CN102253254B - 一种多路正弦波相位标准信号的产生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多路正弦波相位标准信号的产生装置及方法，属于电子学技术领域。装置包括两个或者两个以上的滤波及放大电路、两个或者两个以上的数模转换电路、两个或者两个以上的波形存储器、逻辑控制电路、地址计数器、计算机、人机接口电路和时钟电路，其中滤波及放大电路、数模转换电路和波形存储器的数量相同，并分别一一对应配套使用。本发明稳定可靠、分辨力高、无漂移，不受噪声、失真等因素影响，可以产生各路通道间相位差值任意可调的多路正弦波相位标准信号，其中的共用地址计数器和控制逻辑电路将避免时基失真、时基抖动、同步延时误差等因素带来的对相位差影响，具有高精度复现相位差量值的特点。

Description

一种多路正弦波相位标准信号的产生装置及方法

技术领域

本发明涉及一种多路正弦波相位标准信号的产生装置及方法，尤其涉及一种能够产生具有通道间相位差任意可调的多路正弦波相位标准的装置及方法，属于电子学技术领域。

背景技术

相位差测量及复现技术是电子学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压之间、以及电压与电流间的相位差来最终确定，而很多场合中的时间差测量是通过相位差测量间接获得，因而相位标准的确定与复现一直是该领域中的一个基本问题。相位差是一个相对量和导出量，它基本上与信号频率、延迟等因素密切相关，因而产生与复现高精度相位差信号一直是一个难题。以往通过控制延迟时间、控制触发同步特性、使用无源延迟网络等手段产生高精度相位差信号的手段，虽然取得了不错的效果，但一直受到电路漂移、噪声、波形失真等幅度因素影响，以及电路时基失真、时基抖动、同步延时误差等时间因素带来的影响，很难达到非常高的准确度，具体缺陷表现为：1)无源延迟网络产生相位差在确定频率和单值输出情况下可以获得较高准确度，但无法获得高分辨力的相位调节细度，量值固定且不可调控；2)使用任意波发生器原理产生相位差可有较高分辨力和调节细度，但也需通过延迟和同步产生相位差，分辨力受抽样间隔限制，仅在低频有较高分辨力，高频不易产生高分辨力；3)单点同步电路易受同步点的电平噪声、信号失真、电平漂移因素影响而降低相位差量值准确度。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，达到高精度复现多路相位标准信号的目的，提出一种多路正弦波相位标准信号的产生装置及方法。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种多路正弦波相位标准信号的产生装置，包括两个或者两个以上的滤波及放大电路、两个或者两个以上的数模转换电路、两个或者两个以上的波形存储器，以及配套的公共逻辑控制电路、地址计数器、计算机、人机接口电路和时钟电路；其中滤波及放大电路、数模转换电路和波形存储器的数量相同，并分别一一对应配套使用；

时钟电路为逻辑控制电路和计算机提供统一的时钟信号，计算机通过公共控制逻辑电路为各个数模转换电路、各个波形存储器和地址计数器提供公共时序和逻辑控制信号，计算机通过人机接口电路与操作者实现人机交互；计算机通过控制逻辑电路和地址计数器将所要输出的每路正弦波信号单周期的数据序列发送到对应的各个波形存储器，各个数模转换电路在公共逻辑控制电路的统一控制下，分别从对应的波形存储器中读取正弦波信号波形数据并转换为模拟信号，再将输出的模拟信号经对应的滤波及放大电路进行滤波和信号放大，输出为通道间相位差任意精确可调的多路正弦波信号，用于产生多路同步精密相位标准量值；

上述每一个波形存储器存储的正弦波形序列数据的初始相位即为最终输出正弦波的初始相位值。

本发明的一种多路正弦波相位标准信号产生装置，其多路正弦波相位标准信号φ_k的产生方法为：

1)操作员通过人机接口电路将拟产生的多路正弦波信号中各个通道的初始相位、频率f、幅度输入到计算机；

2)计算机对操作员输入的信息进行处理，具体过程为：

2.1计算机产生各路正弦波的波形数据计算公式，其中第k个通道的波形数据计算公式为：

其中A_k为第k路正弦波的幅值，也即波形输出范围为[-A_k，A_k]，

为第k路正弦波的初始相位，n为总的通道数；

以通道1的正弦信号做参考波形，获得各个通道输出正弦信号相对于参考通道信号的相位差φ_k为：

2.2计算机对各路正弦波的波形按抽样时间间隔Δτ进行抽样，获得抽样值，其中第k个通道中的抽样值为

y_k(t_i)＝y_k((i-1)×Δτ)

其中i为抽样点编号，Δτ＝1/v，v为地址计数器的计数频率，且v＝M/f，M为第k个波形存储器存储波形序列的长度；由于每个波形存储器中仅存储单周期的正弦波数据序列，所以M决定于第k路正弦波的频率以及第k个波形存储器的存储能力；

