CN104601174A - 正弦波信号的处理积分方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种正弦波信号的处理积分方法及装置。其中方法包括如下步骤：在时间单位内对原始正弦波信号采样并对采样值进行累加，得到采样值之和，再将采样值之和除以采样点数求得平均值，获取原始正弦波信号中的直流分量；将每个采样值减去直流分量，得到正弦波信号，最后对不含直流分量的正弦波信号进行积分运算，得到积分后的输出信号。其操作简单且不需要复杂的运算。

Description

正弦波信号的处理积分方法及装置

技术领域

本发明涉及计算机领域，特别是涉及一种正弦波信号的处理积分方法及装置。

背景技术

通常采集的正弦信号如电压或电流等通常含有微小直流分量，对这样的信号进行纯积分运算时，由于积分器的误差累积，会导致积分结果含有较大的直流偏移，最终使积分器饱和，如图1、图2所示。且现有技术中，对正弦波积分的处理都会带来幅值和相位上的误差。

发明内容

针对现有技术中对正弦波积分的处理都会带来幅值和相位上的误差问题，本发明提供了一种将操作简单，不需要复杂运算的正弦波信号的处理积分方法及装置。

为达到技术目的，本发明实施例采用如下技术方案：

本发明提供一种正弦波信号的处理积分方法，包括如下步骤：

以原始正弦波信号的至少一个周期为时间单位，对所述原始正弦波信号采样并对采样值进行累加，得到采样值之和；

将所述采样值之和除以采样点数求得平均值，获取所述原始正弦波信号中的直流分量；

每个所述采样值减去所述直流分量，得到不含直流分量的正弦波信号；

对不含直流分量的正弦波信号进行积分运算，得到积分后的输出信号。

作为一种可实施例，所述时间单位为原始正弦波信号的一个周期或者一个周期的整数倍。

作为一种可实施例，在对所述原始正弦波信号采样并对采样值进行累加，得到采样值之和的步骤之前，还包括以下步骤：

预先设定一个与所述原始正弦波信号相对应的采样频率，通过采样或模拟的方法得到原始正弦波信号；

将采样的原始正弦波信号存放至预设数组，设置采样点数，将采样值之和初始化为0。

作为一种可实施例，在获取所述原始正弦波信号中的直流分量之前还包括以下步骤：

判断在时间单位内是否完成所述采样点数的采样值的累加；

若是，则进行将所述采样值之和除以采样点数求得平均值，获取所述原始正弦波信号中的直流分量的步骤；

若否，则将采样点数加1后返回对所述原始正弦波信号采样并对采样值进行累加，得到采样值之和的步骤。

作为一种可实施例，所述积分为纯积分，或者带低通滤波器的积分器积分，或者带饱和反馈的积分器积分。

本发明还提供一种正弦波信号的处理积分装置，包括积分器，还包括采样累加模块，直流分量计算模块和正弦波信号输出模块；

所述采样累加模块，用于采样原始正弦波信号并对采样值进行累加，得到采样值之和；

所述直流分量计算模块，用于将所述采样值之和除以采样点数求得平均值，获取所述原始正弦波信号中的直流分量；

所述正弦波信号输出模块，用于将每个所述采样值减去所述直流分量，得到不含直流分量的正弦波信号；

所述积分器，用于对不含直流分量的正弦波信号进行积分运算，得到积分后的输出信号。

作为一种可实施例，所述正弦波信号的处理积分装置还包括预先设定模拟模块和初始化数组存放模块；

所述预先设定模拟模块，用于预先设定一个与所述原始正弦波信号相对应的采样频率，通过采样或模拟的方法得到原始正弦波信号；

所述初始化数组存放模块，用于将采样的原始正弦波信号存放至预设数组，设置采样点数，将采样值之和初始化为0。

作为一种可实施例，所述正弦波信号的处理积分装置还包括一判断模块；

所述判断模块，用于判断时间单位内是否完成采样点数的采样值的累加；

若完成，则进入直流分量计算模块；

若没有完成，则将采样点数加1后返回采样累加模块。

作为一种可实施例，所述时间单位为所述原始正弦波信号的一个周期或者一个周期的整数倍。

作为一种可实施例，所述积分器为纯积分器，或者带低通滤波器的积分器，或者带饱和反馈的积分器。

本发明的有益效果：

本发明的正弦波信号的处理积分方法及装置，将原始正弦波信号中所含的直流分量提取出来，对得到的正弦波信号进行积分运算并输出，具有较高的精度；直流分量被提取后，积分器不会饱和，积分结果也没有幅值和相位上的误差；其操作简单且不需要复杂的运算。

