CC BY
24
УДК 621.317
ЧАСТОТОМЕР ПРОМЫШЛЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
© 2007 г. В. Ф. Ермаков, В. С. Федоров
Недостатком известных устройств для измерения частоты синусоидального напряжения, выпускаемых серийно, является необходимость использования двух устройств - датчика частоты [1], являющегося преобразователем частоты в напряжение (ток), и аналого-цифрового преобразователя. В последних разработках [2 - 3] повышение точности частотомеров достигается за счет значительного увеличения длительности усреднения частоты.
В работе предлагается схема частотомера, имеющего повышенные быстродействие и точность (рис. 1).
ГЪ
8 9
10
n^J
13
TT
11
12 -.
15
La La
rV
14
20
Ьн
21
-N
-v
N
См
22
LA
ГИ
23
16
LA ГИ
17 А 18 _t\
V
24
i^f
19
0.
Рис. 1. Схема частотомера
Частотомер содержит входную клемму 1, фильтр нижних частот (ФНЧ) 2, аналоговый компаратор (АК) 3, источник опорного напряжения (ИОН) 4, одновиб-раторы 5 - 7, 24 и 25, генератор прямоугольных импульсов (ГПИ) 8, таймер 9, регистры 10 - 12 и 18, сумматоры 13 и 14, блок коррекции (БК) 15, блоки деления (БД) 16 и 17, индикатор 19, блок множителя (БМ) 20, счетчик 21, блок задания числа периодов (БЗЧП) 22, числовой компаратор (ЧК) 23.
Генератор 8 выполнен кварцевым, его частота равняется 1 - 20 МГц (в зависимости от необходимой
точности). Частота среза ФНЧ 2 выбирается равной 90 Гц.
Рассмотрим работу частотомера с момента, в который содержимое счетчика 21 и регистра 12 равно нулю. Задаваемое блоком 22 число периодов входного сигнала М,ад = 10, в блоке 20 содержится константа К20 = 100000000.
После прохождения через ФНЧ 2 синусоидальное напряжение поступает на вход компаратора 3. При превышении входным напряжение выходного напряжения ИОН 4 компаратор срабатывает и на его выходе появляется единичное напряжение. По переднему фронту выходного напряжения АК 3 запускается одновибратор 5, который своим выходным импульсом переписывает содержимое таймера 9 пь накопленное в нем за предыдущий период входного напряжения и пропорциональное длительности периода, в регистр 10. Ко входу сумматора 13 прикладываются коды п (с выхода регистра 10) и «0» (с выхода регистра 12). На выходе сумматора 13 при этом появляется код пь
По заднему фронту выходного импульса одновиб-ратора 5 запускается одновибратор 6, выходной импульс которого обнуляет содержимое таймера 9 и управляет записью в промежуточный регистр 11 кода п1 с выхода сумматора 13. По окончании выходного импульса одновибратора 6 запускается одновибратор 7, выходной импульс которого переписывает код п1 из промежуточного регистра 11 в регистр 12, а также увеличивает на единицу содержимое счетчика 21 -оно становится равным единице.
После окончания выходного импульса одновибра-тора 6 таймер 9 начинает подсчитывать выходные импульсы ГПИ 8, определяя код числа п2 за очередной период входного напряжения.
При срабатывании компаратора 3 в начале следующего периода входного сигнала ко входам сумматора 13 прикладываются коды п2 (с выхода регистра 10) и п1 (с выхода регистра 12). На выходе сумматора 13 при этом появляется сумма П1+ п2. Эта сумма последовательно заносится в регистры 11 и 12.
После окончания 10-го периода входного сигнала содержимое счетчика 21 становится равным 10; в регистре 12 накоплена сумма = п + ... + п10 за 10 периодов.
4
1
3
5
2
Эта сумма поступает на первый вход второго сумматора 14, на второй вход которого с выхода БК 15 поступает код коррекции К15, компенсирующий погрешности частотомера. На выходе сумматора 14 появляется сумма
>14 = >$10 + К15.
Эта сумма поступает на вход делимого БД 16, ко входу делителя которого с выхода счетчика 21 приложен код, равный 10.
На выходе первого блока 16 деления появляется частное, приложенное ко входу делителя второго блока 17 деления,
K 1б =-
S10 + к 1
10
10
Этот код пропорционален частоте сети входного напряжения частотомера, усредненной за 10 периодов.
Например, при номинальной частоте сети 50 Гц, частоте ГПИ 8 1 МГц и неучете погрешности (т.е. К15 = 0) таймером 8 за каждый период подсчитывается
число пн = 1000000/50 = 20000. За 10 периодов в регистре 12 накапливается сумма > 10 = 200000. На выходе БД 17 присутствует код
к = 10000000
K БД = S,
100000000 100000000
>10 + K15
200000
20000
= 5000.
10
10
Ко входу делимого БД 17 с выхода БМ 20 приложен код константы К20 = 100000000. В результате на выходе блока 17 деления присутствует код
К _ 10000000
КБД _ > 1П + К•
Этот код записывается в регистр 18 и отображается на индикаторе 19.
Наиболее удачно частотомер реализуется на ЛУЯ-микроконтроллерах программными средствами. Начато серийное производство частотомера.
По сравнению с серийно выпускаемыми изделиями аналогичного назначения предлагаемый частотомер имеет примерно в 20 раз более высокие точность и быстродействие.
Литература
1. Розенблюм Ф.М., Гришанов В.Г, Белов В.П., Иванов Л.К. Цифровой датчик промышленной частоты // Электрические станции. - 1077. - № 1. - С. 65 - 68.
2. Патент 1290190 РФ, МПК 001Я 23/00. Цифровой измеритель частоты /Ю.С. Антипов, В.А. Астапов, В.Г. Леонов и Н.Н. Родионова (РФ). - 1987. - Бюл. № 6.
3. Патент 2169927 РФ, МКП 001Я 23/00, 23/10. Устройство для измерения частоты синусоидального сигнала / А.П. Карасев, В.Е. Булдин (РФ). - 2001. - Бюл. № 18.
Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)
17 октября 2006 г
