 счетчики, индикатор 70. Входная клемма 52 через фильтр 53 нижних частот соединена с первым входом компаратора 54, второй вход которого подключен к выходу источника 55 опорного напряжения, а выход компаратора 54 соединен с входом первого одновибратора 56, выход которого соединен с тактовым входом первого счетчика 68 и входом захвата таймера 59, тактовый вход которого подключен к выходу генератора 58 прямоугольных импульсов, информационный выход соединен с первым входом сумматора 65 и через второй регистр 61 с входом вычитаемого блока 66 вычитания, а выход переполнения соединен с тактовым входом второго счетчика 69, информационный выход которого соединен с первым входом блока 64 умножения, второй вход которого подключен к выходу первого блока 62 множителя, а выход соединен с вторым входом сумматора 65, выход которого соединен с входом уменьшаемого блока 66 вычитания, выход которого соединен с входом делителя блока 67 деления, вход делимого которого подключен к выходу второго блока 63 множителя, а выход соединен с информационным входом первого регистра 60, вход управления записью которого подключен к выходу переноса первого счетчика 68, соединенному с инверсным входом второго одновибратора 57, выход которого соединен с объединенными входом управления записью второго регистра 61 и входом установки нуля второго счетчика 69.

Генератор 7, 24, 43, 58 выполнен кварцевым, его частота равняется 1-20 МГц (в зависимости от необходимой точности). Частота среза ФНЧ выбирается равной 90 Гц.

Первый вариант устройства (фиг.1) работает следующим образом.

Частота сети измеряется и регистрируется в ПЗУ 12 за каждый период.

Рассмотрим работу устройства с момента, в который на адресной шине (ША) МК 18 сформирован код начального адреса 000…000. В блоке 11 содержится константа К₁₁=80000000 (при частоте ГПИ 7, равной 8 МГц).

В начале очередного периода одновибратор 5 своим выходным импульсом воздействует на вход первого вектора прерываний МК 14, а также на вход захвата таймера 6. В результате содержимое N_i таймера 6 переписывается в выходной регистр таймера в момент перехода синусоидой входного напряжения через ноль.

По первому вектору прерываний в МК 14 запускается программный блок, формирующий управляющие сигналы на шине управления (ШУ) МК 14 в следующей последовательности:

1) управление записью в ПЗУ 12;

2) управление записью в регистр 8.

После окончания очередного периода и, соответственно, в начале следующего периода выходной импульс одновибратора 5 вновь воздействует на вход захвата таймера 6.

В результате в выходном регистре таймера 6 оказывается содержимое N_i+1, соответствующее концу очередного периода и началу следующего периода.

На выходе БВ 9 имеем

K₉=N_i+1-N_i.

На выходе БД 10 имеем

К₁₃=800000000/(N_i+1-N_i).

Например, при номинальной частоте сети 50 Гц, частоте ГПИ 7, равной 8 МГц, за 1 период напряжения сети на выходе БВ 9 имеем результат

K₁₂=N_i+1-N_i=160000.

На выходе БД 10 присутствует код

K₁₃=800000000/160000=5000.

Импульсом с первого разряда ШУ МК 14 этот код записывается в ячейку ПЗУ 12 с адресом 000…000. Затем импульсом с второго разряда ШУ МК 14 содержимое N_i+1 переписывается из выходного регистра таймера 6 в регистр 8.

Затем программным путем на ША МК 14 формируется код следующего адреса 000…001.

Таким образом подготавливается к записи информации после окончания следующего периода ячейка ПЗУ 12 с адресом 000…001 и т.д.

В схеме устройства необходимо использовать таймер 6 и ПЗУ 12 достаточно большой емкости.

Один раз в сутки на выходе суточных импульсов таймера-часов 16 появляется импульс, который воздействует на вход второго вектора прерываний МК 14.

По второму вектору прерываний в МК 14 запускается программный блок, формирующий управляющие сигналы на шине управления (ШУ) МК 14 в следующей последовательности:

1) подключение к ШД МК 14 выхода таймера-часов 16;

2) формирование в ША МК 14 адреса;

3) управление записью в ПЗУ 12 данных из таймера-часов 16.

При этом в очередную ячейку ПЗУ 12 записывается дата начинающихся суток, которая служит отметкой времени.

