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1、基于单片机的调速器测频测相装置设计（2007级电气工程及其自动化）摘 要:基于单片机的调速器测频测相装置硬件设计，被测发电机机端频率信号和电网频率信号采集部分经隔离变压器后，通过滤电路、整形电路、二分频电路与单片机连接，单片机主要由计数、运算和数据显示电路组成；软件部分由信号频率测量模块、周期测量模块、计数模块、中断服务模块、数据显示模块等功能模块实现。应用单片机的控制功能和数学运算能力，实现计数功能和频率、周期的换算。另外，对频率测量过程中数据误差的来源进行了探讨，提出了减小误差的措施。关 键 词：AT89C51 频率测量 相位测量 周期测量 单片机The Device of Governo
2、r Which frequency measurements and phase measurements Base on MicrocontrollerXIA Lli-chun ZHANG Tong-jian PENG Li LU Kun WU JunTutor:ZHUANG Yi（Electrical engineering and its Automation Major of 2007s)Abstract:The device which measure frequency is base on microcontroller,which hardware consists of an
3、tihypertensive circuit, waveform transformation and plastic circuit, edge trigger and single-chip microcomputer and data display circuit ; Software in part by the signal frequency measurement modules, periodic measurement modules, counting module, interrupt service module, data showed that module fu
4、nction module implements. Application microcontroller control function and mathematical operation ability, realize count function and frequency conversion, period. In addition, in the process of frequency measurement data error sources are discussed and the measures to reduce errors.Key words:AT89C5
5、1 Frequency measurements phase measurements Measurement cycle microcontroller1 概述1.1 测频测相技术 频率测量在电站中调速器测频测相环节极其重要，同时更是如今的电子技术应用中也是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此，频率和相位的测量就显得更为重要。测量频率的多种方法中，电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实时测量、过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。电子计数器测频有两种方式: 一是直接测频法，即记录在确定时间里待测信号的脉冲个数，其特点是：测
