专利名称：一种超低频正弦信号相位差的同步快速测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于ー种超低频正弦信号相位差的同步快速測量方法及装置，属于电子測量技术领域。
背景技术：
相位差測量及复现技术是电子学、电磁学以及无线电计量领域的基本技术之一，意义重大且影响深远。例如交流电能计量测试中的功率因数即需要测量两相或三相交流电电压与电流间的相位差来最終确定，实际上需要同步测量两路(一路电压、一路电流)或六路(三路电压、三路电流)正弦信号互相之间的相位差。另外很多场合中的时间差测量是通过相位差測量间接获得，因而相位差的同步精确測量一直是该领域中的ー个基本问题。相 位差是ー个相对量和导出量，它基本上与信号频率、延迟等因素密切相关。而超低频正弦信号相位差的快速測量一直是ー个难题，主要问题是通常的相位差測量方法均需要在获得多个信号波形周期条件下进行，而超低频信号周期本身就非常长，例如用于地震监测等研究的超低频振动台的振动周期可达IOOOs以上，ー种合成信号源的频率下限为ΙμΗζ，导致很难快速获得超低频正弦相位差，相位测量值的实时刷新也很难实现。另外，相位測量准确度受不同測量通道的延迟、噪声、时基失真、时基抖动、时间漂移、触发噪声、触发抖动、采样间隔、以及波形失真等众多因素的影响，不易实现高精度測量，也很难获得较高的相位測量分辨力。现有相位測量技术多基于过零点检测原理实现，以两路正弦波过零点间的时间差与信号周期之比计算相位差，除了必需测量获得多个信号波形周期外，其主要缺点有I)过零点受噪声、失真等影响大，抖动、波动较大，很难获得高精度；2)微小相位差的过零点很难被分辨出来，相位測量分辨カ受限制；3)当两路正弦波幅度相差悬殊时，相位测量很难实现，或者误差极大；4)超低频正弦波相位差的测量无法快速实现。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的局陷，提出ー种超低频正弦信号相位差的同步快速測量方法及装置，在超低频正弦波信号的相位差测量过程中以虚拟仪器方式实现相位快速測量，并实现分辨カ高、波形稳定的相位同步测量，同时避免传统相位測量方法的采样时钟抖动、通道同步误差、通道相位延迟稳定性、幅度噪声等误差影响因素，提出超低频正弦信号相位差的同步快速測量方法及装置。其核心是结合同步测量技术、以不足ー个波形周期的正弦波形(例如十分之ー个波形周期)获取信号相位值。本发明是通过以下技术方案实现的。本发明的一种用于超低频正弦信号相位差的同步快速測量方法，用于两路超低频正弦信号相位差測量，待测的两路正弦信号具有相同频率，其具体步骤为I)对两路待测正弦信号进行信号调理，利用模数转换电路对调理后的两路信号进行同步采样，将采样得到的两路波形数据序列yk,i送入计算机，其中k表示第k路正弦信号对应的通道编号且k= 1，2，i表示同步采样序列中采样点序号且i = 1,2,…，n，两路通道中同一序号采样点的采样时刻相同；2)使用计算机将接收到的两路波形序列分别进行正弦拟合，获得两路正弦的初始相位み,也，具体为2. I对两路正弦信号分别进行数学描述，设第k路正弦信号波形为
h(0 = 4sin(2^ + %)其中，Ak为第k路正弦信号幅值，％为第k路正弦信号初始相位值；第k路正弦信号波形数据序列为yk, i = yk (ti) = yk ((i-1) X Δ τ )其中，通道采样时间间隔Δ τ = 1/ν, V为通道采样速率；2. 2计算机对两路波形数据序列yk, i分别进行正弦波形四參数拟合，获得拟合信
号
ykii) = A-^.a>-i + 9k) + Dk其中，又为第k路正弦信号幅度的拟合值，ふ为正弦信号角频率的拟合值，幺为第k路正弦信号初始相位的拟合值，&为第k路正弦信号直流分量值的拟合值；所述正弦波形四參数拟合具体过程为(I)设定初始參数，具体包括待测的正弦信号的频率预估值为も，角频率预估值ω0 = 2π ち/v，波形采集序列所含信号不足ー个周期且个数为P，波形采集序列占用时间长度为τ，则fQ彡I/ τ ,选取另ー个足够小的正数因子q,使得fQ > q/ τ，此时fQ e [q/ τ，
