CN103575981A

CN103575981A - 一种交流电频率的精确测量方法

Info

Publication number: CN103575981A
Application number: CN201210262718.9A
Authority: CN
Inventors: 戴尔晗
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2012-07-26
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2014-02-12

Abstract

本发明公开了一种交流电频率的精确测量方法。该方法包括以下步骤：首先初始化积分器，使积分器输出电压回到零，在电信号过峰值后选择适当时刻进行模拟积分,记录积分开始时间,在积分器输出电压再次回到零时停止积分,记录积分结束时间,由积分开始时间和积分结束时间计算电信号的过零点,由一系列电信号的过零点计算电信号的频率或周期。本发明不需要将低频信号转换成方波，尤其适合于低频正弦信号的频率测量，系统检测方便，硬件开销小；系统的抗干扰能力较强；实现起来简单合理，数据准确、可靠。

Description

一种交流电频率的精确测量方法

技术领域

本发明涉及一种交流电频率的精确测量方法，可以用于精确测量交流电的瞬时频率，也可用于固定频率或频率变化不大的低频正弦信号、三角波信号、锯齿波信号等的频率测量。

背景技术

在日常生活、生产过程中常常需要监测信号的频率。在现有的低频信号的频率测量方法中，多是将低频信号先通过整形电路形成方波，检测方波相邻两个上升沿或者下降沿的时间间隔T，求倒数得出频率，但是这种方法的抗干扰能力较差。除此之外还有一些软件测量频率的方法，比如：零交法、解析法、误差最小化原理类算法、DFT类算法、正交去调制法等等。这些算法有些易于实现，但由于精度较低而不能投入实用；有些算法的测量效果不错，但由于运算量过大也不能投入实用。业界需要的是一种可以实用且测量精度较准确的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中交流电信号的频率测量精度不够准确或者是测量过程中运算量过大的缺点，提出一种交流电频率的精确测量方法，该方法也可以用于固定频率或频率变化不大的低频正弦信号、三角波信号、锯齿波信号等等的频率测量。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提出了一种交流电频率的精确测量方法,该方法是首先初始化积分器，使积分器输出电压回到零，在电信号过峰值后选择适当时刻进行模拟积分,记录积分开始时间,在积分器输出电压再次回到零时停止积分,记录积分结束时间,由积分开始时间和积分结束时间计算电信号的过零点,由一系列电信号的过零点计算电信号的频率或周期，具体包括以下步骤：

步骤1），初始化积分器，使积分器输出电压回到零，在被测电信号的一个周波内，采用以下两种方式中的任意一种方式进行模拟积分：

第①种方式：分别在被测电信号的周波过正峰值后以及在被测电信号的周波过负峰值后开始一次模拟积分，即一个周波进行两次模拟积分；

第②种方式：在被测电信号的周波过正峰值后开始一次模拟积分，或者在被测电信号的周波过负峰值后开始一次模拟积分，即一个周波进行一次积分；

步骤2），当积分器输出电压再次回到零时结束积分；

步骤3），计算过零点时间：设积分开始时间为T_si、积分结束时间为T_ei，在积分开始时间和积分结束时间之间存在一个过零点，将该过零点时间表示为：

步骤4），重复步骤1）至步骤3），依次得到被测电信号的若干个过零点时间：

T_z1,T_z2,T_z3...T_zi,T_zi+1,T_zi+2...T_zn，其中，i＝1、2、…n，n为正整数；

当采用第①种方式进行积分时：

被测电信号的周期为：T_pi=T_zi+2-T_zi或者T_pi=2×(T_zi+1-T_zi)，根据被测电信号的周期求得被测电信号的频率为：

F_{i} = \frac{1}{T_{pi}} = \frac{1}{T_{zi + 2} - T_{zi}}

或者

F_{i} = \frac{1}{T_{pi}} = \frac{1}{2 \times (T_{zi + 1} - T_{zi})};

当采用第②种方式进行积分时：

被测电信号的周期为：T_pi=T_zi+1-T_zi，根据被测电信号的周期求得被测电信号的频率为：

F_{i} = \frac{1}{T_{pi}} = \frac{1}{T_{zi + 1} - T_{zi}} .

