CN104808060B - 一种电信号相位差的数字化测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电信号相位差的数字化测量方法，采用数字积分并插值的方式处理连续的数字采样信号，根据采样值、计算得到的积分开始时间和根据插值的方式获取的积分结束点k的虚拟发生时间计算电信号的零点，有一系列电信号的过零点计算电信号的频率或周期。最后根据不同信号的过零点时间的差异和信号周期，计算获取信号之间的相位差。本发明不需要将低频信号转换成方波，克服了传统的过零点检测抗干扰能力差的缺点，尤其适合于低频信号的相位差测量，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、有较广泛的应用前景。

Description

一种电信号相位差的数字化测量方法

技术领域

本发明涉及一种电信号相位差的数字化测量方法，也可以用于其它低频率信号的相位差测量，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测量电信号的相位差，测量的相位差越准确，应用的效果往往更好。在现有的相位差测量方法中，大多数采用将信号转变成方波，然后测量两个方波之间上升沿的时间差，从而得出两个信号的相位差，但这种算法易于实现但需要额外的硬件，且容易受到干扰的影响。

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相位差测量精度不够准确，提出了一种电信号相位差的数字化测量方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种电信号相位差的数字化测量方法，包括以下步骤：

步骤1），对被测电信号进行采样，得到被测电信号的采样值，然后生成采样信号；

步骤2),以模拟或数字方法获取至少两个周波过负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3），确定用于计算第j过零点时间的起始积分点时间T_sj，其计算公式为T_sj=T_z(j-1)+T×f，其中：T是根据过零点T_z(j-1),T_z(j-2),…,T_z(j-k)计算得出的平均周期，参数f∈(0.5,1)，j为自然数且j>k；

步骤4）,在被测电信号的采样信号中，选择m个在采样时间上按次序排放的采样点，设这m个采样点的采样时间分别为t₁、t₂、...t_i、t_i+1、...t_m，采样值分别为x₁、x₂、...x_i、x_i+1...x_m，其中t₁≤T_sj,t₂>T_sj,i、m均为自然数且1≤i<m；

步骤5），在第1个采样点和第2个采样点之间通过线形插值的方式获取一个数字积分开始点s，其坐标为(x_sj,T_sj)；令S_i为数字积分开始点到第i采样点(x_i,t_i)的数字积分，则S_i+1为从数字积分开始点到第i+1采样点(x_i+1,t_i+1)的数字积分；当S_i和S_i+1的乘积小于等于0时，在第i个采样点和第i+1个采样点之间通过矩形插值或者梯形插值的方式获取一个数字积分结束点k,其坐标为(x_k,t_k)，使得从数字积分开始点到积分结束点的数字积分为零，计算得出积分结束点k的虚拟发生时间t_k；

步骤6），计算第j过零点时间：

步骤7），重复步骤3）至步骤6）得到第j+1过零点时间T_z(j+1)，则被测电信号的周期：T_pj=T_z(j+1)-T_zj，因此获得被测电信号的周期依次为T_p1,T_p2,T_p3,......T_p(n-1)，n为大于1的自然数；

步骤8），对于两个频率相同的被测电信号，根据步骤1）至步骤7）分别得到两个被测电信号的过零点时间；再根据两个被测电信号的过零点时间的差异，以及步骤7）得到的被测电信号的周期，计算得到两个被测电信号之间的相位差。

作为所述数字化测量方法的进一步优化方案，步骤1）所述对被测电信号进行采样是等时间间隔采样或者是不等时间间隔采样。

作为所述数字化测量方法的进一步优化方案，步骤1）所述的采样为对被测电信号的整周波进行采样。

作为所述数字化测量方法的进一步优化方案，所述步骤8）的具体步骤如下：

设由步骤1）至步骤7）分别计算得到的第一路被测电信号的过零点时间为T1_zj、第二路被测电信号的过零点时间为T2_zj，则两路被测电信号的相位差的值以度数表示为：或者以弧度表示为：其中，T_p是依步骤7）计算得出的被测电信号周期的瞬时值，或者是依步骤7）计算得出的被测电信号的前若干个周期值的平均值。

作为所述数字化测量方法的进一步优化方案，所述数字积分为梯形积分或者矩形积分。

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零点，虽然算法物理概念清晰，但是容易受谐波、测量误差等的干扰，测量精度低。只有准确定位零点，才能计算出精确的相位差。针对电信号大多数是对称的特点，根据计算得到的积分开始时间进行线形插值运算选取一个采样点P_S作为积分开始点，之后进行数字积分，通过插值的方式获取一个积分结束点，使得从积分开始点到积分结束点的数字积分为零，由积分开始点的采样发生时间和积分结束点的虚拟发生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。最后根据不同信号的过零点时间的差异和信号周期，计算获取信号之间的相位差。相比较传统的零交法而言，运算量有所增加，但测量的精度、抗干扰性得到了很大的提高。