附图说明

图1为含有直流分量的正弦波信号；

图2为对图1中的含有直流分量的正弦波信号积分的结果图；

图3为带饱和反馈的积分器流程图；

图4为带饱和反馈的积分器积分结果图；

图5为本发明的正弦波信号的处理积分方法的一实施例的控制流程图；

图6为本发明的一实施例的原始正弦波信号波形图；

图7为本发明的一实施例的时间单位末累加结果图；

图8为本发明的一实施例的提取的直流分量图；

图9为本发明的一实施例的提取直流分量后的正弦波信号图；

图10为本发明的一实施例的积分后的输出信号图；

图11为本发明的正弦波信号的处理积分装置的一实施例的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明的正弦波信号的处理积分方法及装置进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供的正弦波信号的处理积分方法，如图5所示，具体包括以下步骤：

S100，以原始正弦波信号的至少一个周期为时间单位，对所述原始正弦波信号采样并对采样值进行累加，得到采样值之和，如图7所示；

S200，将所述采样值之和除以采样点数求得平均值，获取所述原始正弦波信号中的直流分量，如图8所示；

S300，每个所述采样值减去所述直流分量，得到不含直流分量的正弦波信号，如图9所示；

S400，对不含直流分量的正弦波信号进行积分运算，得到积分后的输出信号，如图10所示。

采用以上步骤的正弦波信号的处理积分方法，与现有技术的区别在于，不是对信号的积分结果进行处理，而是从被积分的原始正弦波信号出发，将原始正弦波信号中含有的直流分量通过采样累加求和，再求均值提取出来，使其成为一个不含直流分量的正弦波信号后再进行积分运算，最后输出积分后的输出信号，具有较高的精度。

因已将直流分量提取，所以不会出现积分器饱和现象，积分结果也没有幅值和相位上的误差，参见图10；该方法操作简单，且不需要复杂的运算。

所述方法还需其他步骤配合才能完整的实现，下面对各步骤进行详细说明：

作为一种可实施方式，在步骤S100之前还包括以下步骤：

S110,预先设定一个与所述原始正弦波信号相对应的采样频率，通过采样或模拟的方法得到原始正弦波信号，如图6所示;

S120，设置采样点数，将采样值之和初始化为0；

采样值之和初始化为0，保证对采样值进行累加时没有其他信号加入，得到精确的直流分量。

S130，将采样的原始正弦波信号存放至预设数组。

所述预设数组用于存放采样原始正弦波信号的采样值，将原始正弦波信号离散化为一个个单独的数值，便于后面的运算。

作为一种可实施方式，在步骤S200中，获取所述原始正弦波信号中的直流分量之前还包括以下步骤：

步骤S210，判断在时间单位内是否完成所述采样点数的采样值的累加；

若是，则进行将所述采样值之和除以采样点数求得平均值，获取所述原始正弦波信号中的直流分量的步骤；

若否，则将采样点数加1后返回对所述原始正弦波信号采样并对采样值进行累加，得到采样值之和的步骤。

上述步骤可以准确地知道采样值进行累加的数目，就是时间单位内的采样点数，保证所有的采样值都被累加，所求的直流分量被精确地提取出来，这样才能保证最后的积分运算的准确性。

作为一种可实施方式，所述时间单位为原始正弦波信号的一个周期或者一个周期的整数倍。其中所述的原始正弦波信号的一个周期，用T表示。

作为一种可实施方式，所述积分为纯积分，或者带低通滤波器的积分器积分，或者带饱和反馈的积分器积分。

常见的纯积分对含有直流分量的正弦波信号积分后会使结果含有较大的直流偏移，从而导致积分器饱和，在本发明中，由于在积分前已对正弦波中的直流分量进行了提取，采用纯积分方法，不会发生积分器饱和的现象。

本发明实施例中，作为一种可实施方式，所述积分运行，也可以是带低通滤波器的积分器积分方法，或者是带饱和反馈的积分器积分方法。

其中带低通滤波器的积分器和带饱和反馈的积分器分析如下：

假设含有直流分量的正弦信号为

x(t)＝Asin(ωt+θ₀)+D           （1）

进行积分得到积分结果为

$y\left(t\right)=\frac{A}{\mathrm{\ω}}\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_0-\frac{\mathrm{\π}}{2})+\frac{A}{\mathrm{\ω}}\cos {\mathrm{\θ}}_0+\mathrm{Dt}---\left(2\right)$

