CN102662108B - 一种正弦波局域失真的测量方法 - Google Patents

一种正弦波局域失真的测量方法 Download PDF

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本发明涉及一种正弦波局域失真的测量方法及装置，属于信号测量与数据处理技术领域。通过细分正弦波形局域失真，提出局域共模失真、局域差模失真和局域总失真的测量方法，可以深入揭示正弦波形失真的局域相变特征。本发明可以在任意选定的局域区间宽度下，以虚拟仪器方式计算分析获得实际正弦波形的时域或相位空间域内的失真分布状况，并对失真极大值点进行时域或相位空间定位，以便深入揭示正弦波失真的相变特性。

Description

一种正弦波局域失真的测量方法
技术领域
本发明涉及一种正弦波局域失真的测量方法及装置，属于信号测量与数据处理技术领域。 
背景技术
在波形测量中，失真是一种重要的波形质量指标，用来定量衡量和表述实际波形与其理想模型间的差异，并以该差异值与波形幅度比的方式定量给出波形失真量值。直觉上，在时变波形表述中，失真是一种时域参量，而在空间形貌表述中，失真则成为一种空间参量。理论上，每一种拥有确定模型的波形都有自己的失真，但实际上，由于定义、测量实现等方面的问题，明确给出失真度指标且形成共识的只有正弦波形。 
目前的正弦波形失真定义，是一种频率域上的功率或能量比值描述，表述的主要是频域信息而非时域信息，给出的结果是正弦波形周期内失真的平均效果，而非最大值，并且对于每一个正弦波形周期内各个小部分波形处的失真分布情况无法明确给出。 
频域失真定义，其优势主要体现在失真特征的频域描述比较详细与深入，在进行时域正弦信号的滤波、放大等处理操作时，频带宽度等匹配参数选取方便。但是，若想从时域物理机理和机电结构等方面控制和降低失真，则该方式无法给出明确的技术参考和技术指导依据。
目前的失真度测量方法与技术完全是按照定义实现的，给出的失真度测量结果是正弦波形周期内失真的平均效果，而非最大值，并且对于每一个正弦波形周期内各部分波形处的失真分布情况无法明确给出。 
发明内容
本发明的目的是克服现有正弦波形失真测量技术的局限，提出一种正弦波局域失真的测量方法及装置，该方法定量描述正弦波形每个小区域的局部失真，将其细分为局域共模失真、局域差模失真和局域总失真，以虚拟仪器方式给出其测量实现方法，以便于从时域或相位空间域上描述实际正弦波形的局部失真 分布状况，并对最大局域失真点进行时域或空间定位，为进一步控制和降低正弦波失真提供技术支撑和技术依据。 
本发明是通过以下技术方案实现的。 
本发明的一种正弦波局域失真的测量方法，其步骤为： 
1)对要测量的局域共模失真、局域差模失真和局域总失真进行定义，具体如下： 
对于目标函数为 
Figure BSA00000717808400021
的实际正弦波形F(t)，有偏差函数δ(t)＝F(t)-F0(t)，表述成相位坐标形式为 
Figure BSA00000717808400022
对于任一相位 及其邻域区间 
Figure BSA00000717808400024
有 
Figure BSA00000717808400025
Figure BSA00000717808400027
Figure BSA00000717808400028
定义 
Figure BSA00000717808400029
为正弦波形在区间 
Figure BSA000007178084000210
内的局域共模失真，定文 
Figure BSA000007178084000211
为正弦波形在区间 内的局域差模失真，定义 为正弦波形在区间 
Figure BSA000007178084000214
内的局域总失真； 
上述F0(t)为理想正弦波形的目标函数表达式，F(t)为实际正弦波形测量结果的函数表达式，A为理想正弦波形幅度值，f为理想正弦波形频率值， 为理想正弦波形初始相位值，C为理想正弦波形直流分量值， 
Figure BSA000007178084000216
为正弦波形实际测量曲线F(t)中的指定点相位值，θ为正弦波形实际测量曲线F(t)中的指定相位点 
Figure BSA000007178084000217
为中心的局部波形相位宽度值，δ(t)为理想正弦波形F0(t)与其实际测量结果F(t)之间的偏差函数， 
Figure BSA000007178084000218
为偏差函数δ(t)在相位区间 
Figure BSA000007178084000219
内的平均值； 
2)将待测的正弦波形信号经过传感器、信号调理电路进行滤波、放大，然后再经模数转换电路后转换为数字化的波形序列xi，i＝1，…，n，将波形序列xi在数据寄存器中进行寄存，其中，n为序列长度，模数转换电路的采样速率为v，采样间隔为Δt； 
