CN101813725A - 一种低频率信号的相位差测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低频率信号的相位差测量方法。该方法的基本原理是首先通过采样值计算两路或多路低频率信号的过零点(信号由低向高变化时的过零点)时间，后由过零点计算信号的周期，最后使用不同信号的过零点时间的差异和信号的周期来计算信号之间的相位差。本发明不需要将低频信号转换成方波，克服了传统的过零点检测抗干扰能力差的缺点，尤其适合于低频信号的相位差测量，系统检测方便，硬件开销小；系统的抗干扰能力较强；实现起来简单合理，数据准确、可靠、有较广泛的应用前景。

Description

一种低频率信号的相位差测量方法

技术领域

本发明涉及低频率信号的相位差测量技术，低频率信号包含但不仅限于民用交流电。

背景技术

在日常生活、生产过程中常常需要测量低频率信号的相位差，测量的相位差越准确，应用的效果往往更好。在现有的相位差测量方法中，大多数采用将信号转变成方波，然后测量两个方波之间上升沿的时间差，从而得出两个信号的相位差，但这种算法易于实现但需要额外的硬件，且容易受到干扰的影响。

发明内容

发明目的：

本发明的主要目的就是解决现有技术中低频率信号的相位差测量精度不够准确，提出了一种低频率信号的相位差测量方法。

技术方案：

为实现上述发明目的，本发明提出了一种低频率信号的相位差测量方法，包括以下步骤：

步骤1)，对低频率信号进行采样，得到一段时间内低频率信号的采样值；

步骤2)，根据步骤1)得到的采样值，在低频率信号由低向高变化时的零点附近选择n个采样点，拟合一条直线，设该直线与时间轴的交点为过零点，n≥2；

步骤3)，根据步骤2)得到的一系列过零点，计算信号的周期；

步骤4)，根据不同信号的过零点时间的差异和步骤3)得到的信号的周期，计算得到信号之间的相位差。

进一步的，本发明的低频率信号的相位差测量方法中步骤1)所述的采样是等时间间隔采样或不等时间间隔采样。

进一步的，本发明的低频率信号的相位差测量方法中步骤1)所述的采样为对整周波进行采样。

进一步的，本发明的低频率信号的相位差测量方法中步骤2)中确定波形的过零点包括以下步骤：

2-1)在低频率信号的由低向高变化时的零点附近选择任意组合的若干个采样点，选出的采样点的采样值全部为正，或全部为负，或根据需要选择若干个采样值为正、若干个采样值为负的采样点；

2-2)根据选出的若干个采样点拟合一条直线，该直线与时间轴的交点为过零点。

进一步的，本发明的低频率信号的相位差测量方法中步骤3)具体包括以下步骤：

3-1)在信号的第j个由低向高变化时的零点附近选择若干个采样点之后，假设选取的采样点数为n，每个采样点的采样时间为t_i，采样值为y_i，则

令 $C_{1j}=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i,$ $C_{2j}=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i,$ $C_{3j}=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t_i}^2,$ $C_{4j}=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i{y}_i;$

再令： $B_j=\frac{C_{2j}{C}_{1j}-{\mathrm{nC}}_{4j}}{C_{1j}{C}_{1j}-{\mathrm{nC}}_{3j}},$ $A_j=\frac{C_{2j}-C_{1j}{B}_j}{n};$

则拟合的直线方程式为：y＝A_j*t+B_j；

则对应的过零点时间：

上式中，n≥2，i、j均为自然数；

3-2)重复步骤3-1)可以得到若干个过零点时间T₁，T₂，T₃...T_j-1，T_j，T_j+1...T_n...，由于被测信号的周期可表示为：T_pj＝T_j+1-T_j，因此获得的信号的周期依次为T_p1，T_p2，T_p3，T_p4，...T_pk-1，T_pk，...，k为自然数。

进一步的，本发明的低频率信号的相位差测量方法中步骤4)所述具体步骤如下：

由步骤3)计算得到的某一路信号的过零点为T1_i，另外一路信号的过零点时间为T2_i，低频率信号的周期为T_pi，则两路信号的相位差可表示为：

也可以表示为：

计算得出的结果分别是以度数和弧度表示的相位差值。

有益效果：

1)传统的零交法采用符号相反的两个连续点来确定零点，虽然算法物理概念清晰，但是容易受谐波、测量误差等的干扰，测量精度低。只有准确定位零点，才能计算出精确的相位差，对于低频的信号而言(特别是民用交流电)，零点附近的波形近似为直线。随着数据采集速度的提高，可以在零点附近任意选择若干个采样点。由选取的若干个采样点去拟合直线，该直线与时间轴的交点为过零点。确定了信号的零点之后，可以精确计算出低频信号的相位差。相比较传统的零交法而言，运算量有所增加，但测量的精度、抗干扰性得到了很大的提高。