进一步的，本发明的一种交流电频率的精确测量方法，所述模拟积分是采用普通的运算放大器或者其他具有积分功能的器件来实现。

进一步的，本发明的一种交流电频率的精确测量方法，当采用第①种方式进行积分时，选取开始积分点的方案为以下任意一种：方案A.每当被测电信号的周波过正峰值后未到达零点时的任意一点，以及每当被测电信号的周波过负峰值后未到达零点时的任意一点；方案B.每当被测电信号的周波过正峰值后未到达零点时的某一个计时脉冲的上升沿或下降沿，以及每当被测电信号的周波过负峰值后未到达零点时的某一个计时脉冲的上升沿或下降沿；

当采用第②种方式进行积分时，选取开始积分点的方案为以下任意一种：方案a.每当被测电信号的周波过正峰值后未到达零点时的任意一点，或者每当被测电信号的周波过负峰值后未到达零点时的任意一点；方案b.每当被测电信号的周波过正峰值后未到达零点时的某一个计时脉冲的上升沿或下降沿，或者每当被测电信号的周波过负峰值后未到达零点时的某一个计时脉冲的上升沿或下降沿。

进一步的，本发明的一种交流电频率的精确测量方法，还包括以下步骤：重复步骤1）到步骤4），测量出被测电信号的若干个周期或频率值，然后对得到的若干个周期或频率值采用平均法计算出最终频率。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1）传统的零交法采用符号相反的两个连续点来确定过零点，虽然算法物理概念清晰，但是容易受谐波、噪声等的干扰，测量精度低。针对交流电信号是上下对称的特点，对被测电信号过峰值后进行模拟积分，模拟积分输出零时停止积分，由积分开始时间和积分结束时间计算电信号的零点。确定了信号的过零点之后，可以计算出电信号的频率和周期。

2）相比较传统的零交法而言，系统的抗干扰能力有极大的提高，频率测量的准确度也大大提高。实验表明即使电信号中混入了较大的谐波、白噪声，测量的精确度也非常之高。可能的干扰源来自于工频干扰，但如果测量对象是交流电的话，则工频干扰也可以忽略不计。

3）该方法在进行计算时非常方便简捷，适合嵌入式系统下使用。

附图说明

图1是在交流电的某一个零点进行积分并计算过零点的示意图；

图2是被测电信号过正负峰值后进行模拟积分，即一个周波积分两次并计算信号周期的示意图；

图3是被测电信号过负峰值后进行模拟积分，即一个周波积分一次并计算信号周期的示意图；

图4是被测电信号过正峰值后进行模拟积分，即一个周波积分一次并计算信号周期的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明的实质是在电信号过峰值后初始化积分器,后选择适当时刻进行模拟积分,记录积分开始时间,在积分器输出电压回到零时停止积分,记录积分结束时间,由积分开始时间和积分结束时间计算电信号的零点,由一系列电信号的零点计算电信号的频率。

本发明的原理通过测量交流电信号的两个周波的频率来进行说明。

本发明的具体实施过程如下：

1、每一次积分开始时前初始化积分器，使积分器输出电压回到零，在被测电信号过正负峰值后进行模拟积分，即一个周波积分两次，也可在被测电信号过正峰值或者负峰值后进行模拟积分，即一个周波积分一次；

2、记录积分开始和结束时间：记录积分开始时间，设积分开始时间为T_si；积分器输出电压再次回到零时停止积分，设此时为积分结束时间T_ei；

3、计算过零点时间：在积分开始时间和积分结束时间之间存在一个过零点，考虑到交流电信号的上下对称性,该过零点时间可表示为：

4、具体操作可以参见图1。图1分成上下两个部分，上部分是被测电信号，下部分是对被测信号的积分波形。图中的T_si是积分开始时间，T_ei是积分结束时间，T_zi是经过计算得到的过零点。

5、重复上述步骤，依次在电信号的峰值后进行模拟积分，可得到若干个过零点时间：T_z1,T_z2,T_z3...T_zi,T_zi+1,T_zi+2...T_zn，如果一个周波积分两次则被测电信号的周期：T_pi=T_zi+2-T_zi或者T_pi=2×(T_zi+1-T_zi)，被测电信号的频率：

F_{i} = \frac{1}{T_{pi}} = \frac{1}{T_{zi + 2} - T_{zi}}

或者

F_{i} = \frac{1}{T_{pi}} = \frac{1}{2 \times (T_{zi + 1} - T_{zi})};

如果一个周波积分一次则被测电信号的周期：T_pi=T_zi+1-T_zi，被测电信号的频率：

F_{i} = \frac{1}{T_{pi}} = \frac{1}{T_{zi + 1} - T_{zi}} .