积分结果经过一阶低通滤波后，输出为：

$y\left(t\right)=\frac{A}{\sqrt{{\mathrm{\ω}}^2+{\mathrm{\ω}}_c^2}}\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_0-\frac{\mathrm{\π}}{2})+\frac{A}{\sqrt{{\mathrm{\ω}}^2+{\mathrm{\ω}}_c^2}}\sin ({\mathrm{\θ}}_0-\mathrm{\θ})e^{-{\mathrm{\ω}}_{c}t}+\frac{D}{{\mathrm{\ω}}_c}(1-e^{-{\mathrm{\ω}}_{c}t}t)---\left(3\right)$

式（3）中，ω_c为低通滤波的截止频率，

由式（3）可知，经滤波后，直流偏移量随时间推移按指数规律逐渐趋近于一个稳定量D/ω_c，这就是低通滤波对积分饱和的抑制作用，但同时也引入了幅值和相位上的误差。在本发明中，直流分量D=0，不存在对积分饱和抑制和引入幅值和相位误差的问题，所以带低通滤波器的积分器积分方法也适用于本发明。

为了补偿低通滤波器引入的幅度和相位误差，可以考虑在低通滤波器的输出端加一个反馈补偿环节，这就是带饱和反馈的积分器。其流程示意图如附图3所示。其输出表达式为：

$y=\frac{1}{s+{\mathrm{\ω}}_c}x+\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{s+{\mathrm{\ω}}_c}z---\left(4\right)$

其中，x为积分输入，y为积分输出，z为补偿信号。

积分器的输出主要由两部分组成：

前向分量： $y_1=\frac{1}{s+{\mathrm{\ω}}_c}x---\left(5\right)$

反馈分量： $y_2=\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{s+{\mathrm{\ω}}_c}z---\left(6\right)$

反馈分量y₂主要在低频时发挥抑制直流偏移和饱和的作用。如果输出信号未达饱和值，此时积分器相当于一个纯积分器，这样就抑制了低频时低通滤波器造成的幅值和相位误差。如果输出信号达到饱和值，那么输出信号为：

$y=\frac{1}{s+{\mathrm{\ω}}_c}x\±\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{s+{\mathrm{\ω}}_c}L---\left(7\right)$

式中，L为饱和限幅值。若输入信号x含有直流分量，则输出最大值为

y_dc＝D/ω_c±L               （8）

式中，D为输入信号的直流分量，y_dc为直流分量对应的输出。此时输入信号的直流分量体现在积分器输出上也是一个直流偏移量，这个直流偏移量与积分时间无关，因此不会出现饱和情况。

通过以上分析可知，如果限幅值取得越小，纯积分器作用区域越小，就可以更好地使饱和问题引起的输出直流偏移越小，但同时由于反馈限幅的非线性造成的波形失真将越大。如果幅值取得越大，虽然可以减小输出波形的失真，但纯积分器作用区域增大会使饱和问题引起的输出直流偏移越大。其积分效果如附图4所示，图4上下两个波形依次为原信号和饱和积分后得到的结果。在本发明中，直流分量D=0，所以带饱和反馈的积分器的积分方法适用于本发明。

参见图6至图10所示，为本发明的一具体实施例子，设含有直流分量的原始正弦波信号的表达式为y＝sin(100*pi)+0.1，采样频率为10KHz，则一个信号周期内采样点数为200。按照本发明的正弦波信号的处理积分方法所得到的结果如图6至图10所示。其中图6为原始正弦波信号的波形图；图7为一个周期末所有采样点数的累加运算的采样值之和，其值为20；图8为获取的直流分量，其值为0.1；图9为提取直流分量后的正弦波信号图，图10为最终积分的结果。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种正弦波信号的处理积分装置，由于此装置解决问题的原理与前述一种正弦波信号的处理积分方法相似，因此该装置的实施可以参见前述方法的实施，重复之处不再赘述。