3)计算机通过接口电路读入数据寄存器中的波形序列； 
4)计算机对读入的波形序列xi进行如下处理： 
4.1对该序列进行四参数正弦曲线拟合，获得其目标函数 偏差序列δi＝xi-F0(Δt·i)以及与偏差序列对应的目标函数相位序列 
Figure BSA00000717808400032
其中i＝1，…，n，A为拟合正弦波序列F0(Δt·i)的幅度值；ω为拟合正弦波序列F0(Δt·i)的角频率； 
Figure BSA00000717808400033
拟合正弦波序列F0(Δt·i)的初始相位值；C拟合正弦波序列F0(Δt·i)的直流分量值； 
4.2令所关心的确定局域失真的区间窗口宽度θ＝(2m+1)·ω，其中m为确定窗口θ半宽度所选取的抽样点值，则有， 
区间 内的局域共模失真 
Figure BSA00000717808400035
区间 
Figure BSA00000717808400036
内的局域差模失真： 
Figure BSA00000717808400037
区间 
Figure BSA00000717808400038
内的局域总失真： 
其中， 
Figure BSA000007178084000310
4.3计算机根据步骤4.2的计算结果，以虚拟仪器方式计算输出为局域共模失真、局域差模失真、局域总失真等三种随相位变化的局域失真序列； 
5)计算机将步骤4.3的结果通过输入输出电路提供给操作者。 
本发明的一种正弦波局域失真的测量装置，包括传感器、信号调理电路、模数转换电路、数据寄存器、逻辑控制电路、接口电路、计算机、输入输出电路和时钟电路； 
待测的正弦波形信号经过传感器后转变为电信号波形，再送入到信号调理电路进行滤波、放大，然后再输出到模数转换电路进行采样并转换为数字化的 波形序列，波形序列送入数据寄存器进行寄存，计算机通过接口电路将数据寄存器中的数据读入并进行存储、处理和信息显示，并通过输入输出电路与操作者实现人机交互； 
计算机通过控制逻辑电路为模数转换电路、数据寄存器和接口电路提供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时钟信号； 
上述接口电路可采用FPGA或者并行可编程输入接口。 
有益效果 
本发明可以在任意选定的局域区间宽度下，以虚拟仪器方式计算分析获得实际正弦波形的时域或相位空间域内的失真分布状况，并对失真极大值点进行时域或相位空间定位，以便深入揭示正弦波失真的相变特性。通过细分正弦波形局域失真，提出局域共模失真、局域差模失真和局域总失真的测量方法，以区分不同方式、不同类型和不同变化规律的正弦波形失真，可以深入揭示正弦波形失真的局域相变特征。 
附图说明
图1为本发明中测量装置的结构示意图。 
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 
一种正弦波局域失真的测量装置，用于正弦波时域波形信号或者正弦波空间分布波形信号的测量，如图1所示，包括传感器、信号调理电路、模数转换电路、数据寄存器、逻辑控制电路、接口电路、计算机、输入输出电路和时钟电路； 
待测的正弦波形信号经过传感器后转变为电信号波形，再送入到信号调理电路进行滤波、放大，然后再输出到模数转换电路进行采样并转换为数字化的波形序列，波形序列送入数据寄存器进行寄存，计算机通过接口电路将数据寄存器中的数据读入并进行存储、处理和信息显示，并通过输入输出电路与操作 者实现人机交互； 
计算机通过控制逻辑电路为模数转换电路、数据寄存器和接口电路提供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。 
上述正弦波局域失真的测量装置，其实现正弦波局域失真的测量方法的最大特征是可以在任意选定的局域区间宽度下，以虚拟仪器方式计算分析获得实际正弦波形的时域或相位空间域内的失真分布状况，并对失真极大值点进行时域或相位空间定位，以便深入揭示正弦波失真的相变特性。通过细分正弦波形局域失真，提出局域共模失真、局域差模失真和局域总失真的测量方法，可以深入揭示正弦波形失真的局域相变特征。 
一种正弦波局域失真的测量装置，其测量的具体方法如下： 
1)对要测量的局域共模失真、局域差模失真和局域总失真进行定义，具体如下： 
对于目标函数为 
Figure BSA00000717808400051
的实际正弦波形F(t)，有偏差函数δ(t)＝F(t)-F0(t)，表述成相位坐标形式为 对于任一相位 
Figure BSA00000717808400053
及其邻域区间 
Figure BSA00000717808400054
有 
Figure BSA00000717808400055