2)本发明所涉及的采样可以是等时间间隔采样，也可以是不等时间间隔采样，如果是等时间间隔采样的话，则运算量可以经过优化而进一步减少。

附图说明：

图1是在零点附近进行等时间间隔采样而获取的8个采样点的示意图。

图2是由4个负电平采样点进行计算所获得的信号零点的示意图。

图3是由3个负电平和1个正电平采样点进行计算所获得的信号零点的示意图。

图4是由2个正电平和2个负电平采样点进行计算所获得的信号零点的示意图。

图5是在不等时间间隔采样情形下，由1个负电平和3个正电平采样点进行计算所获得的信号零点的示意图。

图6是计算信号周期的示意图。

图7是计算两路信号计算相位差的示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的实质是由若干个采样点去拟合一条直线，选取的采样点不宜过多，选取的采样点如果较多的话，计算就会复杂一些；选取得采样点也不宜过少，选取的采样点如果较少的话，容易受到干扰的影响。因此用户可以根据需要选取合理的采样点组合和个数来进行计算。

为获得较为精确的测量结果，建议的采样点的选取方案是：正的采样点的数量和负的采样点的数量相等或者大致相等，采样点的个数则可根据具体实际情况来确定。

本发明的特点和优点将通过实例结合附图进行详细说明。本发明的原理通过测量低频信号的相位差来进行说明，随着采样速度的提高，在一个周波内的发生的采样次数也越来越多，当采样次数足够多时，可以利用过零点附近的若干个点来拟合直线，该直线与时间轴的交点为过零点。后续的具体实施方式中都采用了四个采样点来计算零点，实际应用中可以根据需要适当增加或者减少采样点的个数。本发明的具体实施过程如下：

1.对被测信号进行采样，这里所述的采样为对整周波进行的采样。可以是等时间间隔采样，也可以是不等时间间隔采样。

2.在信号的每一个零点附近选择任意组合的若干个采样点。这里所说的零点指的是低频信号由低向高变化时的零点。选出的采样点的采样值可以全部为正；也可以是全部为负；也可以根据需要选择若干个采样值为正、若干个采样值为负的采样点。图1上的S0，S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7是在零点附近进行等时间间隔采样而获取的8个采样点。可以在上述8个点(但不仅限于这8个点)中选择若干个采样点。为获得较为精确的测量结果，建议的采样点的选取方案是：正的采样点的数量和负的采样点的数量相等或者大致相等。

3.得到过零点的过程如下：在第j个零点附近选出了若干个采样点之后，假设选取的采样点数为n，每个采样点的采样时间为t_i，采样值为y_i，则

令 $C_{1j}=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i,$ $C_{2j}=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i,$ $C_{3j}=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t_i}^2,$ $C_{4j}=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i{y}_i;$

再令： $B_j=\frac{C_{2j}{C}_{1j}-{\mathrm{nC}}_{4j}}{C_{1j}{C}_{1j}-{\mathrm{nC}}_{3j}},$ $A_j=\frac{C_{2j}-C_{1j}{B}_j}{n};$

则拟合的直线方程式为：y＝A_j*t+B_j；则对应的过零点时间：

上式中，n≥2，i、j均为自然数；

4.图2中的直线L0是由图1中的采样点S0，S1，S2，S3进行直线拟合而获得的，直线L0和时间轴的交点T0可以认为是过零点；图3中的直线L1是由图1中的采样点S1，S2，S3，S4进行直线拟合而获得的，直线L1和时间轴的交点T1也可以认为是过零点；图4中的直线L2是由图1中的采样点S2，S3，S4，S5进行直线拟合而获得的，直线L2和时间轴的交点T2也可以认为是过零点。图2、图3、图4的例子中的采样是等时间间隔采样。图5是不等时间间隔采样情形下，进行的直线拟合，拟合直线L3和时间轴的交点T3也可以认为是过零点。

