CN102435849A - 使用数字滤波器提高频率测量精度的方法 - Google Patents
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Abstract
一种使用数字滤波器提高频率测量精度的方法，外部信号依次通过抗混叠高频滤波器、高速信号采样模块传送至数字滤波器，该滤波器可以用差分方程表示：其中y(n)为滤波器的输出，x(n)为滤波器的输入，ai为滤波器系数，M为数字滤波器的阶数，滤波器系数即为滤波器的冲击响应系列h(n)，带有干扰和谐波的信号采样值x(n)，经过与数字滤波器h(n)卷积的结果就为我们希望的滤波之后的信号y(n)；经过数字滤波器滤波的信号y(n)与原始信号x(n)之间存在相位差，精确的相位差可以计算出来，但是不影响信号的周期，因此测量y(n)的频率也就是x(n)的真实频率，保证频率测量的高精度。
Description
技术领域
本发明涉及交流采样技术，尤其是使用数字滤波器提高频率测量精度的方法。
背景技术
随着交流采样技术的广泛应用，频率测量的精度显得越来越重要，现在一般在采样信号中查找相邻的两个过零点，用相邻过零点之间的时间计算工频信号的频率，对于频率跟踪算法，再用这个测量频率，修改采样信号的频率，以保证每一个周波的采样点一样；而对于使用准同步算法的设备，也要以这个频率为依据，对采样数据进行插值计算。可见频率的测量精度直接关系到交流采样设备的测量准确度。
在产品研发中，当信号中包含了多种谐波成分，并且谐波含量很高的时候，经常遇到频率测量不正确的问题，从而直接导致测量数据的错误，或者准确度达不到要求，导致这种结果的原因是因为在过零点附近密集分布多个过零点，干扰信号淹没了真实信号的过零点，从而产生过零点搜索错误。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种使用数字滤波器提高频率测量精度的方法，即使信号中含有很多高频干扰或谐波成分，滤波后，仍然可以很准确的找到所需要的过零点，保证频率测量的高精度。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种使用数字滤波器提高频率测量精度的方法，外部信号源依次通过抗混叠高频滤波器、高速信号采样模块传送至数字滤波器；所述数字滤波器为FIR滤波器，用差分方程表示为：
其中y(n)为数字滤波器的输出，x(n)为数字滤波器的输入，ai为数字滤波器的系数，M为数字滤波器的阶数；高速信号采样模块实现AD采样；具体的测量方法如下：
(1)外部信号经过电压互感器、电流互感器后，将一次高压、大电流信号转换为500V以下的交流电压信号，小于100A的交流电流信号，再经过一级精密测量电压互感器、测量电流互感器将信号变换为后面测量电路可以测量范围的小信号；
(2)外部信号经过处理后，还含有很多超出AD采样速率的频率成分，这些信号会严重干扰采样信号的采样，会使采样信号失真，因此需要抗混叠滤波器滤掉超出采样率2倍频率的信号；
(3)经过抗混叠滤波器滤波后的信号可以被AD采样，采样信号的频率与AD的采样率满足采样定理的要求，经过AD采样后的信号为数字信号，用符号x(n)表示，n取值为整数0、1…n-1，代表有n个采样点；
(4)根据我们所关心的信号频率，提出截止频率的频率值，对截止频率外的信号的衰减程度，算成理想滤波器的阶数和系数，再根据实际设备情况将理想滤波器的阶数和系数进行修正，就得到了实际使用的滤波器的阶数和系数；滤波器系数即为滤波器的冲击响应系列h(n)，带有干扰和谐波的信号采样值x(n)，经过与数字滤波器h(n)卷积的结果就为我们希望的滤波之后的信号y(n)；经过数字滤波器滤波的信号y(n)与原始信号x(n)之间存在相位差，精确的相位差可以计算出来，但是不影响信号的周期，因此测量y(n)的频率也就是x(n)的真实频率。
作为改进，所述步骤(4)中，根据50Hz左右的工频信号，设计数字滤波器，在-3dB增益点的截止频率为90Hz。
本发明与现有技术相比所带来的有益效果是：
设计一个滤波器，可以用差分方程表示：
其中y(n)为滤波器的输出，x(n)为滤波器的输入，ai为滤波器系数，M为数字滤波器的阶数，滤波器系数即为滤波器的冲击响应系列h(n)，带有干扰和谐波的信号采样值x(n)，经过与数字滤波器h(n)卷积的结果就为我们希望的滤波之后的信号y(n)；经过数字滤波器滤波的信号y(n)与原始信号x(n)之间存在相位差，精确的相位差可以计算出来，但是不影响信号的周期，因此测量y(n)的频率也就是x(n)的真实频率。
附图说明