Figure BSA00000717808400056
Figure BSA00000717808400057
Figure BSA00000717808400058
定义 
Figure BSA00000717808400059
为正弦波形在区间 
Figure BSA000007178084000510
内的局域共模失真，定义 
Figure BSA000007178084000511
为正弦波形在区间 
Figure BSA000007178084000512
内的局域差模失真，定义 
Figure BSA000007178084000513
为正弦波形在区间 
Figure BSA000007178084000514
内的局域总失真； 
上述F0(t)为理想正弦波形的目标函数表达式，F(t)为实际正弦波形测量结果的函数表达式，A为理想正弦波形幅度值，f为理想正弦波形频率值， 为理想正 弦波形初始相位值，C为理想正弦波形直流分量值， 为正弦波形实际测量曲线F(t)中的指定点相位值，θ为正弦波形实际测量曲线F(t)中的指定相位点 
Figure BSA00000717808400062
为中心的局部波形相位宽度值，δ(t)为理想正弦波形F0(t)与其实际测量结果F(t)之间的偏差函数， 
Figure BSA00000717808400063
为偏差函数δ(t)在相位区间 
Figure BSA00000717808400064
内的平均值； 
通过改变窗口θ的大小可以改变局域失真的分辨力； 
2)将待测的正弦波形信号经过传感器、信号调理电路进行滤波、放大，然后再经模数转换电路后转换为数字化的波形序列xi，i＝1，…，n，将波形序列xi在数据寄存器中进行寄存，其中，n为序列长度，模数转换电路的采样速率为v，采样间隔为Δt； 
3)计算机通过接口电路读入数据寄存器中的波形序列； 
4)计算机对读入的波形序列xi进行如下处理： 
4.1对该序列进行四参数正弦曲线拟合，获得其目标函数 偏差序列δi＝xi-F0(Δt·i)以及与偏差序列对应的目标函数相位序列 
Figure BSA00000717808400066
其中i＝1，…，n，A为拟合正弦波序列F0(Δt·i)的幅度值；ω为拟合正弦波序列F0(Δt·i)的角频率； 
Figure BSA00000717808400067
拟合正弦波序列F0(Δt·i)的初始相位值；C拟合正弦波序列F0(Δt·i)的直流分量值； 
4.2令所关心的确定局域失真的区间窗口宽度θ＝(2m+1)·ω，其中m为确定窗口θ半宽度所选取的抽样点值，则有， 
区间 
Figure BSA00000717808400068
内的局域共模失真 
Figure BSA00000717808400069
区间 内的局域差模失真： 
区间 
Figure BSA000007178084000612
内的局域总失真： 
Figure BSA000007178084000613
其中， 
Figure BSA00000717808400071
4.3计算机根据步骤4.2的计算结果，以虚拟仪器方式计算输出为局域共模失真、局域差模失真、局域总失真等三种随相位变化的局域失真序列； 
5)计算机将步骤4.3的结果通过输入输出电路提供给操作者。 
局域失真随相位而变化的曲线揭示了正弦波形不同位置的失真分布状况，该分布状况可用于正弦波形失真的时域控制和相位空间定位。 
使用这些失真参量可以定量描述任意相位区间正弦波形的失真状况：通过局域共模失真表述其确定性波形局域失真，通过局域差模失真表述其非确定性、波动性、随机性波形局域失真，通过局域总失真表述其波形局域总体失真；并能使用该组参量比较不同波形周期失真的差异状况。 
目前，人们为了获得更高频率和更大幅度的正弦压力波形，通常使用凸轮、活塞等机电结构产生正弦压力和正弦力波形，并以精确控制凸轮轮廓曲线形状方式控制正弦压力等信号波形的失真。在失真度不理想的情况下，一般需要知道在凸轮的哪些地方的形状变异制约了正弦压力的波形失真度，但一直没有进行深入细致的研究和解决该问题。仅仅使用总失真度进行最终评估。 
在微纳米研究领域，人们通过研制和刻蚀截面形状为正弦规律的标准掩模版，以作为微纳米尺度的实物标准进行光学仪器设备的计量校准，其失真度的控制与测量，可作为实物标准的关键要素。本专利可作为控制和改进正弦波局域失真规律的方法，对标准掩模版的刻蚀工艺具有良好的评价与辅助作用。本发明所述测量方法及测量装置，将可用于该类问题的解决，它首先可用来进行局域失真的测量和展示，并能进行极限失真点的物理定位，以便为进一步采取措施提供技术支持。 
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，均落入本发明保护的范围。 

