数字频率计的制作及应用

朴维军

(辽宁省柴河水库管理局，辽宁铁岭 112000)

1 问题的提出

频率是电力工业基本的参数之一，在发电厂，机组并网时必须保证机组与电网的频率相同，因此频率的测量就显得极为重要。测量频率的方法有许多种，其中利用电子计数测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一柴河电厂3号机采用可控硅整流励磁 (见图1)。机端电压经变压器降压后，反馈给可控硅和励磁调节器单元 (控制可控硅通角来调整机端电压的电路板)，机组在开机时靠很少的剩磁产生的机端电压很低，不能满足可控硅和调节器单元板工作需要，励磁调节器单元板不工作可控硅也不导通，励磁绕组仍无电源供应，机组维持在靠剩磁产生的电压上，此时机旁盘上的频率计不能正确显示机组的频率 (机组转速)，只有当机组转速达到80%额定转速 (估测)后，通过人工充磁的方法，给励磁绕组瞬时通上直流电源，使发电机建立机端电压，并且能够满足可控硅和励磁调节器工作要求，励磁可控硅能够导通。机端电压通过可控硅整流后，再反馈给励磁绕组使用，即发电机能够利用一小部分自身发电供给励磁使用，电压达到要求后，充磁电源自动切断，机组便开始了正常发电。

图1 柴河电厂3号机采用的可控硅整流励磁系统

机组在开机到充磁前，机端电压一直很低，发电机的频率 (转速)不能用普通频率计测得，但此时工作人员对机组的转速非常关心，因为给机组冲磁需要知道机组的转速，以防止瞬时超电压和欠电压 (超电压容易击穿设备，欠电压又不能正常建立励磁)。因此有必要研制一种能够在很低的电压下显示机端频率 (转速)的仪器，用来显示机组从开机到并网转速的变化，以方便工作人员的正确操作。本频率计基于此目的而开发。

2 频率计组成及工作原理

输入信号起滤波、整形、放大作用;②锁相环部分，主要是起跟踪信号频率，并进行100倍倍频作用，目的是提高测量精度;③时基电路及门空开关电路部分，主要是用来产生时基信号和控制计数器开关门时间，控制计数器的计数周期、数据清零以及显示器的刷新等;④计数器及显示器部分，用来显示测得频率;⑤电源部分，提供整机所用的12V电源，可使用任何形式的电源 (图2中没有给出)。

2.1 输入部分

如图2所示，该电路由晶体管和光电耦合器组成，从励磁变压器次级取出待测信号，信号经限流电阻接到晶体管进行放大，目的是增加频率计的电压适应范围 (几伏至几百伏)，放大后的信号再经过光电耦合器进行整形、限幅、滤波等处理，目的是将变压

图2 频率计输入部分

该频率计由五部分组成:①输入部分，主要是对器次级传过来的含有部分杂波的正弦量变成标准的脉冲信号，以方便计数测量。

2.2 锁相环电路及其组成的100倍倍频电路

由锁相环芯片4046和双BCD同步加计数器芯片4518组成典型的100倍倍频器。锁相环由三个基本的部件组成:鉴相器 (PD)、环路滤波器 (LPF)和压控振荡器 (VCO)。

鉴相器是相位比较装置。它将输入信号Si(t)和压控振荡器的输出信号So(t)的相位进行比较，产生对应于两个信号相位差的误差电压Se(t)(此电压控制压控振荡器)。