2）本发明所涉及的采样可以是等时间间隔采样，也可以是不等时间间隔采样。

附图说明

图1是计算获取积分开始点后采用矩形积分、矩形插值的方式计算得到积分结束点的虚拟发生时间，并获取过零点的示意图；

图2是计算获取积分开始点后采用梯形积分、梯形插值的方式计算得到积分结束点的虚拟发生时间，并获取过零点的示意图；

图3是计算获取积分开始点后采用梯形积分、矩形插值的方式计算得到积分结束点的虚拟发生时间，并获取过零点的示意图；

图4是采用传统的过零点比较法获取两个过负峰值后的过零点，计算获取积分开始点后采用梯形积分、梯形插值的方式计算得到积分结束点的虚拟发生时间,从而获取第3个过零点的示意图；

图5是采用传统的过零点比较法获取两个过负峰值后的过零点，计算获取积分开始点后采用梯形积分、梯形插值的方式计算得到积分结束点的虚拟发生时间,获取第10、11、12个过零点的示意图。

图6是采用梯形积分、梯形插值的方式获取一系列过零点并计算两路信号相位差的示意图；

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：

本发明的实质是采用数字积分并插值的方式处理连续的数字采样信号，对被测电信号进行采样，得到被测电信号的采样值，然后生成采样信号；以模拟或数字方法获取至少两个周波过负峰值后过零点时间；根据计算得到的积分开始时间进行线形插值运算选取一个虚拟采样点P_S作为积分开始点，在后续的采样点中会存在这样连续的两个点P_i和P_i+1，如果从P_S到P_i的数字积分数值和从P_S到P_i+1的数字积分数值的乘积小于等于零时,则可以在P_i和P_i+1之间通过插值的方式获取一个积分结束点P_k,P_k的获取条件是从P_S到P_k的数字积分为0。则可以由P_S的虚拟发生时间和P_k的虚拟发生时间计算电信号的零点，由一系列电信号的过零点计算电信号的频率或周期。这里所谓的数字积分有如下几种方式：梯形积分、矩形积分方式。最后根据不同信号的过零点时间的差异和信号周期，计算获取信号之间的相位差。选取的P_S不宜过于接近零点，如果接近零点的话容易受到噪声的干扰导致测量结果不够准确。

为获得较为精确的测量结果，建议的采样点P_S的选取方案是：不宜过于接近零点。

本发明的特点和优点将通过实例结合附图进行详细说明。本发明的原理通过测量低频信号的相位差来进行说明，随着采样速度的提高，在一个周波内的发生的采样次数也越来越多。本发明的具体实施过程如下：

1、对被测电信号进行采样，得到被测电信号的采样值，然后生成采样信号，这里所述的采样为对整周波进行的采样。可以是等时间间隔采样，也可以是不等时间间隔采样。；

2、以模拟或数字方法获取至少两个周波过负峰值后的过零点时间T_z1,T_z2,T_z3...序列；

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

4、在被测电信号的采样信号中，选择m个在采样时间上按次序排放的采样点，设这m个采样点的采样时间分别为t₁、t₂、...t_i、t_i+1、...t_m，采样值分别为x₁、x₂、...x_i、x_i+1...x_m，其中t₁≤T_sj,t₂>T_sj,i、m均为自然数且1≤i<m；

5、在第1个采样点和第2个采样点之间通过线性插值的方式获取一个数字积分开始点s，其坐标为(x_sj,T_sj)；令S_i为从数字积分开始点到第i采样点(x_i,t_i)的数字积分，则S_i+1为从数字积分开始点到第i+1采样点(x_i+1,t_i+1)的数字积分；当S_i和S_i+1的乘积小于等于0时，在第i个采样点和第i+1个采样点之间通过矩形插值或者梯形插值的方式获取一个数字积分结束点k,其坐标为(x_k,t_k)，使得从数字积分开始点到积分结束点的数字积分为零，计算得出积分结束点k的虚拟发生时间t_k；

6、计算第j过零点时间：

7、计算过零点时间的具体操作可以参见图1、图2、图3。图中的空心三角形表示积分开始点和积分结束点。图1是采用矩形积分、矩形插值的方式计算得到积分结束点的虚拟发生时间，并获取过零点的示意图。图1中从T_S开始数字积分，t_k是插值获取的积分结束点的虚拟发生时间，图中从T_S到t_k的数字积分为0。T_z是计算获取的过零点。图2是采用梯形积分、梯形插值的方式计算得到积分结束点的虚拟发生时间，并获取过零点的示意图。图2中从T_S开始数字积分，t_k是插值获取的积分结束点的虚拟发生时间，图中从T_S到t_k的数字积分为0。T_z是计算获取的过零点。图3是采用梯形积分、矩形插值的方式计算得到积分结束点的虚拟发生时间，并获取过零点的示意图。图3中从T_S开始数字积分，t_k是插值获取的积分结束点的虚拟发生时间，图中从T_S到t_k的数字积分为0。T_z是计算获取的过零点。如果纯粹采用梯形插值法，在进行插值计算时存在计算量偏大的情况。图3在开始积分的时候采用梯形积分法，但是在进行插值运算时，采用了矩形插值的方法，这样做的目的是降低运算的复杂度。为取得较为准确的测量结果,在附图的计算中设该矩形的高度是邻近的两个采样点的平均值。T_sj（即图中T_S）是计算得到的积分开始时间,其计算公式是T_sj=T_z(j-1)+(T_z(j-1)-T_z(j-2))×0.89，即f=0.89，T=(T_z(j-1)-T_z(j-2))，推荐采用T=(T_z(j-1)-T_z(j-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(j-1)-T_z(j-2))；如果之前获取的过零点大于两个，采用T=(T_z(j-1)-T_z(j-3))/2。