6、量方法简单，测量精度与待测信号频率和门控时间有关，当待测信号频率较低时，误差较大； 二是间接测频法，如周期测频法在待测信号的一个周期里记录标准频率信号变化次数，此法低频检测时精度高，但高频检测时误差较大。直本次测频测相装置设计以单片机为核心，在软件编程中采用的是C语言，测量采用了单片机内部晶振准同步测量法，它避免了直接测量法对精度的不足，同时消除了直接与间接相结合方法需对被测信号的频率与中介频率的关系进行判断带来的不便，能实现较高的等精度频率和周期的测量。测相功能是在测频的基础上，信号采集使用双通道，并控制信号的输入，加上程序转换部分的改变而得到的。传统的频率相位测量用测频相法测量频率，通常由
7、组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成，产品不但体积较大，运行速度慢，而且测量低频信号不宜直接采用，基于单片机技术开发的一种数字式频率相位测量装置，具有操作简单方便响应速度快、体积小等一系列优点，可以及时准确地低频信号的频率。1.2 电力系统频率标准 电力系统频率是指电力系统统一的一种运行参数,国家标准GB/T159451995电力系统频率允许偏差规定以50Hz正弦波作为我国电力系统的标准频率(工频),电力系统正常频率偏差允许值为50Hz0.2Hz。当系统容量较小时频率偏差值可以放宽到0.5Hz。标准还规定用户冲击负荷引起的频率偏差一般不得超过0.2Hz。在保证近区电网、发电机组的安全、稳定运
8、行的和用户正常供电的情况下，可以根据冲击负荷的性质和大小以及系统的条件适当变动限值。 该频段为低频，偏差允许值为0.2Hz，由上一节内容我们知道周期测频法（T法）：在待测信号的一个周期里记录标准频率信号变化次数，此法在低频检测时精度高，周期测频法满足测频装置测量和偏差允许值。1.3 单片机测频测相基于单片机测量信号频率的装置，也可以用来测量方波脉冲的脉宽，通常频率以数字形式直接显示出来，简便易读。频率测量对生产过程监控有很重要的作用，可以发现系统运行中的异常情况，以便迅速作出处理。从以前的模拟器件设频率测量逐步转变为数字芯片设计频率相位测量。这样的转变使得频率相位测量的设计更趋于自动化、智能化
9、。现在的频率测量电子产品主要是采用单片机技术，辅以外围电路，制成高端频率测量产品。单片机技术设计频率相位测量装置是现阶段开发时采用的主要技术，它在今后的一段时间内仍然占据着主导地位。单片机是单片微型计算机的简称，将把微型计算机的三大组成部分（CPU+存储器+I/O接口）和一些实时控制所需要的功能器件集成在该芯片上，来实现计算机的部分功能。在实际应用中大都嵌入到控制系统中，所以单片机系统也叫嵌入式系统。现在国内单片机应用中最常见的有InTel公司的MCS系列，Microchip公司的PIC16系列，台湾凌阳公司的SPCE061X系列。单片机设计频率测量有着很大的优点： (1)集成度高； (2)系
10、统结构简单，性价比高； (3)系统扩展方便； (4)抗干扰性能强，可靠性高； (5)处理能力强，速度快； (6)开发方便； (7)兼容性好。另外，单片机内部强大的运算能力和控制功能，使得开发测频相位测量装置这样对测量精度要求很高的装置时，变得更加的有效。内部丰富的存储资源，能够满足测频装置设计的各种不同需要。可以说，单片机的进步指导着测频的发展方向。2 测频测相原理及分析2.1 基于单片机测频测相的原理被测发电机机端频率和电网频率，经隔离变压器输入，再经滤波、整形、二分频后，将交流信号变为方波信号后与单片机的外部中断引脚连接，通过软件编程由单片机内部运算器计算出频率、频率差及相位差，显示在LE
11、D上。2.2 测频方案选择2.2.1.测频测相装置设计方案根据设计任务书中的设计要求，可以设想以下两种测频控制方案。方案一：多周期完全同步测量法被测信号和晶振信号经过整形后都加到相位检测器；相位检测器检测到两路信号都在某一相位点(零相位点)时产生触发信号，门控电路输出高电平，主门A和B同时打开，计数器A和B同时计数；经过时间了后，相位检测器又检测到两路信号到达同一相位点，产生一触发信号，这时门控电路输出低电平，主门A和B同时关闭，计数器A和B停止计数。由于相检器是从两路信号的同一零相位点开始触发，另一个零相位点再次触发，两次触发的时间间隔与两路信号都相关，且是每路信号周期的整数倍。测量原理及时