压控振荡器受控制电压Sd(t)的控制，使压控振荡器的频率向输入信号的频率靠拢，直至消除频差而锁定，即频率跟踪。

由于机组刚开机时，转速变化较快 (频率变化也快)，测量周期不宜过长，考虑人眼观察的反应速度选用的测量的周期为0.125s。每个测量周期结束后，计数器、显示器刷新一次，供运行人员查看，而实际计数器的计数时间只有0.1s(这个时间越短测量结果就越接近当时的即时频率)，当频率较低时，如果用计数器直接对信号的脉冲计数，计数器只能计到0.1s内完整的脉冲数，而对不完整的脉冲只能取或舍，这样当频率较低时相对误差较大。为了减小相对误差，将每个脉冲分成100份，即将被测信号的频率扩大100倍，显示时，再将计数个数缩小100倍，这样就可以将被测信号在每个0.1s内不完整脉冲有用部分加入进来。提高测量精度 (见图3)。

图3 频率测量

如图3所示，若以机组原有频率直接计数测量，在计数周期为0.1s的情况下，34.4Hz的频率只能测得40.0Hz(0.1s计4个脉冲)，而采用100倍倍频后，测量结果为34.4Hz(0.1s计344个脉冲)，误差0.1Hz。因此，信号必须经倍频再进行测量，采用输入信号 (经过施密特触发器40106整形后)输入到4046的14脚，压控振荡器输出信号不是直接反馈给鉴相器，而是一部分经过与门电路送给计数器进行计数，另一部分经过4518分频1/100。分频后的信号再送回鉴相器与输入信号比较，得到压空信号，用来控制振荡输出信号的频率，使压控振荡器频率向输入信号频率的100倍靠拢，保证输出信号的频率是输入信号频率的100倍，以提高测量的精度。4046是通用的CMOS锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽(3～18V)、输入阻抗高 (约100MΩ)(见图4)。

图4 4046通用CMOS锁相环集成电路

2.3 时基电路及门控开关电路

电路由14位二进制串行计数/分频器4060组成时基电路用来提供时基信号，CD4060由一振荡器和14级二进制串行计数器位组成，振荡器的结构可以是RC或晶振电路，CR为高电平时，计数器清零且振荡器使用无效，所有的计数器位均为主从触发器。在CP1(和CP0)的下降沿计数器以二进制进行计数。为使测量周期稳定，选择了晶体振荡器，晶体的频率为32768Hz(标准石英钟晶振)，这些二进制串行计数器可作为二分频器使用，将振荡器产生的振荡信号进行级分频，以得到周期较长并且频率稳定的频率信号，CD4060最多能做到14级分频 (本电路没采用)，而该频率计采用的是12级分频，测量周期0.125s(8Hz)，即 32768/(212)=8Hz，信号由CD4060的1脚输出，该电路与6与门电路CD4081配合，主要作用是控制计数器计数开始时间、测量周期等 (见图5)。

图5 计数器计数开始时间、测量周期控制电路

频率计测量时，脉冲的计数时间为0.1s(起止时间间隔)，由双主从D型触发器，CD 4013芯片配合与门电路芯片CD4081产生一个开门时间为0.1s的信号，并由此信号来控制计数器的计数起、止时间，显示器的显示时间、消隐时间等 (见图6)。

图6 计数器计数起止时间与显示器显示、消隐时间控制电路

CD4013真值见下表。

输 入 输 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 计数电路及显示电路

计数器电路采用三片可预置的4位二至十进制加/减计数器CD4510芯片，译码器采用BCD－锁存/7段译码/驱动器芯片三片CD 14513。显示器采用3位1/2英寸荧光数码管显示 (一般情况频率范围00.0～50.0Hz)，由于计数脉冲的频率是实际机端频率的100倍，而计数时间又是0.1s，因此显示器显示的数据为机端频率的10倍，故将小数点固定在第2位后，显示计数结果的0.1倍 (小数点前为整数，小数点后为小数位)。

2.5 电源部分

可采用任何形式的12伏电源，这里不作介绍。

图7 整机原理

3 结语

该数字频率计虽然处在开发和试用阶段，但经柴河电厂使用，得到运行人员的认可，认为该整机原理见图7。数字频率计使用效果良好，能够满足电厂的开机、并网及正常运行的需要，测量精度较高，性能也比较稳定，并且成本较低。