Второй вариант устройства (фиг.2) работает следующим образом.

Частота сети измеряется и регистрируется в ПЗУ 30 за каждый период.

Рассмотрим работу устройства с момента, в который содержимое счетчика 22 равно нулю и на адресной шине (ША) МК 34 сформирован код начального адреса 000…000. Константа, содержащаяся в блоке 31, равна емкости таймера 23 (например, K₃₁=2¹⁶=65536). В блоке 32 содержится константа К₃₂=80000000 (при частоте ГПИ 24, равной 8 МГц).

В начале очередного периода одновибратор 21 своим выходным импульсом воздействует на вход первого вектора прерываний МК 34, а также на вход захвата таймера 23. В результате содержимое N_i таймера 23 переписывается в выходной регистр таймера в момент перехода синусоидой входного напряжения через ноль.

По первому вектору прерываний в МК 34 запускается программный блок, формирующий управляющие сигналы на шине управления (ШУ) МК 34 в следующей последовательности:

1) управление записью в ПЗУ 30;

2) управление записью в регистр 25;

3) обнуление счетчика 22.

Содержимое таймера продолжает нарастать далее с тактовой частотой. В моменты переполнения таймера 23 на его выходе переполнения появляется импульс, увеличивающий на единицу содержимое К₂₂ счетчика 22.

После окончания очередного периода и, соответственно, в начале следующего периода выходной импульс одновибратора 21 вновь воздействует на вход захвата таймера 23.

В результате в выходном регистре таймера 23 оказывается содержимое N_i+1, соответствующее концу очередного периода и началу следующего периода.

На выходе БУ 26 в этот момент времени присутствует результат

К₂₆=К₃₁2¹⁶.

Ко входу сумматора 27 приложены коды N_i+1 (с выхода таймера 23) и К₂₆ (с выхода БУ 26). На выходе сумматора 27 при этом имеем

K₂₇=N_i+1+K₁₅2¹⁶.

На выходе БВ 28 имеем

K₂₈=N_i+1+K₁₅2¹⁶-N_i.

На выходе БД 29 имеем

К₂₉=800000000/(N_i+1+K₁₅ 2¹⁶-N_i).

Например, при номинальной частоте сети 50 Гц, частоте ГПИ 24, равной 8 МГц, за 1 период напряжения сети на выходе БВ 28 имеем результат

K₂₈=N_i+1+K₁₅ 2¹⁶-N_i=160000.

На выходе БД 29 присутствует код

К₂₉=800000000/160000=5000.

Импульсом с первого разряда ШУ МК 34 этот код записывается в ячейку ПЗУ 30 с адресом 000…000. Затем импульсом с второго разряда ШУ МК 34 содержимое N_i+1 переписывается из выходного регистра таймера 23 в регистр 25; импульсом с третьего разряда ШУ МК 34 обнуляется счетчик 22.

Затем программным путем на ША МК 34 формируется код следующего адреса 000…001.

Таким образом подготавливается к записи информации после окончания следующего периода ячейка ПЗУ 30 с адресом 000…001 и т.д.

Один раз в сутки на выходе суточных импульсов таймера-часов 36 появляется импульс, который воздействует на вход второго вектора прерываний МК 34.

По второму вектору прерываний в МК 34 запускается программный блок, формирующий управляющие сигналы на шине управления (ШУ) МК 34 в следующей последовательности:

1) подключение к ШД МК 34 выхода таймера-часов 36;

2) формирование в ША МК 34 адреса;

3) управление записью в ПЗУ 30 данных из таймера-часов 36.

При этом в очередную ячейку ПЗУ 30 записывается дата начинающихся суток, которая служит отметкой времени.

Третий вариант устройства (фиг.3) работает следующим образом.

Рассмотрим работу устройства с момента, в который содержимое счетчика 50 равно нулю. Емкость счетчика 50 равна числу периодов входного сигнала n_зад=10, за которые усредняется частота сети. В блоке 47 содержится константа К₄₇=8000000000 (при частоте ГПИ 43, равной 8 МГц).

В начале очередного интервала усреднения и соответственно в начале очередного периода одновибратор 41 своим выходным импульсом увеличивает на единицу содержимое счетчика 50, а также воздействует на вход захвата таймера 44. В результате содержимое N таймера в момент перехода синусоидой входного напряжения через ноль переписывается в выходной регистр таймера 44.