本发明提供一种正弦波信号的处理积分装置，如图11所示，包括积分器7，还包括采样累加模块3，直流分量计算模块5和正弦波信号输出模块6

所述采样累加模块3，用于采样原始正弦波信号并对采样值进行累加，得到采样值之和；

所述直流分量计算模块5，用于将所述采样值之和除以采样点数求得平均值，获取所述原始正弦波信号中的直流分量；

所述正弦波信号输出模块6，用于将每个所述采样值减去所述直流分量，得到不含直流分量的正弦波信号；

所述积分器7，用于对不含直流分量的正弦波信号进行积分运算，得到积分后的输出信号；

作为一种可实施方式，所述正弦波信号的处理积分装置还包括预先设定模拟模块1和初始化数组存放模块2；

所述预先设定模拟模块1，用于预先设定一个与所述原始正弦波信号相对应的采样频率，通过采样或模拟的方法得到原始正弦波信号；

所述初始化数组存放模块2，用于将采样的原始正弦波信号存放至预设数组，设置采样点数，将采样值之和初始化为0。

作为一种可实施方式，所述正弦波信号的处理积分装置还包括一判断模块4；

所述判断模块4，用于判断时间单位内是否完成采样点数的采样值的累加；

若完成，则进入直流分量计算模块；

若没有完成，则将采样点数加1后返回采样累加模块。

作为一种可实施方式，所述时间单位为所述原始正弦波信号的一个周期或者一个周期的整数倍。

作为一种可实施方式，所述积分器为纯积分器，或者带低通滤波器的积分器，或者带饱和反馈的积分器。这几种积分器都能实现本发明的发明目的，输出积分后的输出信号。所述输出信号没有直流偏移，也没有幅值和相位上的误差，可以很好的实现积分运算。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种正弦波信号的处理积分方法，其特征在于，包括如下步骤：

以原始正弦波信号的至少一个周期为时间单位，对所述原始正弦波信号采样并对采样值进行累加，得到采样值之和；

将所述采样值之和除以采样点数求得平均值，获取所述原始正弦波信号中的直流分量；

每个所述采样值减去所述直流分量，得到不含直流分量的正弦波信号；

对不含直流分量的正弦波信号进行积分运算，得到积分后的输出信号。

2.根据权利要求1所述的正弦波信号的处理积分方法，其特征在于，所述时间单位为原始正弦波信号的一个周期或者一个周期的整数倍。

3.根据权利要求2所述的正弦波信号的处理积分方法，其特征在于，在对所述原始正弦波信号采样并对采样值进行累加，得到采样值之和的步骤之前，还包括以下步骤：

预先设定一个与所述原始正弦波信号相对应的采样频率，通过采样或模拟的方法得到原始正弦波信号；

将采样的原始正弦波信号存放至预设数组，设置采样点数，将采样值之和初始化为0。

4.根据权利要求1所述的正弦波信号的处理积分方法，其特征在于，在获取所述原始正弦波信号中的直流分量之前还包括以下步骤：

判断在时间单位内是否完成所述采样点数的采样值的累加；

若是，则进行将所述采样值之和除以采样点数求得平均值，获取所述原始正弦波信号中的直流分量的步骤；

若否，则将采样点数加1后返回对所述原始正弦波信号采样并对采样值进行累加，得到采样值之和的步骤。

5.根据权利要求1所述的正弦波信号的处理积分方法，其特征在于，所述积分为纯积分，或者带低通滤波器的积分器积分，或者带饱和反馈的积分器积分。

6.一种正弦波信号的处理积分装置，包括积分器，其特征在于，还包括采样累加模块，直流分量计算模块和正弦波信号输出模块；

所述采样累加模块，用于采样原始正弦波信号并对采样值进行累加，得到采样值之和；

所述直流分量计算模块，用于将所述采样值之和除以采样点数求得平均值，获取所述原始正弦波信号中的直流分量；

所述正弦波信号输出模块，用于将每个所述采样值减去所述直流分量，得到不含直流分量的正弦波信号；

所述积分器，用于对不含直流分量的正弦波信号进行积分运算，得到积分后的输出信号。

7.根据权利要求6所述的正弦波信号的处理积分装置，其特征在于，还包括预先设定模拟模块和初始化数组存放模块；

所述预先设定模拟模块，用于预先设定一个与所述原始正弦波信号相对应的采样频率，通过采样或模拟的方法得到原始正弦波信号；

所述初始化数组存放模块，用于将采样的原始正弦波信号存放至预设数组，设置采样点数，将采样值之和初始化为0。

8.根据权利要求7所述的正弦波信号的处理积分装置，其特征在于，还包括一判断模块；

所述判断模块，用于判断时间单位内是否完成采样点数的采样值的累加；

若完成，则进入直流分量计算模块；

若没有完成，则将采样点数加1后返回采样累加模块。

9.根据权利要求8所述的正弦波信号的处理积分装置，其特征在于，所述时间单位为所述原始正弦波信号的一个周期或者一个周期的整数倍。

10.根据权利要求6所述的正弦波信号的处理积分装置，其特征在于，所述积分器为纯积分器，或者带低通滤波器的积分器，或者带饱和反馈的积分器。