12、序图如图1所示。 图1 多周期完全同步测量法原理图及时序图假设由计数器(A)计得的数为M，计数器(B)计得的数为N，则：T=MTx=NTc，fx=M/Nfc，fx/fx=M/M-N/N+fc/fc。但这时M/M=0，N/N=0，所以fx/fx=fc/fc。即被测信号的频率准确度与晶振的频稳度相等。方案二：周期测量法本方案为间接测频法，利用被测信号一个周期内两次上沿作为同步闸门信号，以实现计数时间为被测信号的整数倍，与单片机外部中断连接，定时/计数器对单片机时钟信号进行计数。同时外部闸门时间内，单片机内部每一个机器周期将定时/计数器寄存器中的值加1，间接达到了被测信号与时钟信号相与计数的思想，原
13、理图见图2。 图2 周期测量法原理图 频率信号采集于发电机机端和网端，经隔离变压器输入后，经过滤波器、整形电路，将正弦信号变成所需的方波信号，再经过二分频处理后得到频率信号，分成正相频率信号和反相频率信号，分别送到单片的外部中断接口INT0和INT1。当正相频率信号的下降沿到达INT0时，外部中断INT0响应。即立即开始定时/计数器T0的定时，同时停止定时/计数器T1的定时。并读出定时/计数器T1内的数值，算出被测信号的频率，并用八段显示器显示器出来。时序图如图3所示，当反相频率信号的下降沿到达INT1时，外部中断INT1中断响应，停止定时/计数器T0的定时，同时开始定时/计数器T1的定时。并
14、读出定时/计数器T0内的数值，算出被测信号的频率，并用八段显示器显示器出来。图3 测频时序图在本设计中我们采用的周期测频法，原因在于：方案一从理论上看，被测信号的频率准确度非常高，但实际上测量的周期较多，频率显示延迟较多，实时性不强,相位检测器及门控电路的触发使测量频率准确度会比理论值低，而且该方案需要采用外部晶振频率，单片机内部计数器计数会产生误差，测量精度不高。方案二只测量一个周期，频率显示延迟较少，实时性强，在此过程通过将被测信号二分频，使其误差大大减少，而且采用单片机内部频率为1MHz的计数脉冲，测量精度相当高。2.2.2.测相方案测相功能是在测频的基础上，加上程序转换部分的改变而得到
15、的，所以测相方案完全可以在测频方案的基础上实现，这样不仅简化了硬件电路，也可以提高元器件的使用率和装置的测量效率，测量的原理如图4。分频整形滤波分频整形滤波机端信号电网信号INT0INT1单片机图4 测相原理图当发电机机端信号下降沿到来时，通过中断控制定时/计数器T0开始计数，当电网信号下降沿到达时，停止定时/计数器T0计数，并读出T0寄存器中的数值，经换算成相位后显示，如此循环就实现了相位差的动态测量。2.2.3.动态测频与静态测频分析静态测频为被测频率信号在给定时间或周期内，进行频率的测量，静态测频要求的是频率的精度较高,因此反应时间较慢。动态测频为实时对被测频率信号进行测量，动态测频要求
16、的是动态反应速度即频率分辨率。对于水电站是正个电力系统供电的保障，但由于机械、人员和其他因素的影响，发电机实时都有可能出现状况，导致发电机频率改变；对于电网，高速发展的如今，社会、工厂、商业、民用等对电力要求愈来愈高的同时，也给电力电网愈来愈多的干扰，如高频电波、无功增加等，这些将会给电网的频率造成严重的干扰。如果发电机或电网频率变化过大又没能被及时发现处理，将会给整个连在一起的电力系统造成不可估量的后果。因此对发电机和电网频率的实时监控是十分必要的。本装置设计也正是基于这点，对频率才用动态测量。发电机机机端、电网信号经隔离、整形、分频后送至单片机输入端，由定时/计数器其分别对正反相方波计数。