2/ τ ]；(2)设定拟合迭代停止条件为ー个接近于O的足够小的正数he ；(3)从已知时刻t1; t2，...，tn的正弦波采集样本y1; J2,... yn，使用计点法获得信号波形占用时间长度为τ = (η_1)/ν,确定目标频率も的存在区间[q/T，2/T]；(4)确定迭代左边界频率;^ = q/τ和迭代左边界角频率= 2 π fj/v以及迭代右边界频率fK = 2/ τ和迭代右边界角频率ωκ = 2 fE/v,令中值角频率ωΜ =(ω Ε+ ω L) /2 ；(5)在迭代左边界角频率ωい迭代右边界角频率ωκ和中值角频率ωΜ上分別利用频率已知的三參数正弦波形拟合公式计算各自的拟合残差P (ωふP (ωΕ)和P (ωΜ)；(6)若P (ω) < η · P ( ω Μ)，则令迭代右边界角频率ωκ= ωΜ，迭代左边界角频率不变，重复执行步骤(5) 步骤￠)，其中η为判据因子；(7)若P (ω)彡η · P (ωΜ)，则必有ω κ < 2 ω。，、确定左边界角频率为coL，右边界角频率ωκ，按照优选法原则，选取两个中值角频率分别为ωΜ = coL+0. 618Χ (COk-Col)和ωΤ = ωκ-0· 618X (COk-Col);(8)在左边界角频率上执行频率已知的三參数正弦曲线拟合获得拟合幅度ん、拟合相位砰、拟合直流分量队、拟合残差Pい在右边界角频率ωκ上执行频率已知的三參数正弦曲线拟合获得拟合幅度Ak、拟合相位物、拟合直流分量Dk、拟合残差Pk，在中值角频率ω Μ上执行频率已知的三參数正弦曲线拟合获得拟合幅度Αμ、拟合相位拟合直流分量DM、拟合残差PM，在中值角频率ωτ上执行频率已知的三參数正弦曲线拟合获得拟合幅度At、拟合相位抑、拟合直流分量Dt、拟合残差P τ ；(9)若Pm < Pt,则最小拟合残差P = ΡΜ，有[ωτ, ωκ]，參量更新为
—ω τ, ω τ — w Μ, ο Μ — ο L+0. 618 X (ο Ε— ο L);右 P Μ > P τ，则取小拟合残差 P — P τ，有ω0 e [coL，ωΜ]，參量更新为 ωκ = ωΜ, ωΜ = ωτ, ωτ = ωκ_0· 618X ( Qr-Ql)；
权利要求
1.ー种超低频正弦信号相位差的同步快速測量方法，用于两路超低频正弦信号相位差測量，待测的两路正弦信号具有相同频率，其特征在于，其具体步骤为 1)对两路待测正弦信号进行信号调理，利用模数转换电路对调理后的两路信号进行同步采样，将采样得到的两路波形数据序列yu送入计算机，其中k表示第k路正弦信号对应的通道编号且k= 1，2，i表示同步采样序列中采样点序号且i = 1,2,…，n，两路通道中同一序号米样点的米样时刻相同； 2)使用计算机将接收到的两路波形序列分别进行正弦拟合，获得两路正弦的初始相位Φ ，具体为 2.I对两路正弦信号分别进行数学描述，设第k路正弦信号波形为
2.根据权利要求I所述的ー种用于超低频正弦信号相位差量值的快速測量方法，其特征在于，所述步骤2. 2中进行正弦波形四參数拟合的过程为 (1)设定初始參数，具体包括待测的正弦信号的频率预估值为も，角频率预估值《。=、2πも八，波形采集序列所含信号不足ー个周期且个数为P，波形采集序列占用时间长度为τ，则fQ彡l/τ，选取另一个足够小的正数因子q= 1Χ10_5，使得fQ>q/T，此时fQe [q/τ ，2/τ]； (2)设定拟合迭代停止条件为ー个接近于O的足够小的正数； (3)从已知时刻t1;t2，...，tn的正弦波采集样本y1; y2，... yn，使用计点法获得信号波形占用时间长度为τ = (η_1)/ν,确定目标频率も的存在区间[q/T，2/T]； (4)确定迭代左边界频率れ=q/τ和迭代左边界角频率COlj = 2 fL/v以及迭代右边界频率fK = 2/T和迭代右边界角频率ωκ = 2JifK/v，令中值角频率ωΜ= (qe+ql)/2 ； (5)在迭代左边界角频率ωぃ迭代右边界角频率ωκ和中值角频率ωΜ上分別利用频率已知的三參数正弦波形拟合公式计算各自的拟合残差P (ω)、P (ωκ)和P (ωΜ); (6)若P(ω) < η · P (ωΜ)，则令迭代右边界角频率Coli= ωΜ，迭代左边界角频率 不变，重复执行步骤(5) 步骤(6)，其中η为判据因子且η取值范围为I I. 5 ;(7)若P(ω J彡η * P (ωΜ)，则必有ωκ< 2ω。，确定左边界角频率为ωい右边界角频率ωκ，按照优选法原则，选取两个中值角频率分别为COm= COl+0. 618Χ (COk-COl) 和COt= COd-O. 618X (COr-COl); (8)在左边界角频率上执行频率已知的三參数正弦曲线拟合获得拟合幅度怂、拟合相位效、拟合直流分量!