5.得到若干个过零点时间后可进行信号周期的计算，图6中的低频信号在进行零点(信号由低向高变化时计算得出的过零点)附近的直线拟合后一共拟合了4条直线L1、L2、L3、L4，4条直线和时间轴的交点T₁、T₂、T₃、T₄则是4个过零点，由于被测地频率信号的周期可表示为：T_pj＝T_j+1-T_j，因此图6中信号周期可表示为：T_p4＝T₄-T₃、T_p3＝T₃-T₂、T_p2＝T₂-T₁。

6.相位差的计算可参见图7，图7中正弦波I在由低向高变化时与时间轴有两个交点T1_i和T1_i+1，正弦波II在由低向高变化时与时间轴有两个交点T2_i和T2_i+1，则正弦波I和正弦波II的相位差可表示为：

或者

公式中的T_pi和T_pi+1是计算得出的信号的周期。公式也可以写成弧度表达的形式。

优选方案是所述的采样为等时间间隔采样。

综上所述，本发明所涉及的一种低频率信号的相位差测量方法，不需要将低频信号转换成方波，克服了传统的过零点检测抗干扰能力差的缺点，尤其适合于低频信号的相位差测量，系统检测方便，硬件开销小；系统的抗干扰能力较强；实现起来简单合理，数据准确、可靠；有较广泛的应用前景。当然，本发明也可以应用于民用三相交流电的相位差测量、功角测量等等。

Claims (6)

1.一种低频率信号的相位差测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1)，对低频率信号进行采样，得到一段时间内低频率信号的采样值；

步骤2)，根据步骤1)得到的采样值，在低频率信号由低向高变化时的零点附近选择n个采样点，拟合一条直线，设该直线与时间轴的交点为过零点，n≥2；

步骤3)，根据步骤2)得到的一系列过零点，计算信号的周期；

步骤4)，根据不同信号的过零点时间的差异和步骤3)得到的信号的周期，计算得到信号之间的相位差。

2.根据权利要求1所述的低频率信号的相位差测量方法，其特征在于：步骤1)所述的采样是等时间间隔采样或不等时间间隔采样。

3.根据权利要求1所述的低频率信号的相位差测量方法，其特征在于：步骤1)所述的采样为对整周波进行采样。

4.根据权利要求1所述的低频率信号的相位差测量方法，其特征在于：步骤2)所述过零点的确定步骤如下：

2-1)在低频率信号的由低向高变化时的零点附近选择任意组合的若干个采样点，选出的采样点的采样值全部为正，或全部为负，或根据需要选择若干个采样值为正、若干个采样值为负的采样点；

2-2)根据选出的若干个采样点拟合一条直线，该直线与时间轴的交点为过零点。

5.根据权利要求1所述的低频率信号的相位差测量方法，其特征在于：步骤3)具体包括以下步骤：

3-1)在信号的第j个由低向高变化时的零点附近选择若干个采样点之后，假设选取的采样点数为n，每个采样点的采样时间为t_i，采样值为y_i，则

令 $C_{1j}=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i,$ $C_{2j}=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i,$ $C_{3j}=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t_i}^2,$ $C_{4j}=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i{y}_i;$

再令： $B_j=\frac{C_{2j}{C}_{1j}-n{C}_{4j}}{C_{1j}{C}_{1j}-n{C}_{3j}},$ $A_j=\frac{C_{2j}-C_{1j}{B}_j}{n};$

则拟合的直线方程式为：y＝A_j*t+B_j；

则对应的过零点时间：

上式中，n≥2，i、j均为自然数；

3-2)重复步骤3-1)可以得到若干个过零点时间T₁，T₂，T₃...T_j-1，T_j，T_j+1...T_n...，由于被测信号的周期可表示为：T_pj＝T_j+1-T_j，因此获得的信号的周期依次为T_p1，T_p2，T_p3，T_p4，...T_pk-1，T_pk，...，k为自然数。

6.根据权利要求1所述的低频率的相位差测量方法，其特征在于：步骤4)所述具体步骤如下：

设由步骤3)计算得到的某一路信号的过零点为T1_i，另外一路信号的过零点时间为T2_i，低频率信号的周期为T_pi，则两路信号的相位差可表示为：也可以表示为：

计算得出的结果分别是以度数和弧度表示的相位差值。

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