17、单片机内部时钟为1MHz，当被测频率为25Hz时，单片机内部定时/计数器计数值为40000个脉冲，脉冲分辨率为2.5，被测频率的分辨率为2.5Hz,完全满足电力系统的要求。2.2.4.定时器/计数器控制方案选择利用单片机测频测相要用到内部定时器/计数器，定时器/计数器有两种控制方案-外部中断（INT0/INT1）控制和运行控制位（TR0/TR1）控制，在本设计中，我们采用外部中断（INT0/INT1）控制,原因在于使用外部中断控制误差较小，具体如下。采用运行控制位控制时的误差分析定时器/计数器的启停不用外部中断INT0和INT1，而是将外部信号引接到单片的一个I/O接口上，将接口上的信位置1或
18、0来控制TR0和TR1等于0或1。虽然单片机对接口的扫描时间是确定的，但是当I/O口上已经置1了，但是程序还没有执行到将TR0和TR1置0或1，或外部信号的已经过了几个周期还没有执行到该程序段。所以存在的误差特别大，不采用该种方法。 量化误差由于主门的开启时刻Tx与计数脉冲Tc之间的时间关系是不相关的,所以它们在时间轴上的相对位置是随机的。下面分两种情况进行讨论。(1)Tx与Tc不成整数倍关系 设主门开启时间等于7.4个计数脉冲周期,即Tx=7.4Tc,如图5所示。(a)图:测量结果N=8,N=8-7.4=+0.6个脉冲周期。(b)图:测量结果N=7,N=7-7.4=-0.4个脉冲周期。(2)
19、Tx与Tc成整数倍关系 设主门开启时间等于7个计数脉冲周期,即Tx=7Tc,如图5所示。(c)图:可能由于主门抖动或噪声影响,首末脉冲皆计入计数值。测量结果N=8，N =8-7=+1个脉冲周期。也可能首末脉冲都未计入计数值。测量结果N=6，N=6-7=-1个脉冲周期。(d)图:测量结果N=7，N=7-7=0，无误差。综上所述,当主门开启时间接近甚至等于被测信号周期Tx的整数倍时,有最大计数误差,其最大值为N=1个数。则:N/N1/N=1/Txfc。计数器的计数值N越大，该项误差就越小。若Tc固定，Tx越大，误差越小；若Tx固定；Tc越小，误差越小。 图5 误差分析图 计数器启停误差如果采用外部
20、中断INT0、INT1信号控制定时器/计数器的启停位TR0和TR1置1或0，定时器/计数器每次开始定时前都必须先清零TH0=0x00，TL0=0x00，或TH1=0x00，TL1=0x00。然后定时器/计数器T0或T1一个开始计内部周期为1us的脉冲。外部中断信号为下降沿有效，每当下降沿到来时就立即执行中断。外部信号到达到计数器开始计数这间有一定的时间延迟。我们启停都是用外部信号控制。所以从外部信号到达到计数器开始/停止计数这间有一定的延时。但是开始计数和停止计数的延时是可以相互抵消。如图6所示： 图6 误差分析图定时/计数器开始和停止定时的误差当定时/计数器开时定时时如果刚好上一个脉冲结束或
21、定时/计数器结束定时时下一个脉冲还没有到达或还没有结束，这样就会存在1个或2个脉冲的计数误差。当被测信号的频率为50HZ时，定时器/计数器的每次计数大约为20000次，其最大误差为2/20000，即0.00001HZ，能够满足测量频率的要求。2.3 测量误差分析本设计的误差主要来自单片机计数分辨率和程序响应时间两个方面。2.3.1.计数分辨率误差 由前面介绍可知，本设计直接把被测信号作为闸门信号，闸门信号的周期为刚好为被测信号的一个周期，所以对被测信号的测量中不存在量化误差（或称为士1误差）。但闸门信号没有和单片机机器周期信号（即本设计中的标准信号）同步，所以存在量化误差。由测量误差的传递公式
22、（f为被测频率，fc为计数频率，N为计数值）可得： (1)即： (2)根据式可得间接测单周期法的相对误差为： (3)其中，第一项fc/fc为标准频率误差，本设计中采用的单片机晶振可达量级，其准确度可达量级，第二项N/N为用直接测量原理测标准频率时所产生的量化误差，其中为闸门打开，计数器对标准频率计数绝对误差，其最大误差为士1，所以根据式（N=Txfc=fc/fx）可得： (4)测量的相对误差与与标准频率误差、单片机机器周期，以及被测信号的大小有关，但考虑到f的数量级为，而调速器中测量的频率为50Hz左右，测量的精度就可以达到，已经达到了要求。2.3.2.程序响应时间误差单片机的中断响应时间 一
