[发明专利]宽范围、高分辨率频率监测器

说明书

技术领域

本申请总体上涉及用于测量周期信号的频率的频率监测器，具体地涉及可以自动地适应输入频率的宽范围的具有高分辨率的频率监测器。

背景技术

可采用频率监测器来测量周期信号，例如，来自转速计的电脉冲等。低频信号一般测量信号的两个连续周期的信号“特征”（例如，方波脉冲的上升沿或正弦波的过零点）之间的时间。可以通过对这些信号特征的出现之间的高速时钟的“滴答（tick）”进行计数来获得所测量的时间，并且可以对该计数进行倒数变换以获得频率的度量。

随着频率升高，所测量的时钟滴答的数量减小，从而降低了测量的有效分辨率。这种分辨率的降低可以通过增大时钟的分辨率（例如，使用较高的时钟频率）或者通过转换为在给定的单位时间内对信号特征的数量（例如，每秒上升沿或过零点的数量）进行计数的第二种测量方法来避免。该第二种方法提供了随着频率的升高而增加的分辨率，并且在该给定的单位时间内对更多的时钟滴答进行计数。该方法得到频率的直接测量而不需进行倒数变换。

为了适应待测量的各种频率，频率监测器可以具有允许用户设置时钟频率（实际上就是测量的分辨率）或在上述两种频率测量方法之间进行选择的手动设置：（1）对两个脉冲之间的持续时间进行计时或者（2）在给定的持续时间内对脉冲的数量进行计数。

这种手动设置频率监测器或确定输入信号的可能频率的需求在可能不知道关于输入信号的频率的知识并且期望避免对人工干预的需求的自动控制环境中会成问题。

发明内容

本发明提供了一种监测系统，该监测系统采用对连续信号特征之间的间隔进行计时、然后对从该间隔得到的周期或频率值应用时域滤波器的上述第一种方法。随着待测量的信号的频率升高，分辨率的损失表现为测量的高频误差分量，并且该误差分量被滤波器去除。滤波器在去除误差分量方面的有效性随着待测量的信号的频率的增加而提高，从而提供越来越多地被滤波的较高的采样率，实际上，补偿通常与较高频率相关联的降低的分辨率。

然后，具体地，在一个实施例中，本发明提供了一种频率监测器，该频率监测器具有用于接收待测量的信号的输入以及识别信号的与信号的周期相关的规则特征的信号特征提取器。定时器系统与信号特征提取器进行通信以提供作为信号的周期的函数的输出，并且低通滤波器接收该输出以减少输出值的高频波动，从而提供用于监测信号的频率的测量输出。

因此，本发明的至少一个实施例的特征是提供一种频率测量装置，该频率测量装置可以自动地适应输入信号频率的宽范围而无需手动或半自动调整。滤波器使用用于高频输入信号的周期监测技术来平滑地补偿量化误差，否则该量化误差会使频率测量的分辨率降低。

信号可以为方波，并且特征提取器可以为边缘检测器。

因此，本发明的至少一个实施例的特征是提供一种使用鲁棒特征提取器来对常见的方波输入起作用的系统。

定时器系统可以包括测量信号的周期的定时器以及将周期转换成频率的倒数变换器。

因此，本发明的至少一个实施例的特征是当频率是期望的时对更直观的滤波输出的频率信号直接应用滤波器。更一般地，滤波可以发生在倒数变换过程之前以直接作用于推导出的信号周期。

定时器可以为提供周期时钟信号的时钟，该时钟与对来自识别信号的规则特征的信号特征提取器的检测信号之间的周期时钟信号进行计数的计数器进行通信。定时器的输出可以为数字字，并且低通滤波器为数字低通滤波器。

因此，本发明的至少一个实施例的特征是提供一种可以用数字逻辑容易地实现的数字域系统。

可替选地，定时器的输出可以为模拟电压，并且低通滤波器为模拟低通滤波器。

因此，本发明的至少一个实施例的特征是提供一种可以以模拟电路或模拟电路与数字电路的组合来实现的通用系统。

频率监测器还可以包括调整低通滤波器的拐角频率（corner frequency）的、到低通滤波器的输入。

因此，本发明的至少一个实施例的特征是允许用户基于频率的预期变化率进行调整以实现分辨率与测量响应之间的灵活折衷。本发明的一些实施例的另一特征是提供对可能导致主信号（primary signal）中的脉冲丢失的噪声的滤波。

根据以下结合附图进行的详细描述，本发明的大量其他特征、目的和优点将变得明显。

附图说明

图1为工业控制I/O单元的简化透视图，该I/O单元提供可以容纳用于工业过程与工业控制系统之间的通信的多个输入/输出模块的壳体，根据本发明的提供频率监测的一个输入/输出模块被示为监测转速计的频率；