CN102253284A - 一种用于多路正弦波信号的相位差同步测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于多路正弦波信号的相位差同步测量装置及方法，属于电子测量技术领域。装置包括两个或者两个以上的信号调理电路、两个或者两个以上的模数转换电路、两个或者两个以上的数据寄存器，以及共用逻辑控制电路、接口电路、计算机、人机接口电路和时钟电路，被测对象为两路或者两路以上正弦波信号的相位差，其中信号调理电路、模数转换电路和数据寄存器的数量相同，并分别一一对应配套使用。采用本发明的装置及方法实现多路正弦波信号的相位差同步测量，其相位分辨力高、波形稳定、多路相位同步性好，避免了传统相位测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。

Description

一种用于多路正弦波信号的相位差同步测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于多路正弦波信号的相位差同步测量装置及方法，属于电子测量技术领域。

背景技术

相位差测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终确定，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测量间接获得，因而相位差的同步精确测量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。而高精度同步测量多通道正弦波信号相位差一直是一个难题，主要问题是测量准确度受不同测量通道的延迟、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，不易实现高精度测量，也很难获得较高的相位测量分辨力。

现有相位测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，其主要缺点有：1)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，相位测量分辨力受限制；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)多于两路正弦波相位差的测量无法同步实现，只能一次测两路进行分时异步测量。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，在多路正弦波信号的相位差测量过程中实现相位分辨力高、波形稳定和多路相位同步测量，同时避免传统相位测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，提出一种用于多路正弦波信号的相位差同步测量装置及方法。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种用于多路正弦波信号的相位差同步测量装置，包括两个或者两个以上的信号调理电路、两个或者两个以上的模数转换电路、两个或者两个以上的数据寄存器，以及公共的逻辑控制电路、接口电路、计算机、人机接口电路和时钟电路，被测对象为两路或者两路以上的正弦波信号；信号调理电路、模数转换电路和数据寄存器的数量相同，并分别一一对应配套使用；

每一路正弦波信号分别对应进入一个信号调理电路，信号调理电路对被测正弦波信号进行滤波、放大后，再将信号输出至对应的模数转换电路，模数转换电路对该信号波形进行同步采样和模数转换，得到采样量化后的数字化波形测量序列，并将该序列送入对应的数据寄存器进行寄存，接口电路将各个数据寄存器中的当前数据读入计算机，计算机对从接口电路获取的波形测量数据进行存储、处理和信息显示，并通过人机接口电路与操作者实现人机交互；计算机通过公共的控制逻辑电路为各个模数转换电路、各个数据寄存器和接口电路提供统一的时序和逻辑控制信号；时钟电路为逻辑控制电路和计算机提供统一的时钟信号；

上述接口电路为并行可编程输入接口，采用FPGA编程实现或者采用可编程I/O接口芯片实现，完成将各个数据寄存器中的数据依次读入计算机的功能，同时避免数据线冲突；

计算机对从接口电路获取的波形测量数据进行处理，具体过程为：使用四参数正弦波拟合方法对获取的对应每一路信号的波形测量数据进行四参数正弦波拟合，根据拟合结果计算获得各路正弦波的初始相位以及任意两路正弦波信号间的相位差。

本发明的一种用于多路正弦波信号的相位差同步测量装置，其相位差同步测量方法为：

1)根据被测正弦波信号的频率f，设定各个通道采集波形的序列长度M以及模数转换电路的采样速率v；设定原则为保证每个波形周期内要多于3个采样点并且所存储的数据至少要涵盖正弦波信号的2个波形周期，限定M下限值为1000；

