CN103499742B - 降低因信号幅值变化对高精度相位测量影响的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及降低因信号幅值变化对高精度相位测量影响的方法，可有效解决现有方法测量精度差、成本高、相位不准确的问题，方法是，同步第一正弦波U1和同步第二正弦波U2经信号处理器放大处理，除去信号中直流成分，分别经相应的第一过零比较器、第二过零比较器变成两个方波信号，第一过零比较器、第二过零比较器均将负向输入端连接模拟地，比较器直流零漂存在，当同步第一正弦波U1和同步第二正弦波U2幅值改变时，通过调节电位器改变比较电平，使比较电平变成0mV，排除由信号幅值变化对测量造成的影响；本发明方法简单，易操作使用，有效降低因信号幅值变化对高精度相位测量的影响，限位测量精度高，成本低，有效用于功率测量、电能测量等方面。
Description
技术领域
本发明涉及电学领域的测量方法，特别是一种降低因信号幅值变化对高精度相位测量影响的方法。
背景技术
相位测量就是相位差的测量。首先，相位差是一个比较量，测量两路信号之间相位差不仅需要保证两路信号的频率相同，而且要排除由于两路信号的幅值变化等其他因素对测量造成的影响。其次，相位差信号依附于电压、电流信号中。如何剔除电压、电流、频率变化对相位测量的影响是相位差测量中极为重要的方面。
目前，相位测量的方法主要有两种：过零比较法，基于傅里叶变换方法。
过零比较法：2个同频信号经过比较器后整成2个方波信号，其前后沿分别对应与被测信号的正向零点和负向零点。测量出这2个同频方波的前沿（或后沿）之间的时间差，再转换成两个被测信号之间的相差即可。
基于傅里叶变换测量方法：对信号进行采样，然后对采样得到的序列对信号进行采样，然后对采样得到的序列X(n)进行DET运算，直接计算出基波的初相，从而计算出两信号的相位差。
过零比较法，其主要存在：
1)当正弦信号幅值变化时，相位测量误差较大；当信号幅值低于50%时，会带来±0.2°～±0.5°的相位误差。
2)正弦信号过零点易受噪声干扰，导致失真。过零比较器容易产生抖动。
基于傅里叶变化测量方法主要存在：
1）基于傅里叶变化方法会引入周期T测量误差。
2）需要高速的模拟数字转换器（ADC）进行实时采样，高速高速的模拟数字转换器（ADC）价格昂贵，研发成本高。
因此，相位测量方法上的改进和创新势在必行。
发明内容
针对上述情况，本发明之目的就是提供一种降低因信号幅值变化对高精度相位测量影响的方法，可有效解决现有方法测量精度差、成本高、相位不准确的问题。
本发明解决的技术方案是，同步第一正弦波U1和同步第二正弦波U2经信号处理器放大处理，除去信号中直流成分，分别经相应的第一过零比较器、第二过零比较器变成两个方波信号（见图1所示），第一过零比较器、第二过零比较器均将负向输入端连接模拟地，比较器直流零漂存在，当同步第一正弦波U1和同步第二正弦波U2幅值改变时，通过调节电位器改变比较电平，使比较电平变成0mV，排除由信号幅值变化对测量造成的影响；
相位校准时，先将电压、电流幅值升至100%时，用相位表对其进行校准，然后将电压、电路幅值降为10%，通过调节电位器RT1和RT2，使得相位测量误差在±0.01°～±0.02°，再相位变换，打开闸门，由计数器计录，实现准确测量。
本发明方法简单，易操作使用，有效降低因信号幅值变化对高精度相位测量的影响，限位测量精度高，成本低，有效用于功率测量、电能测量等方面，是高精度相位测量的创新。
附图说明
图1为本发明的信号幅值变化引起的相位误差示意图（其中，同步第一正弦波U1为100%幅值信号，同步第二正弦波U2为10%幅值信号，Am为正弦波幅值，W为角速度，t为时间）。
图2为本发明的操作步骤框示图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
由图1、图2给出，本发明在具体时，由以下方法实现：
同步第一正弦波U1和同步第二正弦波U2的信号经信号处理器放大处理，除去信号中直流成分，分别经相应的第一过零比较器、第二过零比较器整形变成两个方波信号（见图1所示），第一过零比较器、第二过零比较器均将负向输入端连接模拟地，第一过零比较器、第二过零比较器直流零漂存在，此时过零比较电平并不是0mV，而是高于或低于0mV，在第一过零比较器、第二过零比较器负向输入端分别连接有第一电位器RT1和第二电位器RT2，当同步第一正弦波U1和同步第二正弦波U2信号幅值改变时，通过调节第一电位器RT1和第二电位器RT2将比较电平调至0mV，排除由信号幅值变化对测量造成的影响（即有效降低因信号幅值改变产生的影响）；
方波信号前后沿分别对应于被测信号的正向零点和负向零点，将两个信号经相位变换器进行相位变换后，得到ΔT相位差时间的正脉冲宽度，2个同频方波的前沿或后沿之间的时间差，相位差时间ΔT的正脉冲信号打开闸门，使计数器在这段时间内记录标准脉冲数，设г为时标信号脉冲间隔，计算ΔT；
ΔT为同步第一正弦波U1和同步第二正弦波U2的相位差时间，转换成角度为：