2.3计算机对步骤2.2计算得到的各路正弦波的抽样值进行量化获得各路正弦波的数据序列，其中第k路正弦波的数据序列为

$y_{k,i}=\mathrm{int}\left(\frac{y_k\left(t_i\right)}{\mathrm{\ΔA}}\right)$

其中，i为数据序列编号，且i＝1，2，…，M；

B为数模转换器的位数；int(^*)为取整数运算函数；

3)计算机将由步骤2)得到的各路正弦波的数据序列存储到对应的波形存储器中；

4)各个数模转换电路在逻辑控制电路的统一控制下，分别从各自对应的波形存储器中读取正弦波信号波形数据序列逐点转换为模拟信号输出，再将输出的模拟信号经对应的滤波及放大电路进行滤波和信号放大，输出为通道间相位差φ_k精确可调的多路正弦波信号，用于产生多路同步精密相位标准量值φ_k。

有益效果

本发明稳定可靠、分辨力高、无漂移，不受噪声、失真等因素影响，可以产生通道间相位差值任意精确可调的多路正弦波相位标准信号，其中的共用地址计数器和控制逻辑电路将避免时基失真、时基抖动、同步延时误差等因素带来的对相位差影响，具有高精度复现相位差量值的特点。

附图说明

图1为本发明的装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例

一种多路正弦波相位标准信号产生装置，如图1所示，包括两个或者两个以上的滤波及放大电路、两个或者两个以上的数模转换电路、两个或者两个以上的波形存储器，以及共用的逻辑控制电路、地址计数器、计算机、人机接口电路和时钟电路；其中滤波及放大电路、数模转换电路和波形存储器的数量相同，并分别一一对应配套使用；

时钟电路为逻辑控制电路和计算机提供统一的时钟信号，计算机通过公共控制逻辑电路为各个数模转换电路、各个波形存储器和地址计数器提供公共时序和逻辑控制信号，计算机通过人机接口电路与操作者实现人机交互；计算机通过控制逻辑电路和地址计数器将所要输出的每路正弦波信号单周期的数据序列发送到对应的各个波形存储器，各个数模转换电路在公共逻辑控制电路的统一控制下，分别从各自对应的波形存储器中读取正弦波信号波形数据并转换为模拟信号，再将输出的模拟信号经对应的滤波及放大电路进行滤波和信号放大，输出通道间相位差精确可调的多路正弦波信号，用于产生多路同步精密相位标准量值。

上述每一个波形存储器存储的正弦波形序列数据的初始相位即为最终输出正弦波的初始相位值。

本发明的一种多路正弦波相位标准信号产生装置，其多路正弦波相位标准信号φ_k的产生方法为：

1)操作员通过人机接口电路将拟产生的多路正弦波信号中各个通道的初始相位、频率f、幅度输入到计算机；

2)计算机对操作员输入的信息进行处理，具体过程为：

2.1计算机产生各路正弦波的波形数据计算公式，其中第k个通道的波形数据计算公式为：

其中A_k为第k路正弦波的幅值，也即波形输出范围为[-A_k，A_k]，

为第k路正弦波的初始相位，n为总的通道数；

以通道1的正弦信号做参考波形，获得各个通道输出正弦信号相对于参考通道信号的相位差φ_k为：

2.2计算机对各路正弦波的波形按抽样时间间隔Δτ进行抽样，获得抽样值，其中第k个通道中的抽样值为

y_k(t_i)＝y_k((i-1)×Δτ)

其中i为抽样点编号，Δτ＝1/v，v为地址计数器的计数频率，且v＝M/f，M为第k个波形存储器存储波形序列的长度；由于每个波形存储器中仅存储单周期的正弦波数据序列，所以M决定于第k路正弦波的频率以及第k个波形存储器的存储能力；

2.3计算机对步骤2.2计算得到的各路正弦波的抽样值进行量化获得各路正弦波的数据序列，其中第k路正弦波的数据序列为

$y_{k,i}=\mathrm{int}\left(\frac{y_k\left(t_i\right)}{\mathrm{\ΔA}}\right)$

其中，i为数据序列编号，且i＝1，2，…，M；

其中B为数模转换器的位数；int(^*)为取整数运算函数

3)计算机将由步骤2)得到的各路正弦波的数据序列存储到对应的波形存储器中；

4)各个数模转换电路在公共逻辑控制电路的统一控制下，分别从各自对应的波形存储器中读取正弦波信号波形数据序列并逐点转换为模拟信号输出，再将输出的模拟信号经对应的滤波及放大电路进行滤波和信号放大，输出通道间相位差φ_k精确可调的多路正弦波信号，用于产生多路同步精密相位标准量值φ_k。