После окончания 10-го периода на выходе переноса счетчика 50 появляется импульс, запускающий одновибратор 42. Последний своим выходным импульсом переписывает в регистр 46 содержимое N_i-1 таймера, соответствующее началу очередного интервала усреднения длиной в 10 периодов.

В конце очередного интервала усреднения в момент захвата в выходном регистре таймера 44 оказывается содержимое N_i+n таймера.

На выходе БВ 48 имеем

K₄₈=N_i+n-N_i-1.

На выходе БД 49 имеем

К₄₉=8000000000/(n_i+1+K₁₉ 2¹⁶-n_i).

Например, при номинальной частоте сети 50 Гц, частоте ГПИ 43, равной 8 МГц, за 10 периодов на выходе БВ 48 имеем результат

K₄₈=N_i+n-N_i-1=1600000.

На выходе БД 49 присутствует код

К₄₉=8000000000/1600000=5000.

Этот код записывается импульсом с выхода переноса счетчика 50 в регистр 45 и отображается на индикаторе 51.

На индикаторе 51 отображается точное значение частоты «50,00».

Четвертый вариант устройства (фиг.4) работает следующим образом.

Рассмотрим работу устройства с момента, в который содержимое счетчиков 68 и 69 равно нулю. Емкость счетчика 68 равна числу периодов входного сигнала n_зад=10, за которые усредняется частота сети. Константа, содержащаяся в блоке 62, равна емкости таймера 59, К₅₉=2¹⁶=65536. В блоке 63 содержится константа К₆₃=8000000000 (при частоте ГПИ 58, равной 8 МГц).

В начале очередного интервала усреднения и, соответственно, в начале очередного периода одновибратор 5 своим выходным импульсом увеличивает на единицу содержимое счетчика 68, а также воздействует на вход захвата таймера 59. В результате содержимое N таймера в момент перехода синусоидой входного напряжения через ноль переписывается в выходной регистр таймера 59.

Содержимое таймера продолжает нарастать далее с тактовой частотой. В моменты переполнения таймера 59 на его выходе переполнения появляется импульс, увеличивающий на единицу содержимое К₆₉ счетчика 69.

После окончания 10-го периода на выходе переноса счетчика 68 появляется импульс, запускающий одновибратор 57. Последний своим выходным импульсом обнуляет содержимое счетчика 69, а также переписывает в регистр 61 содержимое N_i-1 таймера, соответствующее началу очередного интервала усреднения длиной в 10 периодов.

В конце очередного интервала усреднения в момент захвата в выходном регистре таймера 59 оказывается содержимое N_i+n таймера.

На выходе БУ 64 в этот момент времени присутствует результат

К₆₄=К₆₉ 2¹⁶.

Ко входу сумматора 65 приложены коды N_i+n (с выхода таймера 59) и К₆₄ (с выхода БУ 64). На выходе сумматора 65 при этом присутствует результат

К₆₅=N_i+n+К₆₉ 2¹⁶.

На выходе БВ 66 имеем

K₆₆=N_i+n+K₆₉2¹⁶-N_i-1.

На выходе БД 67 имеем

К₆₇=8000000000/(N_i+n+К₆₉ 2¹⁶-N_i-1).

Например, при номинальной частоте сети 50 Гц, частоте ГПИ 58, равной 8 МГц, за 10 периодов на выходе БВ 66 имеем результат

К₆₆=N_i+n+К₆₉ 2¹⁶-N_i-1=1600000.

На выходе БД 67 присутствует код

К₆₇=8000000000/1600000=5000.

Этот код записывается импульсом с выхода переноса счетчика 68 в регистр 60 и отображается на индикаторе 70.

На индикаторе 70 отображается точное значение частоты «50,00».

Преимуществом предлагаемого способа измерения частоты и устройства для реализации способа по сравнению с известными является более высокая точность. Следует отметить, что точность повышается на несколько порядков при высоком быстродействии. Наиболее эффективно применение предложенных способа и устройства в промышленных электрических сетях с номинальными частотами 50 или 60 Гц.