图1为本发明硬件连接图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种使用数字滤波器提高频率测量精度的方法，外部信号源依次通过抗混叠高频滤波器、高速信号采样模块传送至数字滤波器；所述数字滤波器为FIR滤波器，用差分方程表示为：
其中y(n)为数字滤波器的输出，x(n)为数字滤波器的输入，ai为数字滤波器的系数，M为数字滤波器的阶数；高速信号采样模块实现AD采样；具体的测量方法如下：
(1)外部信号经过电压互感器、电流互感器后，将一次高压、大电流信号转换为500V以下的交流电压信号，小于100A的交流电流信号，再经过一级精密测量电压互感器、测量电流互感器将信号变换为后面测量电路可以测量范围的小信号；
(2)外部信号经过处理后，还含有很多超出AD采样速率的频率成分，这些信号会严重干扰采样信号的采样，会使采样信号失真，因此需要抗混叠滤波器滤掉超出采样率2倍频率的信号；
(3)经过抗混叠滤波器滤波后的信号可以被AD采样，采样信号的频率与AD的采样率满足采样定理的要求，经过AD采样后的信号为数字信号，用符号x(n)表示，n取值为整数0、1…n-1，代表有n个采样点；
(4)根据我们所关心的信号频率，提出截止频率的频率值，对截止频率外的信号的衰减程度，算成理想滤波器的阶数和系数，再根据实际设备情况将理想滤波器的阶数和系数进行修正，就得到了实际使用的滤波器的阶数和系数；滤波器系数即为滤波器的冲击响应系列h(n)，带有干扰和谐波的信号采样值x(n)，经过与数字滤波器h(n)卷积的结果就为我们希望的滤波之后的信号y(n)；经过数字滤波器滤波的信号y(n)与原始信号x(n)之间存在相位差，精确的相位差可以计算出来，但是不影响信号的周期，因此测量y(n)的频率也就是x(n)的真实频率。
用软件实现数字滤波器有很高的灵活性，可以设计硬件不可能实现的近似理想特性的各种滤波器，通过软件改变滤波器参数即可实现不同性能的滤波器。在实际应用中，我们一般只关心某一种频率，如：50Hz左右的工频信号，设计一个软件滤波器，在-3dB增益点的截止频率为90Hz，将采样值信号进行低通滤波后，滤除90Hz以上的频率信号，滤波后的信号就是我们最关注的工频信号，对滤除工频信号以外的信号查找相近的过零点，比使用滤波前的信号更准确，即使信号中含有很多高频干扰或谐波成分，滤波后，仍然可以很准确的找到所需要的过零点，保证频率测量的高精度。
用软件实现本实施例数字滤波器，用C语言描述如下：
假设滤波系数用变量a[m]表示，输入信号用x[n]表示，输出用y[n]表述，滤波器的阶数为m，则实现信号滤波的软件代码可以这么写：
Claims (2)
1.一种使用数字滤波器提高频率测量精度的方法，其特征在于：外部信号源依次通过抗混叠高频滤波器、高速信号采样模块传送至数字滤波器；所述数字滤波器为FIR滤波器，用差分方程表示为：
其中y(n)为数字滤波器的输出，x(n)为数字滤波器的输入，ai为数字滤波器的系数，M为数字滤波器的阶数；高速信号采样模块实现AD采样；具体的测量方法如下：
(1)外部信号经过电压互感器、电流互感器后，将一次高压、大电流信号转换为500V以下的交流电压信号，小于100A的交流电流信号，再经过一级精密测量电压互感器、测量电流互感器将信号变换为后面测量电路可以测量范围的小信号；
(2)外部信号经过处理后，还含有很多超出AD采样速率的频率成分，这些信号会严重干扰采样信号的采样，会使采样信号失真，因此需要抗混叠滤波器滤掉超出采样率2倍频率的信号；
(3)经过抗混叠滤波器滤波后的信号可以被AD采样，采样信号的频率与AD的采样率满足采样定理的要求，经过AD采样后的信号为数字信号，用符号x(n)表示，n取值为整数0、1…n-1，代表有n个采样点；
(4)根据我们所关心的信号频率，提出截止频率的频率值，对截止频率外的信号的衰减程度，算成理想滤波器的阶数和系数，再根据实际设备情况将理想滤波器的阶数和系数进行修正，就得到了实际使用的滤波器的阶数和系数；滤波器系数即为滤波器的冲击响应系列h(n)，带有干扰和谐波的信号采样值x(n)，经过与数字滤波器h(n)卷积的结果就为我们希望的滤波之后的信号y(n)；经过数字滤波器滤波的信号y(n)与原始信号x(n)之间存在相位差，精确的相位差可以计算出来，但是不影响信号的周期，因此测量y(n)的频率也就是x(n)的真实频率。
2.根据权利要求1所述的使用数字滤波器提高频率测量精度的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，根据50Hz左右的工频信号，设计数字滤波器，在-3dB增益点的截止频率为90Hz。
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