目前实际应用中，在50Hz频率下，对于三相功率测量问题，在要求较高情况下使用电能质量分析仪或功率分析仪给出，其中功率分析仪指标最高，目前最好的测量分析三相电源的频率范围为16Hz～850Hz，幅度可达到1000V，相位测量范围0°～360°，相位准确度指标为±0.005°，所需通道路数为6路(三相电压和三相电流)。由于没有更高指标的标准源和标准测量仪器设备，该指标的功率分析仪的计量溯源问题一直未能解决，本实施例将产生一种用于400Hz电源测试系统校准的多路正弦波相位标准信号，包含的通道数为6路，其中包括三相电压信号且各相电压间标准相位差为120°(可调)和三相电流信号且各相电流间标准相位差为120°(可调)，其信号频率范围为100Hz～20kHz，分辨率为1Hz，准确度为±0.03％；其中三相电压信号范围为90V～170V，分辨率为1V，准确度为±0.03％，相间相位差调节范围为0°～360°，相间相位差分辨率为0.1°，相间相位差准确度为±0.03°，谐波失真小于0.1％，三相电流以电压形式输出，其范围为0V～10V，分辨率为5mV，准确度为±0.03％，同相电压通道与电流通道间相位差调节范围为0°～60°，相间相位差分辨率为0.1°，相间相位差准确度为±0.1°，谐波失真小于0.1％，使用本发明所述方法达到了设计要求。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种多路正弦波相位标准信号的产生装置，其特征在于：

包括两个以上的滤波及放大电路、两个以上的数模转换电路、两个以上的波形存储器，以及公用的逻辑控制电路、地址计数器、计算机、人机接口电路和时钟电路；

上述滤波及放大电路、数模转换电路和波形存储器的数量相同，并分别一一对应配套使用；

时钟电路为逻辑控制电路和计算机提供统一的时钟信号，计算机通过控制逻辑控制电路为各个数模转换电路、各个波形存储器和地址计数器提供统一的时序和逻辑控制信号，计算机通过人机接口电路与操作者实现人机交互；

计算机通过控制逻辑控制电路和地址计数器将所要输出的每路正弦波信号单周期的数据序列发送到对应的各个波形存储器，各个数模转换电路在逻辑控制电路的统一控制下，分别从各自对应的波形存储器中读取正弦波信号波形数据并逐点转换为模拟信号，再将输出的模拟信号经对应的滤波及放大电路进行滤波和信号放大，输出为通道间相位差精确可调的多路正弦波信号，用于产生多路同步精密相位标准量值；

上述每一个波形存储器存储的正弦波形序列数据的初始相位即为最终输出正弦波的初始相位值。

2.根据权利要求1所述的一种多路正弦波相位标准信号产生装置，其特征在于多路正弦波相位标准信号的产生方法为：

1)操作员通过人机接口电路将拟产生的多路正弦波信号中各个通道的初始相位、频率f、幅度输入到计算机；

2)计算机对操作员输入的信息进行处理，具体过程为：

2.1计算机产生各路正弦波的波形数据计算公式，其中第k个通道的波形数据计算公式为：

1＜k≤n

其中A_k为第k路正弦波的幅值，也即波形输出范围为[-A_k，A_k]，

为第k路正弦波的初始相位，n为总的通道数；

以通道1的正弦信号做参考波形，获得各个通道输出正弦信号相对于参考通道信号的相位差φ_k为：

1＜k≤n

2.2计算机对各路正弦波的波形按抽样时间间隔Δτ进行抽样，获得抽样值，其中第k个通道中的抽样值为

y_k(t_i)＝y_k((i-1)×Δτ)

其中i为抽样点编号，Δτ＝1/v，v为地址计数器的计数频率，且v＝M/f，M为第k个波形存储器存储波形序列的长度；由于每个波形存储器中仅存储一个周期的正弦波数据序列，所以M决定于第k路正弦波的频率以及第k个波形存储器的存储能力；

2.3计算机对步骤2.2计算得到的各路正弦波的抽样值进行量化获得各路正弦波的数据序列，其中第k路正弦波的数据序列为

$y_{k,i}=\mathrm{int}\left(\frac{y_k\left(t_i\right)}{\mathrm{\ΔA}}\right)$

其中，i为数据序列编号，且i＝1，2，…，M；

B为数模转换器的位数；int(*)为取整数运算函数；

3)计算机将由步骤2)得到的各路正弦波的波形数据序列存储到对应的波形存储器中；

4)各个数模转换电路在逻辑控制电路的统一控制下，分别将各自对应的波形存储器中正弦波信号波形数据序列读出并逐点转换为模拟信号输出，再将输出的模拟信号经对应的滤波及放大电路进行滤波和信号放大，输出通道间相位差φ_k精确可调的多路正弦波信号，用于产生多路同步精密相位标准量值φ_k。