CN104808054A - 一种电信号频率的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电信号频率的测量方法，属于信号检测的技术领域。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，根据计算得到的积分开始时间进行模拟积分,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

一种电信号频率的测量方法

技术领域

本发明涉及一种电信号频率的测量方法，可以用于精确测量电信号的瞬时频率，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，属于信号检测的技术领域。

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，提出一种电信号频率的测量方法，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：

本发明提出了一种电信号频率的测量方法,该方法是首先初始化积分器，使积分器输出电压回到零，根据计算得到的积分开始时间进行模拟积分,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),以模拟或数字方法获取至少两个周波过负峰值或者过正峰值后的过零点时间序列T_z1,T_z2,…,T_zk，k为大于1的自然数；

步骤2），确定用于计算第i过零点时间的起始积分点时间T_si，其计算公式为T_si=T_z(i-1)+T′f，其中：T是根据过零点T_z(i-1),T_z(i-2),…,T_z(i-k)计算得出的平均周期，参数f∈(0.5,1)，i为自然数且i>k；

步骤3），初始化积分器使积分器输出电压回到零，在起始积分点时间T_si开始一次模拟积分；

步骤4），当积分器输出电压再次回到零时结束积分,记录积分结束时间T_ei；

步骤5），计算第i过零点时间：

步骤6），重复步骤2）至步骤5），得到第i+1过零点时间T_zi+1，被测电信号的周期为：T_pi=T_z(i+1)-T_zi，被测电信号的频率为：

作为所述测量方法的改进方案，步骤2）所述的平均周期T的计算方法如下：

在第i过零点时间之前有两个过零点，由第i-1过零点时间、第i-2过零点时间得到平均周期：T=(T_z(i-1)-T_z(i-2))；

在第i过零点时间之前有两个以上的过零点，由第i-1过零点时间、第i-3过零点时间得到平均周期：T=(T_z(i-1)-T_z(i-3))/2。

作为所述测量方法的改进方案，还包括以下步骤：重复步骤1）到步骤6），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。针对电信号是上下对称的特点，根据计算得到的积分开始时间进行模拟积分,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是在电信号的某一个零点进行积分并计算过零点的示意图；

图2是采用传统的过零点比较法获取了两个过零点后，采用本文所述方法获取第3个过零点的示意图；

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,使积分器输出电压回到零，根据计算得到的积分开始时间进行模拟积分,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、以模拟或数字方法获取至少两个周波过负峰值或者过正峰值后的过零点时间序列T_z1,T_z2,T_z3...；

2、确定用于计算第i过零点时间的起始积分点时间T_si，其计算公式为T_si=T_z(i-1)+T′f，其中T是根据过零点T_z(i-1),T_z(i-2),T_z(i-3)...计算得出的平均周期，f∈(0.5,1)；

3、初始化积分器使积分器输出电压回到零，在起始积分点时间T_si开始一次模拟积分；

4、当积分器输出电压再次回到零时结束积分,记录积分结束时间T_ei；

5、计算第i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：

$T_{\mathrm{zi}}=\frac{T_{\mathrm{si}}+T_{\mathrm{ei}}}{2};$

6、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（横坐标T为时间，纵坐标voltage为被测电信号电压），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。T_si是计算得到的积分开始时间,其计算公式是T_si=T_z(i-1)+(T_z(i-1)-T_z(i-2))′0.89，即f=0.89，T=(T_z(i-1)-T_z(i-2))，推荐采用T=(T_z(i-1)-T_z(i-3))/2。也可以采用如下方式：在计算积分开始时间时，对之前获取的过零点个数进行判断，如果之前获取的过零点只有两个，采用T=(T_z(i-1)-T_z(i-2))；如果之前获取的过零点大于两个，采用T=(T_z(i-1)-T_z(i-3))/2。电信号过正峰值后在某一个过零点进行积分并计算过零点的示意图略。

7、重复上述步骤，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_z(i+1),T_z(i+2)...T_zn，其中，i=1、2、…n，n为正整数；被测电信号的周期为：T_pi=T_z(i+1)-T_zi，被测电信号的频率为：

8、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是在采用传统的过零点比较法得到了两个过零点T_Z1、T_Z2，由T_Z1、T_Z2计算获得T_S3，之后在T_S3开始一次积分，在T_E3结束积分，最后由T_S3、T_E3计算得出T_Z3。在电信号过正峰值后进行积分并获取第3个过零点的示意图略。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_S10和T_S11是计算得到的积分开始时间，T_E10和T_E11是对应的积分结束时间，T_Z10和T_Z11是计算得到的第10和第11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_S10和T_S11是计算得到的积分开始时间，T_E10和T_E11是对应的积分结束时间，T_Z10和T_Z11是计算得到的第10和第11个过零点。

9、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。

10、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：f不宜过于接近1，如果f接近1则会使得积分时间过短，影响测量精度；相反，如果f越接近0.5则会使得积分时间越长，从而能获得更加准确的测量精度。

综上所述，传统的以电平触发的过零点检测法受到噪声的干扰，不能准确测量信号的频率，存在较大的误差；传统的利用积分获取电信号过零点的方法，该方法在测量无谐波的正弦波电信号频率时，精度较高，但是对于存在谐波的电信号，积分起始点受噪声影响从而导致测量结果也存在一定的误差；传统的数字频率测量方法受到电压测量误差的影响，存在一定的误差。本文所述的方法可以克服电信号中谐波和噪声的双重影响，得到较为精确的频率测量结果。本发明所涉及的一种电信号频率的测量方法，不需要将电信号转换成方波，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 (3)

1.一种电信号频率的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1),以模拟或数字方法获取至少两个周波过负峰值或者过正峰值后的过零点时间序列T_z1,T_z2,…,T_zk，k为大于1的自然数；

步骤2），确定用于计算第i过零点时间的起始积分点时间T_si，其计算公式为T_si=T_z(i-1)+T′f，其中：T是根据过零点T_z(i-1),T_z(i-2),…,T_z(i-k)计算得出的平均周期，参数f∈(0.5,1)，i为自然数且i>k；

步骤3），初始化积分器使积分器输出电压回到零，在起始积分点时间T_si开始一次模拟积分；

步骤4），当积分器输出电压再次回到零时结束积分,记录积分结束时间T_ei；

步骤5），计算第i过零点时间：

步骤6），重复步骤2）至步骤5），得到第i+1过零点时间T_zi+1，被测电信号的周期为：T_pi=T_z(i+1)-T_zi，被测电信号的频率为：

2.根据权利要求1所述的一种电信号频率的测量方法，其特征在于：步骤2）所述的平均周期T的计算方法如下：

在第i过零点时间之前有两个过零点，由第i-1过零点时间、第i-2过零点时间得到平均周期：T=(T_z(i-1)-T_z(i-2))；

在第i过零点时间之前有两个以上的过零点，由第i-1过零点时间、第i-3过零点时间得到平均周期：T=(T_z(i-1)-T_z(i-3))/2。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的一种电信号频率的测量方法，其特征在于：还包括以下步骤：重复步骤1）到步骤6），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。