23、个中断，从查询中断请求标志位到转向中断区入口地址要经历一段时间，即为中断响应时间。不同中断情况，中断响应时间也是不一样的。 最短的响应时间为3个机器周期。CPU在每一个机器周期的S6查询每一个中断请求标志位，而该机器周期又恰好是指令的最后一个机器周期，如果该中断请求满足所有中断允许条件，则CPU将从下一个机器周期开始产生LCALL指令本身需2个机器周期。这样中断响应共经历了1个询机器周期加2个LCALL指令机器周期，总计3个机器周期，这也是对中断请求做出响应所需最短时间。 如果中断响应受阻，则不同情况需要更长的不同响应时间，最长响应时间为8个机器周期。根据中断响应中受阻的条件三，若查询中断标志
24、时，刚好是开始执行RET、REI或访问IE、IP的指令，则需要把当前指令执行完后再继续执行一条指令后，才能进行中断响应。完成指令RETI或是访问IE或IP指令需要的最长时间为2个机器周期，如果需要完成的下一条指令恰好是MUL或DIV指令，这又需要4个机器周期，现加2个LCALL指令执行机器周期，总计8个机器周期。 一般情况下，在一个单中断系统里，外部中断响应时间总是在3-8个机器周期之间。如果出现有同级或高级中断正在响应或服务中需要等待的时候，那么响应时间就无法计算了。指令周期指令周期是执行一条指令所需要的时间，一般由若干个机器周期组成，指令不同，所需要的机器周期也不同。对于一些简单的单字节指
25、令，在取指令周期中，指令取出到指令寄存器后，立即译码执行，不在需要其他的机器周期。对于一些比较复杂的指令，例如，转移指令、乘除运算则需要两个或两个以上的机器周期。通常，包含一个机器周期的指令称为单周期指令，包含两个机器周期的指令称为双周期指令，只有乘除运算的指令为四周期指令。80C51单片机大部分指令为单周期指令。80C51的指令按它们的长度可分为单字节指令、双字节指令和3字节指令。执行这些指令需要的时间是不同的，有以下几种形式：单字节指令单机器周期、单字节指令双机器周期、双字节指令单机器周期、双字节指令双机器周期、3字节指令双机器周期、单字节指令4机器周期（如单字节的乘除法指令）。 减少中断
26、响应误差一般频率测量时误差原因主要在于从收到中断信号到用户程序响应中断这段随机时间，虽时间极短，但它的存在足以影响测频稳定性。本文测频方法采用机频整形后的方波分频信号作为中断信号，此分频方波信号正相及其反相分别和单片机的两个外部中断连接。两个外部中断分别产生中断，开断单片机内的定时/计数器，从而获得每个测量周期的计数值。经过这种处理，一旦有中断信号沿出现，正在进行计数的计数器立即停止计数，从而消除从中断信号产生到响应中断这段时间内的计数误差。3 测频测相系统硬件设计3.1 外部硬件选择根据上面已经确立的测频测相方案，我们选的主要元器件的型号和数量如表1所示。表1 主要元器件元器件名称型号数量隔
27、离变压器SLP0022滤波器简化T型滤波电路2整形电路CB5552分频器74LS1602非门74LS041与门74LS081异或门74LS861译码器显示器(LED)74HC573BS201A25 先大体说一下所选器件的作用，隔离变压器用于从发电机机端/电网取信号，滤波器用于高次谐波滤波，避免后面的整形电路和分频器误动作和误差触发，整形电路用于将正弦信号转换为方波信号，分频器用于调整信号，门电路用于控制输入单片机的信号，因为所选单片机只有两个定时/计数器，而外部电路有4个信号，所以每次都要根据测量的需要选择输入信号。3.2 单片机的选型因为本设计需要用到两个定时/计数器，以装置硬件电路的简化、