2)启动同步数据采集，由计算机获得各路正弦波信号的同步采集序列

y_k，i，k＝1，2，…，n，i＝1，2，…，M

其中k表示正弦波信号对应的通道编号，n为总的通道数量，i表示同步采样序列中采样点序号，不同通道中同一序号的采样点的采样时刻相同；

3)计算机对各路正弦波信号的波形同步采集序列进行正弦波拟合，获得各路正弦波采集波形的初始相位

具体为：

3.1对正弦波信号进行数学描述，其中第k路正弦波信号的波形为

其中，A_k为第k路正弦波信号的幅值，

为第k路正弦波的初始相位；

第k路模数转换电路对相应正弦波信号以采样速率v进行采集，得到第k路正弦波信号的波形采集数据序列为

y_k，i＝y_k(t_i)＝y_k((i-1)×Δτ)，i＝1，2，…，M

其中，采样时间间隔Δτ＝1/v；

3.2计算机对第k个模数转换电路获得的波形采集序列y_k，i进行四参数正弦波形拟合，获得拟合信号：

其中，

为拟合正弦波的幅度，ω为拟合正弦波的角频率，

为拟合正弦波的初始相位，

为拟合正弦波的直流分量值；

3.3同理，由计算机获得其余模数转换电路的采集序列，并对其各自进行四参数正弦波形拟合，可得到其余通道中正弦波信号的拟合初始相位；

3.4其中任意两路通道k与m之间的正弦波信号的相位差测量值为

其中，

和为拟合正弦波的初始相位；

4)按照步骤3)计算获得各个通道的正弦波形间的相位差，并显示输出。

有益效果

采用本发明的装置及方法实现多路正弦波信号的相位差测量，其相位分辨力高、波形稳定、多路相位同步性好，避免了传统相位测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。本发明具有高精度同步测量多通道间相位差量值的特点，可用于制作多通道相位计、相位表、相位测量系统等，并可以用于单相及三相电能、电功率功率因数的计量校准。

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

一种用于多路正弦波信号的相位差同步测量装置，其结构如图1所示，包括两个或者两个以上的信号调理电路、两个或者两个以上的模数转换电路、两个或者两个以上的数据寄存器，以及公共的逻辑控制电路、接口电路、计算机、人机接口电路和时钟电路，被测对象为两路或者两路以上的正弦波信号间的相位差；信号调理电路、模数转换电路和数据寄存器的数量相同，并分别一一对应配套使用；

每一路正弦波信号分别对应进入一个信号调理电路，信号调理电路对被测正弦波信号进行滤波、放大后，再将信号输出至对应的模数转换电路，模数转换电路对该信号波形进行同步采样和模数转换，得到数字化的波形测量序列，并将该序列送入对应的数据寄存器进行寄存，接口电路将各个数据寄存器中的当前数据依次读入计算机，计算机对从接口电路获取的数据进行存储、处理和信息显示，并通过人机接口电路与操作者实现人机交互；计算机通过公共控制逻辑电路为各个模数转换电路、各个数据寄存器和接口电路提供统一的时序和逻辑控制信号；时钟电路为逻辑控制电路和计算机提供统一的时钟信号；

上述接口电路为并行可编程输入接口，采用可编程I/O接口芯片8255实现；

计算机对从接口电路获取的波形测量数据进行处理，具体过程为：使用四参数正弦波拟合方法对获取的对应每一路信号的波形测量数据进行正弦波拟合，根据拟合结果计算获得各路正弦波的初始相位以及任意两路正弦波信号间的相位差。

本发明的一种用于多路正弦波信号的相位差同步测量装置，其相位差同步测量方法为：

1)根据被测正弦波信号的频率f，设定各个通道采集波形的序列长度M以及模数转换电路的采样速率v；设定原则为保证每个波形周期内要多于3个采样点并且所存储的数据至少要涵盖正弦波信号的2个波形周期，限定M下限值为1000；

2)启动同步数据采集，由计算机获得各路正弦波信号的同步采集序列

y_k，i，k＝1，2，…，n，i＝1，2，…，M

其中k表示正弦波信号对应的通道编号，n为总的通道数量，i表示同步采样序列中采样点的序号，不同通道中同一序号的采样点的采样时刻相同；

3)计算机对各路正弦波信号的波形采集序列进行正弦波拟合，获得各路正弦波采集波形的初始相位

具体为：

3.1对正弦波信号进行数学描述。其中第k路正弦波信号的波形为

其中，A_k为第k路正弦波信号的幅值，为第k路正弦波的初始相位；

第k路模数转换电路对相应正弦波信号以采样速率v进行采集，得到第k路正弦波信号的波形采集数据序列为

y_k，i＝y_k(t_i)＝y_k((i-1)×Δτ)，i＝1，2，…，M

其中，采样时间间隔Δτ＝1/v；

3.2由计算机对第k个模数转换电路获得的波形采集序列y_k，i进行四参数正弦波形拟合，获得拟合信号：

其中，

为拟合正弦波的幅度，ω为拟合正弦波的角频率，

为拟合正弦波的初始相位，

为拟合正弦波的直流分量值；

3.3同理，由计算机获得其余模数转换电路的采集序列，并对其各自进行四参数正弦波形拟合，可得到其余通道中正弦波信号的拟合初始相位；

3.4其中任意两路通道k与m之间的正弦波信号的相位差测量值为

其中，

和

为拟合正弦波的初始相位；

4)按照步骤3)计算获得各个通道的正弦波形间的相位差，并显示输出。

目前军用400Hz电源通常为3相115V平衡相位供电，所需通道路数为6路(三相电压和三相电流)，由于存在大量大功率非线性负载，导致其瞬时功率的测量等问题特别突出，直接使用工频50Hz的电能质量分析仪或功率分析仪无法满足要求，本实施例将上述一种用于多路正弦波信号的相位差测量装置应用于一种用于400Hz电源系统校准的多路正弦波相位同步测量。所测量的通道数为6路，包含三相电压和三相电流信号，A/D位数为12Bits，信号频率范围为100Hz～20kHz，准确度的范围要求为±0.03％，三相电压范围为90V～170V，准确度要求为±0.1％，相间相位差测量范围为0°～360°，相间相位差分辨力要求0.01°，相间相位差准确度要求为±0.03°；三相电流均以以电压形式输出，范围为0V～10V，准确度范围要求为±0.1％，相间相位差测量范围为0°～360°，相间相位差分辨力要求0.01°，相间相位差准确度要求为±0.03°，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 (5)