\、拟合残差Pい在右边界角频率ωκ上执行频率已知的三參数正弦曲线拟合获得拟合幅度Ak、拟合相位物、拟合直流分量Dk、拟合残差Pk，在中值角频率ωΜ 上执行频率已知的三參数正弦曲线拟合获得拟合幅度ΑΜ、拟合相位_、拟合直流分量DM、拟 合残差PM，在中值角频率ωτ上执行频率已知的三參数正弦曲线拟合获得拟合幅度At、拟合相位种、拟合直流分量Dt、拟合残差P τ ； (9)若PM < Pt,则最小拟合残差P = P Μ，有ω。e [ωτ, ωΕ],參量更新为=(O τ，j O μ，。μ O l+0. 618 X (O O l)；右 P μ ^ Pt，则取小拟合残差 P Pt，有ω0 e [C0L，ωΜ]，參量更新为 ωκ = ωΜ, ωΜ = ωτ, ωτ = ωκ_0· 618X ( Qr-Ql)； (10)判定若Iρμ-ρτ)/ρτ|彡he，则重复步骤(5) 步骤(10);若I (pm-pt)/pt<he，则停止迭代，此时又分为两种情況若最小拟合残差P = Pt，获得四參数拟合正弦曲线參数为2 = dr、 =( τΛ φ=Θτ、f)=Dj·、/ ，拟合过程结束；若最小拟合残差P =P M，获得四參数拟合正弦曲线參数为2=為 /、 =ωΜ^ φ=θΜ、f)=DM、/ ，拟合过程结束。
3.根据权利要求I所述的ー种超低频正弦信号相位差的同步快速測量方法，其特征在于，所述步骤2)中采样波形的序列长度η以及采样速率V根据两路待测正弦信号的频率预期值f确定；设定原则为保证每个波形周期内要多于500个采样点并且所存储的数据少于正弦信号的I个波形周期。
4.根据权利要求2所述的ー种超低频正弦信号相位差的同步快速測量方法，其特征在于，所述步骤⑵中he的优选取值范围为1X10_4° 1X10_2°。
5.根据权利要求2所述的ー种超低频正弦信号相位差的同步快速測量方法，其特征在于，所述步骤(6)中Π的优选取值范围为I I. 5。
6.ー种超低频正弦信号相位差的同步快速測量装置，用于两路超低频正弦信号相位差測量，待测的两路正弦信号具有相同频率，其特征在于，包括第一信号调理电路、第二信号调理电路、第一模数转换电路、第二模数转换电路、第一数据寄存电路、第二数据寄存电路、接ロ电路、计算机、输入输出电路、时钟电路和逻辑控制电路； 被测的两路正弦波信号中，第一路正弦信号经第一信号调理电路进行滤波、放大后进入第一模数转换电路，第一模数转换电路对进入的信号进行同步采样和模数转换，将得到的数字化的波形数据序列送入第一数据寄存电路； 第二路正弦信号经第二信号调理电路进行滤波、放大后进入第二模数转换电路，第二模数转换电路对进入的信号进行同步采样和模数转换，将得到的数字化的波形数据序列送入第二数据寄存电路； 接ロ电路将第一数据寄存电路和第二数据寄存电路中的当前波形数据序列依次读入计算机，计算机对获取的数据序列进行存储、处理，并利用快速測量方法计算两路正弦信号的相位差，将运算结果经过输入输出电路以虚拟仪器的方式提供给操作者并实现人机交互； 计算机通过逻辑控制电路为第一模数转换电路、第二模数转换电路、第一数据寄存电路、第二数据寄存电路和接ロ电路提供统ー的时序和逻辑控制信号，以保证两路通道中同一序号采样点的采样时刻相同；时钟电路为逻辑控制电路和计算机提供统ー的时钟信号。
7.根据权利要求6所述的ー种超低频正弦信号相位差的同步快速測量装置，其特征在于，所述接ロ电路为并行可编程输入接ロ，采用FPGA编程实现或者采用可编程I/O接ロ芯片实现。
全文摘要
本发明涉及用于一种超低频正弦信号相位差的同步快速测量方法及装置，属于电子测量技术领域。结合同步测量技术和虚拟仪器技术，利用远小于一个波形周期的局部波形获得正弦信号的相位值，从而实现超低频正弦信号相位差的快速测量。快速测量装置包括第一信号调理电路、第二信号调理电路、第一模数转换电路、第二模数转换电路、第一数据寄存电路、第二数据寄存电路、接口电路、计算机、输入输出电路、时钟电路和逻辑控制电路。本发明可以用不足一个周期的部分波形获得其两路正弦信号的相位差，避免了传统相位测量方法的多周期波形测量及多种噪声误差影响因素，可用于制作超低频相位测量系统以及用于超低频相位参数的计量校准。
文档编号G01R25/00GK102645585SQ20121014994
公开日2012年8月22日 申请日期2012年5月14日 优先权日2012年5月14日
发明者张大鹏, 朱振宇, 梁志国, 武腾飞, 胡春艳 申请人:中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所