测量周期T的测量方法（因为两路信号为同频信号，测量其中一路信号周期即可），同步第一正弦波U1信号通过信号调理后，先经过过零比较器整形为方波，经过相位变换，产生的正脉冲信号打开闸门，计算器在这段时间内记录标准脉冲数M，T=Mг；
N为计数器值；
对相位进行校准，相位是依附电压、电流、频率存在的，先将电压、电流幅值升至100%，用相位表对其进行相位校准，然后将幅值降为10%，通过调节第一电位器RT1和第二电位器RT2，调节比较电平，使相位测量误差在±0.01°～±0.02°时再进行校准，降低因信号幅值改变对相位测量带来的影响，保证电压电流幅值在10%～100%变化时，满足测量精度在±0.01°～±0.02°要求。
由上述可以看出，本发明的技术核心是：
（1）、当信号幅值改变时，通过调节电位器改变比较电平，使比较电平变成0mV，排除了由信号幅值变化对测量造成的影响；
（2）、相位校准方法：先将电压、电流幅值升至100%时，用更高等级相位表对其进行校准，然后将电压、电路幅值降为10%，通过调节第一电位器RT1和第二电位器RT2，使得相位测量误差在±0.01°～±0.02°再进行校准。
本发明降低了因信号幅值变化对高精度相位测量产生的影响。发明中所指的信号为正弦波信号，且幅值可调。信号经过过零比较器，整形为方波信号。由于过零比较器存在零漂及受地线零点电平的影响，使得比较电平不为0mV。一旦信号幅值变化，经变换后的信号相位将改变。图1中当信号幅值从100%降低至10%时，经变换后的方波信号相位产生了Δ的相位角度差，这是相位测量的主要误差来源。
一般的过零比较法，在工频测量精度为±0.2°～±0.5°，本发明中采用的方法消除了由于信号幅值变化引起的相位测量误差，将相位测量精度提高至±0.01°～±0.02°，因此，本发明与现有技术相比，具有以下突出的优点：
本发明操作简单，易于实施，相比一般的过零比较法，将测量精度提高10～50倍；相比基于傅里叶变换方法，消除了测量周期T带来的误差，实现成本低。本发明方法对相位进行量值传递，确保相位的准确性，并经试验和测试校准，能很好的应用在功率测量、电能测量等方面，在电压、电路信号幅值变化情况下，相位测量精度可达±0.01°～±0.02°，即测量精度提高10～50倍，测量速度快、精确，省工省时，有巨大的经济和社会效益，是高精度相位测量上的创新。
Claims (1)
1.一种降低因信号幅值变化对高精度相位测量影响的方法，其特征在于，由以下方法实现：对相位进行校准，相位是依附电压、电流、频率存在的，先将产生的作为被测信号的同步第一正弦波U1、同步第二正弦波U2电压、电流幅值升至100％，用相位表分别对相位校准，然后将同步第二正弦波U2的幅值降为10％，使同步第一正弦波U1＝Amsin(wt)，同步第二正弦波U2＝0.1Amsin(wt)，其中，Am为正弦波幅值，w为角速度，t为时间；
同步第一正弦波U1和同步第二正弦波U2的信号分别经第一信号处理器、第二信号处理器放大处理，除去被测信号中直流成分，再分别经相应的第一过零比较器、第二过零比较器整形变成两个方波信号，第一过零比较器的负向输入端与第一电位器RT1的中间滑动端相连，第一电位器RT1两固定端，其中第一电位器RT1的一端经第一电阻R1和模拟参考电压+VRef相连，另一端经第二电阻R2和模拟参考电压-VRef相连，第二过零比较器的负向输入端与第二电位器RT2的中间滑动端相连，第二电位器RT2两固定端，其中第二电位器RT2的一端经第三电阻R3和模拟参考电压+VRef相连，另一端经第四电阻R4和模拟参考电压-VRef相连，由于第一过零比较器、第二过零比较器直流零漂存在，此时过零比较电平并不是0mV，而是高于或低于0mV，当同步第一正弦波U1和同步第二正弦波U2信号幅值改变时，通过调节第一电位器RT1和第二电位器RT2将比较电平调至0mV，排除由信号幅值变化对测量造成的影响；
所述两个方波信号前后沿分别对应于被测信号的正向零点和负向零点，将两个方波信号经相位变换器进行相位变换，得到同步第一正弦波U1和同步第二正弦波U2的相位差时间ΔT的正脉冲宽度，再计算所述两个方波信号的前沿或后沿之间的相位角度差相位差时间ΔT与相位角度差计算关系式为；
其中，相位差时间ΔT的测量方法为：相位差时间ΔT的正脉冲信号打开闸门，计数器计录相位差时间ΔT这段时间的标准脉冲数N，г为标准脉冲间隔；
同步第一正弦波U1、同步第二正弦波U2的周期相同,T为同步第一正弦波U1和同步第二正弦波U2的周期，T＝Mг，M为计数器计录周期T这段时间内的标准脉冲数，周期T的测量方法为：同步第一正弦波U1信号通过第一信号处理器调理后，先经过第一过零比较器整形为方波，再经相位变换器相位变换，产生的正脉冲信号打开闸门，计数器计录周期T这段时间内的标准脉冲数M；
与的计算关系可转换为：
通过调节第一电位器RT1和第二电位器RT2比较电平，使相位测量误差在±0.01°～±0.02°时再进行校准，降低因信号幅值改变对相位测量带来的影响，保证电压电流幅值在10％～100％变化时，满足测量精度在±0.01°～±0.02°要求。
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