28、使用率和测量效率为原则，所以在选用单片机时，应先用自带定时/计数器的80C51系列单片机，以达到。 AT89C51和AT89C2051是80C51系列单片机中常用的两个芯片，下面是主要性能见表2。表2 AT80C51和AT89C2051主要性能表AT89C51AT89C20514KB可编程Flash存储器（可擦写1000次）2KB可编程Flash存储器（可擦写1000次）三级程序存储器保密两级程序存储器保密静态工作频率:0Hz-24MHz静态工作频率:0Hz-24MHz128字节内部RAM128字节内部RAM2个16位定时/计数器电子2个16位定时/计数器电子一个串行通讯口一个串行通讯5个中断
29、源6个中断源32条I/O引线15条I/O引线片内时钟振荡器1个片内模拟比较器 从表2中可以看出它们是大体相同的，由于AT89C2051的I/O线很少，导致它无法外加RAM和程序ROM，以后不能对其进行功能扩展利用，而且它的片内Flash存储器也少，无片内时钟振荡器，但它的体积比AT89C51小很多。它们各有其特点但其核心是一样的，在设计中我们选用AT89C51。3.3 外电路器件简介3.3.1.隔离变压器如果直接引用发电机机端电压信号或电网电压信号进行信号频率的测量，测量装置将会采用到大量的元器件，来防止相当高的电压电流对器件和装置的冲击。而且做出来的测量装置也会是一个庞大的物件，这样会给用户
30、增加大量费用，经济性要求无法满足。目前人们对测量装置的追求不断的更新换代，但是不变的主题是更方便、更灵活、更集成、更快捷，采用大量器件直接测量信号肯定是不符合现在人们的要求，同时也不符合本次装置设计要求。隔离变压器的主要功能是高压交流强电变化成5V的交流弱电，隔离变压用发电厂二次保护的多分接头变压器的10.5KV/5V的接线端引出和输电线路二次保护用的多分接头主压器的110KV/5V接线端引出。才能将发电机机端电压/电网电压转换为频率信号，供给后面电路滤波，整形，分频为单片机提供信号。3.3.2.滤波器由两个电阻和一个电容构成，如图7： RRC图7 滤波器结构设电容的初始电压为，取输入信号为正
31、弦信号为 = Asinwt (6)网络的稳态输入信号仍为正弦信号，频率与输入信号的频率相同，幅值较输入信号有一定衰减，其相位存在一定延迟。输入和输出的关系可由以下微分方程描述： + = (7)式中T=RC，为时间常数。取拉氏变换并带入初始条件，得 (8)再由拉氏变换求得 (9)式中第一项，由于T0，将时间增大而趋于零，为输出的瞬态分量；而第二项正弦信号为输出的稳态分量 (10)在式(5-5)中，,，分别反映网络在正弦信号作用下，输出稳态分量的幅值和相位的变化，称为幅值比和相位差，且皆为输入正弦信号频率的函数。网络的传递函数为： (11)作图后得转折频率为： (12)取R=1K,C=0.1uF。
32、3.3.3.整形电路发电机机端电压频率信号和电网电压频率信号均为正弦波模拟信号，经降压后仍是模拟信号不能够被直接被单片机所识别，单片机能够直接识别的信号只能为数字信号，即“0”“1”或说“高电平”“低电平”。根据本次装置设计题目为基于单片机的调速器测频测相装置设计和对实验条件的综合实际考虑，本次装置设计对被测正弦模拟信号变为数字信号的转换采用CB555施密特触发器，而CB555施密特触发器为最简单快捷将模拟信号转换为数字信号的元器件。 由双极型定时器CB555构成的施密特触发器，是脉冲波形变换中经常使用的一种电路，它在性能上有两个重要的特点：(1)输入信号从低电平上升的过程中电路状态转换时对应
33、的输入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同。(2)在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。将CB555定时器的和两个输入端连在一起作为信号输入端，即可得到施密特触发器。由于其内的比较器参考电压不同，因而SR锁存器的置“0”信号和置“1”信号必然发生在输入信号Ux的不同电平，因此，输出电压U由高电平变为低电平和由低电平变为高电平所对应的Ux值不同，这样就形成了施密特触发特性。如图。图8 用555定时器接成的施密特触发器由于比较器和的参考电压不同，因而基本RS触发器的置0信号和置1信号必然发生在输入信号的不同电平。因此，输入电压由高电平变为低电平
