數字頻率計的制作及應用

樸維軍

(遼寧省柴河水庫管理局，遼寧鐵嶺 112000)

1 問題的提出

頻率是電力工業(yè)基本的參數之一，在發(fā)電廠，機組并網時必須保證機組與電網的頻率相同，因此頻率的測量就顯得極為重要。測量頻率的方法有許多種，其中利用電子計數測量頻率具有精度高、使用方便、測量迅速，以及便于實現(xiàn)測量過程自動化等優(yōu)點，是頻率測量的重要手段之一柴河電廠3號機采用可控硅整流勵磁 (見圖1)。機端電壓經變壓器降壓后，反饋給可控硅和勵磁調節(jié)器單元 (控制可控硅通角來調整機端電壓的電路板)，機組在開機時靠很少的剩磁產生的機端電壓很低，不能滿足可控硅和調節(jié)器單元板工作需要，勵磁調節(jié)器單元板不工作可控硅也不導通，勵磁繞組仍無電源供應，機組維持在靠剩磁產生的電壓上，此時機旁盤上的頻率計不能正確顯示機組的頻率 (機組轉速)，只有當機組轉速達到80%額定轉速 (估測)后，通過人工充磁的方法，給勵磁繞組瞬時通上直流電源，使發(fā)電機建立機端電壓，并且能夠滿足可控硅和勵磁調節(jié)器工作要求，勵磁可控硅能夠導通。機端電壓通過可控硅整流后，再反饋給勵磁繞組使用，即發(fā)電機能夠利用一小部分自身發(fā)電供給勵磁使用，電壓達到要求后，充磁電源自動切斷，機組便開始了正常發(fā)電。

圖1 柴河電廠3號機采用的可控硅整流勵磁系統(tǒng)

機組在開機到充磁前，機端電壓一直很低，發(fā)電機的頻率 (轉速)不能用普通頻率計測得，但此時工作人員對機組的轉速非常關心，因為給機組沖磁需要知道機組的轉速，以防止瞬時超電壓和欠電壓 (超電壓容易擊穿設備，欠電壓又不能正常建立勵磁)。因此有必要研制一種能夠在很低的電壓下顯示機端頻率 (轉速)的儀器，用來顯示機組從開機到并網轉速的變化，以方便工作人員的正確操作。本頻率計基于此目的而開發(fā)。

2 頻率計組成及工作原理

輸入信號起濾波、整形、放大作用;②鎖相環(huán)部分，主要是起跟蹤信號頻率，并進行100倍倍頻作用，目的是提高測量精度;③時基電路及門空開關電路部分，主要是用來產生時基信號和控制計數器開關門時間，控制計數器的計數周期、數據清零以及顯示器的刷新等;④計數器及顯示器部分，用來顯示測得頻率;⑤電源部分，提供整機所用的12V電源，可使用任何形式的電源 (圖2中沒有給出)。

2.1 輸入部分

如圖2所示，該電路由晶體管和光電耦合器組成，從勵磁變壓器次級取出待測信號，信號經限流電阻接到晶體管進行放大，目的是增加頻率計的電壓適應范圍 (幾伏至幾百伏)，放大后的信號再經過光電耦合器進行整形、限幅、濾波等處理，目的是將變壓

圖2 頻率計輸入部分

該頻率計由五部分組成:①輸入部分，主要是對器次級傳過來的含有部分雜波的正弦量變成標準的脈沖信號，以方便計數測量。

2.2 鎖相環(huán)電路及其組成的100倍倍頻電路

由鎖相環(huán)芯片4046和雙BCD同步加計數器芯片4518組成典型的100倍倍頻器。鎖相環(huán)由三個基本的部件組成:鑒相器 (PD)、環(huán)路濾波器 (LPF)和壓控振蕩器 (VCO)。

鑒相器是相位比較裝置。它將輸入信號Si(t)和壓控振蕩器的輸出信號So(t)的相位進行比較，產生對應于兩個信號相位差的誤差電壓Se(t)(此電壓控制壓控振蕩器)。