1.一种用于多路正弦波信号的相位差同步测量装置，被测对象为两路或者两路以上的正弦波信号的相位差，其特征在于：

包括两个或者两个以上的信号调理电路、两个或者两个以上的模数转换电路、两个或者两个以上的数据寄存器，以及公共逻辑控制电路、接口电路、计算机、人机接口电路和时钟电路；

上述信号调理电路、模数转换电路和数据寄存器的数量相同，并分别一一对应配套使用；

每一路正弦波信号分别对应进入一个信号调理电路，信号调理电路对被测正弦波信号进行滤波、放大后将信号输出至对应的模数转换电路，模数转换电路对该信号波形进行同步采样和模数转换，得到量化后的数字化波形测量序列，并将该序列送入对应的数据寄存器进行波形寄存，接口电路将各个数据寄存器中的波形数据读入计算机，计算机对从接口电路获取的波形数据进行存储、处理和信息显示，并通过人机接口电路与操作者实现人机交互；计算机通过公共控制逻辑电路为各个模数转换电路、各个数据寄存器和接口电路提供统一的时序和逻辑控制信号；

时钟电路为逻辑控制电路和计算机提供统一的时钟信号；

上述接口电路为并行可编程输入接口，将各个数据寄存器中的数据依次读入计算机的功能，同时避免数据线冲突；

计算机对从接口电路获取的波形数据进行处理，具体过程为：使用四参数正弦波拟合方法对获取的对应每一路信号的波形测量数据进行正弦波拟合，根据拟合结果计算获得各路正弦波的初始相位以及任意两路正弦波信号间的相位差。

2.根据权利要求1所述的一种用于多路正弦波信号的相位差同步测量装置，其特征在其相位差的同步测量方法为：

1)根据被测正弦波信号的频率f，设定各个通道采集波形的序列长度M以及模数转换电路的采样速率v；设定原则为保证每个波形周期内要多于3个采样点并且所存储的数据至少要涵盖正弦波信号的2个波形周期，限定M下限值为1000；

2)启动同步数据采集，由计算机获得各路正弦波信号的同步采集序列

y_k，i，k＝1，2，…，n，i＝1，2，…，M

其中k表示正弦波信号对应的通道编号，n为总的通道数量，i表示采样序列中采样点序号，不同通道中同一序号的采样点的采样时刻相同；

3)计算机对各路正弦波信号的同步波形采集序列进行正弦波拟合，获得各路正弦波采集波形的初始相位

具体为：

3.1对正弦波信号进行数学描述。其中第k路正弦波信号的波形为

其中，A_k为第k路正弦波信号的幅值，

为第k路正弦波的初始相位；

第k路模数转换电路对相应正弦波信号以采样速率v进行采集，得到第k路正弦波信号的波形采集数据序列为

y_k，i＝y_k(t_i)＝y_k((i-1)×Δτ)，i＝1，2，…，M

其中采样时间间隔Δτ＝1/v；

3.2由计算机对第k个模数转换电路获得的波形采集序列y_k，i进行四参数正弦波形拟合，获得拟合信号：

其中，为拟合正弦波的幅度，ω为拟合正弦波的角频率，

为拟合正弦波的初始相位，

为拟合正弦波的直流分量值；

3.3同理，由计算机获得其余模数转换电路的采集序列，并对其各自进行四参数正弦波形拟合，可得到其余通道中正弦波信号的拟合初始相位；

3.4其中任意两路通道k与m之间的正弦波信号的相位差测量值为

其中，

和

为拟合正弦波的初始相位；

4)按照步骤3)计算获得各通道正弦波形间的相位差，并显示输出。

3.根据权利要求1所述的一种用于多路正弦波信号的相位差测量装置，其特征在于：所述接口电路采用FPGA编程实现。

4.根据权利要求1所述的一种用于多路正弦波信号的相位差测量装置，其特征在于：所述接口电路采用可编程I/O接口芯片实现。

5.根据权利要求4所述的一种用于多路正弦波信号的相位差测量装置，其特征在于：所述接口电路采用的可编程I/O接口芯片为8255。

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