34、和由低电平变为高电平所对应的值也不相同，这样就形成了施密特触发特性。为了提高比较器参考电压和的稳定性，通常在端接有0.01微法左右的滤波电容。输入电压V1逐渐升高的过程：当时, =1, =0,Q=1,故=；当以后, =0, =1, Q=0, 故= ，因此，=。再看从开始下降的过程:当时, = =1, 故= 不变；当以后，=0, =1, Q=1, 故= ，因此，=。由此得到电路的回差电压为： = =施密特触发器的电压传输特性如图9： 图9施密特触发器电压传输特性如果参考电压由外接的电压供给，则不难看出这时=，=， =。通过改变值可以调节回差电压的大小。信号通过双极型定时器CB555构成的施密特触
35、发器后就变成了上下不对称的方波输入信号经双极型定时器CB555构成的施密特触发器过的时序图10。输入信号整形信号图10 施密特触发器时序图如果单片机测周时,被测信号经降压、整形和边沿触发。由于噪声、干扰信号影响,使转换的时间可能提前也可能滞后,即可能使主门的开门、关门脉冲提前或滞后,从而造成主门时间Tx的误差。但由于被测信号通过RC滤波器,该滤波器为低通滤波,高频、嘈声、干扰信号基本滤去，其中CB555整形过程的触发（转换）误差将大大减少，误差可以忽略。3.3.4.分频器十进制同步计数器74LS160（异步清除） 简要说明：74LS160为可预置的十进制同步计数器，74LS160的清除端是异步
36、的。当清除端为低电平时，不管时钟端CP状态如何，即可完成清除功能。74LS160的预置是同步的。当置入控制器/PE为低电平时，在CP上升沿作用下，输出端QaQd与数据输入端P0P3一致。对于74160，当CP由低至高跳变或跳变前，如果计数控制端CEP、CET为高电平，则/PE应避免由低至高电平的跳变，而74LS160无此种限制。74LS160的计数是同步的，靠CP同时加在四个触发器上而实现的。当CEP、CET为高电平时，在CP上升沿作用下QaQd同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。对于74160，只有当CP为高电平时，CEP、CET才允许由高至低电平的跳变，而74LS160的CEP
37、、CET跳变与CP无关。74LS160有超前进位功能。当计数溢出时，进位输出端（TC）输出一个高电平脉冲，其宽度为Q0的高电平部分。在不外加门电路的情况下，可级联成N位同步计数器。对于74LS160，在CP出现前，即使CEP、CET、/MR发生变化，电路的功能也不受影响。管脚图12：引出端符号： TC 进位输出端 CEP 计数控制端 QaQd 输出端 CET 计数控制端CP 时钟输入端（上升沿有效）图12 74LS160管脚图 异步清除输入端（低电平有效） 同步并行置入控制端（低电平有效）信号从双极型定时器CB555构成的施密特触发器出来后,再经过十进制同步计数器74LS160从Qa端引出,对
38、信号进行了二分频.信号变为上下对称的方波.该信号的半个周期相当于被测信号的一个周期。(见表3) 表3 74LS160功能表CPEPET工作状态0置零上升沿10预置数 1101保持 110保持（但C=0）上升沿1111计数 信号经十进制同步计数器74LS160后的时序图为图13:输入信号分频信号 图13 74LS160输入输出时序图3.3.5.非门：74LS04引出端符号：1A6A 输入端 1Q6Q 输出端工作电压： 4.55.5V极限值：电源电压 7V输入电压 7V图14 管脚图管脚图见图14。真值表：表4 74LS04真值表输入输出AQ1001 74LS04的主要作用是将分频后的信号反相。得