壓控振蕩器受控制電壓Sd(t)的控制，使壓控振蕩器的頻率向輸入信號的頻率靠攏，直至消除頻差而鎖定，即頻率跟蹤。

由于機組剛開機時，轉速變化較快 (頻率變化也快)，測量周期不宜過長，考慮人眼觀察的反應速度選用的測量的周期為0.125s。每個測量周期結束后，計數器、顯示器刷新一次，供運行人員查看，而實際計數器的計數時間只有0.1s(這個時間越短測量結果就越接近當時的即時頻率)，當頻率較低時，如果用計數器直接對信號的脈沖計數，計數器只能計到0.1s內完整的脈沖數，而對不完整的脈沖只能取或舍，這樣當頻率較低時相對誤差較大。為了減小相對誤差，將每個脈沖分成100份，即將被測信號的頻率擴大100倍，顯示時，再將計數個數縮小100倍，這樣就可以將被測信號在每個0.1s內不完整脈沖有用部分加入進來。提高測量精度 (見圖3)。

圖3 頻率測量

如圖3所示，若以機組原有頻率直接計數測量，在計數周期為0.1s的情況下，34.4Hz的頻率只能測得40.0Hz(0.1s計4個脈沖)，而采用100倍倍頻后，測量結果為34.4Hz(0.1s計344個脈沖)，誤差0.1Hz。因此，信號必須經倍頻再進行測量，采用輸入信號 (經過施密特觸發(fā)器40106整形后)輸入到4046的14腳，壓控振蕩器輸出信號不是直接反饋給鑒相器，而是一部分經過與門電路送給計數器進行計數，另一部分經過4518分頻1/100。分頻后的信號再送回鑒相器與輸入信號比較，得到壓空信號，用來控制振蕩輸出信號的頻率，使壓控振蕩器頻率向輸入信號頻率的100倍靠攏，保證輸出信號的頻率是輸入信號頻率的100倍，以提高測量的精度。4046是通用的CMOS鎖相環(huán)集成電路，其特點是電源電壓范圍寬(3～18V)、輸入阻抗高 (約100MΩ)(見圖4)。

圖4 4046通用CMOS鎖相環(huán)集成電路

2.3 時基電路及門控開關電路

電路由14位二進制串行計數/分頻器4060組成時基電路用來提供時基信號，CD4060由一振蕩器和14級二進制串行計數器位組成，振蕩器的結構可以是RC或晶振電路，CR為高電平時，計數器清零且振蕩器使用無效，所有的計數器位均為主從觸發(fā)器。在CP1(和CP0)的下降沿計數器以二進制進行計數。為使測量周期穩(wěn)定，選擇了晶體振蕩器，晶體的頻率為32768Hz(標準石英鐘晶振)，這些二進制串行計數器可作為二分頻器使用，將振蕩器產生的振蕩信號進行級分頻，以得到周期較長并且頻率穩(wěn)定的頻率信號，CD4060最多能做到14級分頻 (本電路沒采用)，而該頻率計采用的是12級分頻，測量周期0.125s(8Hz)，即 32768/(212)=8Hz，信號由CD4060的1腳輸出，該電路與6與門電路CD4081配合，主要作用是控制計數器計數開始時間、測量周期等 (見圖5)。

圖5 計數器計數開始時間、測量周期控制電路

頻率計測量時，脈沖的計數時間為0.1s(起止時間間隔)，由雙主從D型觸發(fā)器，CD 4013芯片配合與門電路芯片CD4081產生一個開門時間為0.1s的信號，并由此信號來控制計數器的計數起、止時間，顯示器的顯示時間、消隱時間等 (見圖6)。

圖6 計數器計數起止時間與顯示器顯示、消隱時間控制電路

CD4013真值見下表。

輸 入 輸 出CP D RD SD Q Q L L L L H H L L H L L L 保持H L L H L H H L H H H H

2.4 計數電路及顯示電路

計數器電路采用三片可預置的4位二至十進制加/減計數器CD4510芯片，譯碼器采用BCD－鎖存/7段譯碼/驅動器芯片三片CD 14513。顯示器采用3位1/2英寸熒光數碼管顯示 (一般情況頻率范圍00.0～50.0Hz)，由于計數脈沖的頻率是實際機端頻率的100倍，而計數時間又是0.1s，因此顯示器顯示的數據為機端頻率的10倍，故將小數點固定在第2位后，顯示計數結果的0.1倍 (小數點前為整數，小數點后為小數位)。

2.5 電源部分

可采用任何形式的12伏電源，這里不作介紹。

圖7 整機原理

3 結語

該數字頻率計雖然處在開發(fā)和試用階段，但經柴河電廠使用，得到運行人員的認可，認為該整機原理見圖7。數字頻率計使用效果良好，能夠滿足電廠的開機、并網及正常運行的需要，測量精度較高，性能也比較穩(wěn)定，并且成本較低。