Источники информации

1. Орнатский П.П. Автоматические измерения и приборы. - Киев: Вища школа, 1973. - 552 с.

2. Ермолов Р.С.Цифровые частотомеры. - Л.: Энергия, 1973. - 152 с.

3. Патент 1485145 РФ, МКП G01R 23/02, G06F 17/18. Система для измерения отклонений частоты промышленного напряжения. /В.Ф.Ермаков (РФ). - 1989, Бюл. №21.

Предлагаемая группа изобретений относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники и может быть использована для измерения мгновенных и усредненных значений частоты. Особенностью предлагаемой группы изобретений является то, что время измеряют с помощью таймера, счетчик которого работает в непрерывном режиме без прерываний, в моменты окончания и начала измеряемого периода или в моменты времени окончания и начала интервала усреднения содержимое счетчика таймера запоминают в регистрах путем захвата, а длительность периода измеряемой мгновенной частоты или интервала усреднения усредненной частоты определяют по разности соответствующих кодов счетчика таймера в моменты времени окончания и начала измеряемого периода или интервала усреднения. Технический результат - повышение точности измерения частоты. 8 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ измерения частоты, предназначенный для измерения и регистрации мгновенных значений частоты промышленного напряжения, заключающийся в том, что длительность T_x одного периода колебаний искомой частоты ƒ_x измеряют с помощью таймера, счетчик которого считает импульсы кварцевого генератора с частотой ƒ_кг, код длительности Т_x одного периода запоминают в регистре для последующих вычислений, а измеряемую частоту ƒ_x вычисляют как величину, обратную длительности Т_x периода, по формуле ƒ_х=K/T_x (где K - коэффициент пропорциональности, кратный частоте ƒ_кг), отличающийся тем, что дополнительно время измеряют с помощью таймера, счетчик которого работает в непрерывном режиме без прерываний, в моменты времени окончания t_i и начала t_i-1 измеряемого периода содержимое счетчика таймера соответственно N_i и N_i-1 переписывают в регистры путем захвата, а длительность периода Т_x измеряемой частоты ƒ_x вычисляют по формуле Т_x=N_i-N_i-1.

2. Способ измерения частоты, предназначенный для измерения и регистрации мгновенных значений частоты промышленного напряжения при ограниченной емкости таймера, заключающийся в том, что длительность Т_x одного периода колебаний искомой частоты ƒ_x измеряют с помощью таймера, счетчик которого считает импульсы кварцевого генератора с частотой ƒ_кг, код длительности T_x одного периода переписывают в регистр для последующих вычислений, а измеряемую частоту ƒ_x вычисляют как величину, обратную длительности Т_x периода, по формуле ƒ_х=K/T_x (где K - коэффициент пропорциональности, кратный частоте ƒ_кг), отличающийся тем, что дополнительно время измеряют с помощью таймера, счетчик которого работает в непрерывном режиме без прерываний, определяют число k переполнений счетчика таймера с помощью дополнительного счетчика, в моменты времени окончания t_i и начала t_i-1 измеряемого периода содержимое счетчика таймера соответственно N_i и N_i-1 переписывают в регистры путем захвата, а длительность периода T_x измеряемой частоты ƒ_x вычисляют по формуле Т_x=N_i-N_i-1+kN_T (где N_т - емкость счетчика таймера).

3. Способ измерения частоты, предназначенный для измерения усредненных значений частоты за n периодов, заключающийся в том, что длительность Т_у интервала усреднения колебаний искомой усредненной частоты ƒ_y измеряют с помощью таймера, счетчик которого считает импульсы кварцевого генератора с частотой ƒ_кг, код длительности Т_у интервала усреднения переписывают в регистр для последующих вычислений, а измеряемую усредненную частоту ƒ_у вычисляют как величину, обратную длительности Т_у интервала усреднения, по формуле ƒ_y=K/Т_у (где K - коэффициент пропорциональности, кратный частоте ƒ_кг), отличающийся тем, что дополнительно интервал усреднения Т_у=Т_nx частоты задают целым числом n периодов измеряемой частоты, время измеряют с помощью таймера, счетчик которого работает в непрерывном режиме без прерываний, в моменты времени окончания t_i+n n-го периода и начала t_i-1 первого периода интервала усреднения частоты содержимое счетчика таймера соответственно N_i+n и N_i-1 переписывают в регистры путем захвата, суммарную длительность n периодов Т_nx определяют по разности содержимого таймера в конце и в начале интервала усреднения Т_nx=N_i+n-N_i-1, а измеряемую усредненную частоту ƒ_y вычисляют по формуле ƒ_y=nK/Т_nx=nK/(N_i+n-N_i-1).