39、到正相信号和反相信号，分别作用于外部中断INT0和INT1进行中断控制。其时序图如15：图15 74LS04时序图3.3.6.与门：74LS08引出端符号： 1A4A 输入端 图16 74LS08管脚图1B4B 输入端1Y6Y 输出端工作电压： 4.55.5V 图3-3-8 管脚图极限值： 电源电压 7V 输入电压 7V管脚图见图16。 真值表： 表5 74LS08真值表输入输出ABY001101010001与门的作用是将单片机内给出的信号分别与发电机机端频率的正相信号、反相信号和电网频率的正相信号和反相信号相与。单片机内部给出的信号决定与门的导通或关闭，从而达到控制输入信号的目的。当单片机内
40、部给出的信号为1时，与门导通，信号从而通过与门。如果单片机内部给的信号为0，与门关闭，输出信号始终为0。其时序图如17：输入信号A输入信号B输出信号Y 图17 74LS08时序图3.3.7.异或门：74LS86简要说明：74LS86为四组2输入端异或门引出端符号：1A4A 输入端1B4B 输入端 1Y4Y 输出端工作电压： 4.55.5V图18 74LS86管脚图极限值：电源电压 7V 输入电压 7V管脚图见图18：真值表： 表6 74LS86真值表 输入输出ABY001101010110异或门(74LS86)的作用是将被测信号通过与门(74LS08)的发电机机端信号和电网信号进行异或。本设计
41、通过控制单片机的给出信号，控制机端信号和电网信号是否导通。通过异或门的两个信号，一个是被与门的关闭掉的所以是低电平，另一个导通的为外部被测信号的频率。经过异或门后，外部导信号就被74LS86二选一。也就是通过与门：74LS08和异或门：74LS86实现对外部输入信号的选择，选择测发电机机端频率和电网频率。其时序图如18：图18 74LS86时序图3.4 输入信号控制P1.0、P1.1、P1.2、P1.3是由单片机控制其电平为1或0分别用来控制机端正向信号、机端反向信号、电网正向信号、电网反向信号的导通和关断，如图19所示。当P1.0、P1.1为高电平，P1.2、P1.3为低电平时，与门的输出信
42、号1和2分别为机端正向信号和机端反向信号，与门3和4的输出都为低电平即为0。当与门信号1和4经过异或门5时，其输出信号为机端正向信号。当与门信号2和3经过异或门6时，其输出信号变为机端反向信号。然后将异或门的输出分别接到单片的外部中断信号输入端INT0和INT1，这就是测机端频率的外部硬件部分。（时序如图20）5421P1.3P1.2P1.1P1.0电网反向信号电网正向信号机端反向信号机端正向信号&=1=1INT0INT1单片机异或门36图19 输入信号控制图当P1.0、P11为低电平时，P1.2、P1.3为高电平时，与门1和2的输出为低电平即为0。与门3和4的输出分别为电网正向信号和电网反向
43、信号。当与门信号1和4经过异或门5时，其输出信号为电网反向信号。当与门信号2和3经过异或门6时，其输出信号为电网正向信号。然后将异或门的输出分别接到单片的外部中断信号输入端INT0和INT1，这就是测电网频率的外部硬件部分。（与发电机机端频率测量时序图大致一样，不再画时序图）当P1.0、P1.2为高电平，P1.1、P1.3为低电平时，与门1的输出为机端正向信号；与门2的输出始终为低电平，即为0；与门3的输出为电网正向信号；与门4的输出始终为低电平，即为0。当与门信号1和4经过异或门5时，其输出信号为机端正向信号。当与门信号2和3经过异或门6时，其输出信号为电网正向信号。然后然后将异或门的输出分别接到单片的外部中断信号输入端INT0和INT1，这就是测机端和电网间的相位差的外部硬件部分。（时序如图21）其实机端和电网间的相位差还可以用以下方法。即当P1.0、P1.2为低电平，P1.1、P1.3为高电平时，与门1的输出始终为低电平，即为0；与门2的输出为机端正向信号；与