6、具体操作可以参见图2、图3、图4。图2、图3、图4都分成上下两个部分，上部分是被测电信号，下部分是被测信号的积分波形。图2是被测电信号过正负峰值后进行模拟积分，即一个周波积分两次并计算信号周期的示意图。图2上的T_s1和T_s3是过负峰值之后的积分开始时间，T_e1和T_e3是对应的积分结束时间，T_z1和T_z3是计算出的两个过零点；图2上的T_s2和T_s4是过正峰值之后的积分开始时间，T_e2和T_e4是对应的积分结束时间，T_z2和T_z4是计算出的另外两个过零点。图3是被测电信号过负峰值后进行模拟积分，即一个周波积分一次并计算信号周期的的示意图。图3上的T_s1和T_s2是过负峰值之后的积分开始时间，T_e1和T_e2是对应的积分结束时间，T_z1和T_z2是计算的两个过零点。图4是被测电信号过正峰值后进行模拟积分，即一个周波积分一次并计算信号周期的示意图。图4上的T_s1和T_s2是过正峰值之后的积分开始时间，T_e1和T_e2是对应的积分结束时间，T_z1和T_z2是计算的两个过零点。

7、重复上述步骤，测量出被测电信号的若干个周期或频率值，然后对得到的若干个周期或频率值采用平均法计算出最终频率。

8、模拟积分可以采用普通的运算放大器或者其他具有积分功能的器件来实现。

为获得较为精确的测量结果，建议的开始积分点的选取方案是：不宜过于接近零点。

综上所述，本发明所涉及的一种交流电频率的精确测量方法，不需要将交流电信号转换成方波，尤其适合于低频正弦信号的频率测量，系统检测方便，硬件开销小；系统的抗干扰能力很强；实现起来简单合理，数据准确、可靠；有较广泛的应用前景。

Claims

1.一种交流电频率的精确测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤2），当积分器输出电压再次回到零时结束积分；

步骤4），重复步骤1）至步骤3），依次得到被测电信号的若干个过零点时间：T_z1,T_z2,T_z3...T_zi,T_zi+1,T_zi+2...T_zn，其中，i＝1、2、…n，n为正整数；

当采用第①种方式进行积分时：

F_{i} = \frac{1}{T_{pi}} = \frac{1}{T_{zi + 2} - T_{zi}}

或者

F_{i} = \frac{1}{T_{pi}} = \frac{1}{2 \times (T_{zi + 1} - T_{zi})};

当采用第②种方式进行积分时：

F_{i} = \frac{1}{T_{pi}} = \frac{1}{T_{zi + 1} - T_{zi}} .

2.根据权利要求1所述的一种交流电频率的精确测量方法，其特征在于：所述模拟积分是采用普通的运算放大器或者其他具有积分功能的器件来实现。

3.根据权利要求1所述的一种交流电频率的精确测量方法，其特征在于：当采用第①种方式进行积分时，选取开始积分点的方案为以下任意一种：方案A.每当被测电信号的周波过正峰值后未到达零点时的任意一点，以及每当被测电信号的周波过负峰值后未到达零点时的任意一点；方案B.每当被测电信号的周波过正峰值后未到达零点时的某一个计时脉冲的上升沿或下降沿，以及每当被测电信号的周波过负峰值后未到达零点时的某一个计时脉冲的上升沿或下降沿；

4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种交流电频率的精确测量方法，其特征在于：还包括以下步骤：重复步骤1）到步骤4），测量出被测电信号的若干个周期或频率值，然后对得到的若干个周期或频率值采用平均法计算出最终频率。