4. Способ измерения частоты, предназначенный для измерения усредненных значений частоты за n периодов при ограниченной емкости таймера, заключающийся в том, что длительность Т_у интервала усреднения колебаний искомой усредненной частоты ƒ_у измеряют с помощью таймера, счетчик которого считает импульсы кварцевого генератора с частотой ƒ_кг, код длительности Т_у интервала усреднения переписывают в регистр для последующих вычислений, а измеряемую усредненную частоту ƒ_у вычисляют как величину, обратную длительности Т_у интервала усреднения, по формуле ƒ_y=K/Т_у (где K - коэффициент пропорциональности, кратный частоте ƒ_кг), отличающийся тем, что дополнительно интервал усреднения Т_у=Т_nx частоты задают целым числом n периодов измеряемой частоты, определяют число k переполнений счетчика таймера с помощью дополнительного счетчика, время измеряют с помощью таймера, счетчик которого работает в непрерывном режиме без прерываний, в моменты времени окончания t_i+n n-го периода и начала t_i-1 первого периода интервала усреднения частоты содержимое счетчика таймера соответственно N_i+1 и N_i-1 переписывают в регистры путем захвата, суммарную длительность n периодов Т_nx вычисляют по формуле Т_nх=N_i+n-N_i+1+kN_т (где N_т - емкость счетчика таймера), а измеряемую усредненную частоту ƒ_y вычисляют по формуле ƒ_у=nK/Т_nх=nK/(N_i+n-N_i-1+kN_T).

5. Устройство для реализации способа измерения частоты, предназначенное для измерения и регистрации мгновенных значений частоты промышленного напряжения, содержащее входную клемму, аналоговый компаратор, одновибратор, генератор прямоугольных импульсов, регистр, отличающееся тем, что в него дополнительно введены микроконтроллер, приемопередатчик, персональная электронная вычислительная машина, источник опорного напряжения, постоянное запоминающее устройство, таймер, таймер-часы, блок вычитания, блок деления, блок множителя, фильтр нижних частот, вход которого подключен к входной клемме, а выход соединен с первым входом аналогового компаратора, второй вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а выход соединен с входом одновибратора, выход которого соединен с входом первого вектора прерываний микроконтроллера и входом захвата таймера, тактовый вход которого объединен с тактовыми входами микроконтроллера и таймера-часов и подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, информационный выход таймера соединен с входом уменьшаемого блока вычитания и через регистр с входом вычитаемого блока вычитания, выход которого соединен с входом делителя блока деления, вход делимого которого подключен к выходу блока множителя, а выход соединен с шиной данных микроконтроллера, с которой также связаны информационный выход таймера-часов, а также информационные вход и выход постоянного запоминающего устройства, адресный вход которого подключен к адресной шине микроконтроллера, а вход управления записью подключен к шине управления микроконтроллера, к которой также подключены вход управления записью регистра и входы управления состоянием выходов постоянного запоминающего устройства и таймера-часов, выход суточных импульсов которого соединен с входом второго вектора прерываний микроконтроллера, информационный выход которого через шину данных связан с входом приемопередатчика, выход которого через шину обмена данными соединен с входом персональной электронной вычислительной машины.