Claims (1)

1.一种正弦波局域失真的测量方法，其特征在于，其步骤为：
1）对要测量的局域共模失真、局域差模失真和局域总失真进行定义，具体如下：
对于目标函数为
Figure FDA0000484293560000011
的实际正弦波形F(t)，有偏差函数δ(t)=F(t)-F0(t)，表述成相位坐标形式为
Figure FDA0000484293560000012
对于任一相位
Figure FDA0000484293560000013
及其邻域区间
Figure FDA0000484293560000014
有
Figure FDA0000484293560000015
Figure FDA0000484293560000016
Figure FDA0000484293560000017
Figure FDA0000484293560000018
定义
Figure FDA0000484293560000019
为正弦波形在区间
Figure FDA00004842935600000110
内的局域共模失真，定义
Figure FDA00004842935600000111
为正弦波形在区间
Figure FDA00004842935600000112
内的局域差模失真，定义
Figure FDA00004842935600000113
为正弦波形在区间内的局域总失真；
上述F0(t)为理想正弦波形的目标函数表达式，F(t)为实际正弦波形测量结果的函数表达式，A为理想正弦波形幅度值，f为理想正弦波形频率值，
Figure FDA00004842935600000115
为理想正弦波形初始相位值，C为理想正弦波形直流分量值，
Figure FDA00004842935600000116
为正弦波形实际测量曲线F(t)中的指定点相位值，θ为正弦波形实际测量曲线F(t)中的指定相位点为中心的局部波形相位宽度值，δ(t)为理想正弦波形F0(t)与其实际测量结果F(t)之间的偏差函数，为偏差函数δ(t)在相位区间
Figure FDA00004842935600000119
内的平均值；
2）将待测的正弦波形信号经过传感器、信号调理电路进行滤波、放大，然后再经模数转换电路后转换为数字化的波形序列xi,i=1,…,n，将波形序列xi在数据寄存器中进行寄存，其中，n为序列长度，模数转换电路的采样速率为v，采样间隔为△t；
3）计算机通过接口电路读入数据寄存器中的波形序列；
4）计算机对读入的波形序列xi进行如下处理：
4.1对该序列进行四参数正弦曲线拟合，获得其目标函数
Figure FDA0000484293560000021
偏差序列δi=xi-F0(△t·i)以及与偏差序列对应的目标函数相位序列
Figure FDA0000484293560000022
其中i=1,…,n，A为拟合正弦波序列F0(△t·i)的幅度值；ω为拟合正弦波序列F0(△t·i)的角频率；
Figure FDA0000484293560000023
拟合正弦波序列F0(△t·i)的初始相位值；C拟合正弦波序列F0(△t·i)的直流分量值；
4.2令所关心的确定局域失真的区间窗口宽度θ=(2m+1)·ω，其中m为确定窗口θ半宽度所选取的抽样点值，则有，
区间
Figure FDA0000484293560000024
内的局域共模失真
区间
Figure FDA0000484293560000026
内的局域差模失真：
Figure FDA0000484293560000027
区间
Figure FDA0000484293560000028
内的局域总失真：
Figure FDA0000484293560000029
其中，
Figure FDA00004842935600000210
4.3计算机根据步骤4.2的计算结果，以虚拟仪器方式计算输出为局域共模失真、局域差模失真、局域总失真三种随相位变化的局域失真序列；
5）计算机将步骤4.3的结果通过输入输出电路提供给操作者。
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JP特开平8-136594A 1996.05.31
一种数字波形合成失真度的计算方法及实验验证;李亚琭等;《电子测量与仪器学报》;20070630;第21卷(第6期);第94-98页 *
基于傅里叶变换的正弦信号源波形失真评价方法;梁志国等;《计量学报》;20041031;第25卷(第4期);第357-361页 *
基于曲线拟合方法的失真度分析仪设计;顾文进等;《电子测量技术》;20070630;第30卷(第6期);第93-95页 *
基于曲线拟合法的失真度测量及其数据处理研究;袁晓峰等;《宇航计测技术》;20030831;第23卷(第4期);第29-33页 *
李亚琭等.一种数字波形合成失真度的计算方法及实验验证.《电子测量与仪器学报》.2007,第21卷(第6期),第94-98页.
梁志国等.基于傅里叶变换的正弦信号源波形失真评价方法.《计量学报》.2004,第25卷(第4期),第357-361页.
梁志国等.正弦信号源波形失真的一种精确评价方法.《计量学报》.2003,第24卷(第2期),第144-148页.
正弦信号源波形失真的一种精确评价方法;梁志国等;《计量学报》;20030430;第24卷(第2期);第144-148页 *
袁晓峰等.基于曲线拟合法的失真度测量及其数据处理研究.《宇航计测技术》.2003,第23卷(第4期),第29-33页.
顾文进等.基于曲线拟合方法的失真度分析仪设计.《电子测量技术》.2007,第30卷(第6期),第93-95页.

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