6. Устройство для реализации способа измерения частоты, предназначенное для измерения и регистрации мгновенных значений частоты промышленного напряжения при ограниченной емкости таймера, содержащее входную клемму, аналоговый компаратор, одновибратор, генератор прямоугольных импульсов, счетчик, регистр, отличающееся тем, что в него дополнительно введены источник опорного напряжения, микроконтроллер, приемопередатчик, постоянное запоминающее устройство, персональная электронная вычислительная машина, таймер, таймер-часы, сумматор, блок умножения, блок вычитания, блок деления, первый и второй блоки множителя, фильтр нижних частот, вход которого подключен к входной клемме, а выход соединен с первым входом аналогового компаратора, второй вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а выход соединен с входом одновибратора, выход которого соединен с входом первого вектора прерываний микроконтроллера и входом захвата таймера, тактовый вход которого объединен с тактовыми входами микроконтроллера и таймера-часов и подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, информационный выход соединен с первым входом сумматора и через регистр с входом вычитаемого блока вычитания, а выход переполнения соединен с тактовым входом счетчика, информационный выход которого соединен с первым входом блока умножения, второй вход которого подключен к выходу первого блока множителя, а выход соединен с вторым входом сумматора, выход которого соединен с входом уменьшаемого блока вычитания, выход которого соединен с входом делителя блока деления, вход делимого которого подключен к выходу второго блока множителя, а выход соединен с шиной данных микроконтроллера, с которой также связаны информационный выход таймера-часов, а также информационные вход и выход постоянного запоминающего устройства, адресный вход которого подключен к адресной шине микроконтроллера, а вход управления записью подключен к шине управления микроконтроллера, к которой также подключены вход управления записью регистра, вход установки нуля счетчика и входы управления состоянием выходов постоянного запоминающего устройства и таймера-часов, выход суточных импульсов которого соединен с входом второго вектора прерываний микроконтроллера, информационный выход которого через шину данных связан с входом приемопередатчика, выход которого через шину обмена данными соединен с входом персональной электронной вычислительной машины.

7. Устройство для реализации способа измерения частоты, предназначенное для контроля частоты, усредненной на примыкающих интервалах времени за фиксированное число периодов, содержащее входную клемму, генератор прямоугольных импульсов, аналоговый компаратор, индикатор, счетчик, первый и второй одновибраторы, первый регистр, информационный выход которого соединен с информационным входом индикатора, выход переноса счетчика соединен с инверсным входом второго одновибратора, отличающееся тем, что в него дополнительно введены источник опорного напряжения, таймер, второй регистр, блок вычитания, блок деления, блок множителя, фильтр нижних частот, вход которого подключен к входной клемме, а выход соединен с первым входом компаратора, второй вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а выход соединен с входом первого одновибратора, выход которого соединен с тактовым входом счетчика и входом захвата таймера, тактовый вход которого подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, информационный выход таймера соединен с входом уменьшаемого блока вычитания и через второй регистр с входом вычитаемого блока вычитания, выход которого соединен с входом делителя блока деления, вход делимого которого подключен к выходу блока множителя, а выход соединен с информационным входом первого регистра, вход управления записью которого подключен к выходу переноса счетчика, выход второго одновибратора соединен с входом управления записью второго регистра.

8. Устройство для реализации способа измерения частоты, предназначенное для контроля частоты, усредненной на примыкающих интервалах времени за фиксированное число периодов при ограниченной емкости таймера, содержащее входную клемму, генератор прямоугольных импульсов, аналоговый компаратор, индикатор, первый и второй счетчики, первый и второй одновибраторы, первый регистр, информационный выход которого соединен с информационным входом индикатора, выход переноса первого счетчика соединен с инверсным входом второго одновибратора, отличающееся тем, что в него дополнительно введены таймер, сумматор, второй регистр, блок умножения, блок вычитания, блок деления, первый и второй блоки множителя, источник опорного напряжения, фильтр нижних частот, вход которого подключен к входной клемме, а выход соединен с первым входом компаратора, второй вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а выход соединен с входом первого одновибратора, выход которого соединен с тактовым входом первого счетчика и входом захвата таймера, тактовый вход которого подключен к выходу генератора прямоугольные импульсов, информационный выход соединен с первым входом сумматора и через второй регистр с входом вычитаемого блока вычитания, а выход переполнения таймера соединен с тактовым входом второго счетчика, информационный выход которого соединен с первым входом блока умножения, второй вход которого подключен к выходу первого блока множителя, а выход соединен с вторым входом сумматора, выход которого соединен с входом уменьшаемого блока вычитания, выход которого соединен с входом делителя блока деления, вход делимого которого подключен к выходу второго блока множителя, а выход соединен с информационным входом первого регистра, вход управления записью которого подключен к выходу переноса первого счетчика, выход второго одновибратора соединен с объединенными входом управления записью второго регистра и входом установки нуля второго счетчика.