8、重复上述步骤，得到若干个过零点时间：T_z1,T_z2,T_z3...T_zj,T_z(j+1),T_z(j+2)...T_zn，其中，j=1、2、…n，则被测电信号的周期：T_pj=T_z(j+1)-T_zj，被测电信号的频率为：

9、对电信号进行采样后在每一个零点附近进行计算并测量频率的图形如图4、图5。图4是采用传统的过零点比较法获取两个过负峰值后的过零点，计算获取积分开始点后采用梯形积分、梯形插值的方式计算得到积分结束点的虚拟发生时间,从而获取第3个过零点的示意图；图5是采用传统的过零点比较法获取两个过负峰值后的过零点，计算获取积分开始点后采用梯形积分、梯形插值的方式计算得到积分结束点的虚拟发生时间,获取第10、11、12个过零点的示意图。图4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开始一次数字积分，在T_E3结束积分，最后由T_S3、T_E3计算得出T_Z3。图5是计算获取第10、11、12个过零点的示意图，图5上计算得出的积分开始点和积分结束点以空心三角形表示，T_Z10、T_Z11和T_Z12是计算得到的第10、11和12个过零点。则该信号的周期可以表示为T_p10=T_Z11-T_Z10或者T_p11=T_Z12-T_Z11，频率F_p则是周期T_p的倒数。采用矩形积分、矩形插值或者梯形积分、矩形插值方式计算获取过零点并计算频率的图形略。

10、相位差的计算可参见图6。图6是采用梯形积分、梯形插值的方式获取一系列过零点并计算两路信号计算相位差的示意图。图6中正弦波I在负峰值出现后有两个过零点，这两个过零点的时间分别为T1_zj和T1_zj+1，正弦波II在负峰值出现后也有两个过零点，这两个过零点的时间分别为T2_zj和T2_zj+1，则正弦波I和正弦波II的相位差可表示为：或者公式中的T_p是信号的周期，T_p可以是计算得出的当前周期的瞬时值，或者是计算得出的前几个周期值的平均值。公式也可以写成弧度表达的形式。采用矩形积分、矩形插值或者是采用梯形积分、矩形插值方式计算相位差的示意图略。

优选方案是所述的采样为等时间间隔采样。

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，得到较为精确的相位差测量结果。

综上所述，本发明所涉及的一种电信号相位差的数字化测量方法，不需要将低频信号转换成方波，克服了传统的过零点检测抗干扰能力差的缺点，尤其适合于低频信号的相位差测量，系统检测方便，硬件开销小；该方法具有一定的抗干扰能力；实现起来简单合理，数据准确、可靠；有较广泛的应用前景。当然，本发明也可以应用于民用三相交流电的相位差测量、功角测量等等。

Claims (5)

1.一种电信号相位差的数字化测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1），对被测电信号进行采样，得到被测电信号的采样值，然后生成采样信号；

步骤2),以模拟或数字方法获取至少两个周波过负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3），确定用于计算第j过零点时间的起始积分点时间T_sj，其计算公式为T_sj=T_z(j-1)+T×f，其中：T是根据过零点T_z(j-1),T_z(j-2),…,T_z(j-k)计算得出的平均周期，参数f∈(0.5,1)，j为自然数且j>k；

步骤4）,在被测电信号的采样信号中，选择m个在采样时间上按次序排放的采样点，设这m个采样点的采样时间分别为t₁、t₂、...t_i、t_i+1、...t_m，采样值分别为x₁、x₂、...x_i、x_{i+ 1}...x_m，其中t₁≤T_sj,t₂>T_sj,i、m均为自然数且1≤i<m；

步骤5），在第1个采样点和第2个采样点之间通过线形插值的方式获取一个数字积分开始点s，其坐标为(x_sj,T_sj)；令S_i为数字积分开始点到第i采样点(x_i,t_i)的数字积分，则S_i+1为从数字积分开始点到第i+1采样点(x_i+1,t_i+1)的数字积分；当S_i和S_i+1的乘积小于等于0时，在第i个采样点和第i+1个采样点之间通过矩形插值或者梯形插值的方式获取一个数字积分结束点k,其坐标为(x_k,t_k)，使得从数字积分开始点到积分结束点的数字积分为零，计算得出积分结束点k的虚拟发生时间t_k；

步骤6），计算第j过零点时间：

步骤7），重复步骤3）至步骤6）得到第j+1过零点时间T_z(j+1)，则被测电信号的周期：T_pj=T_z(j+1)-T_zj，因此获得被测电信号的周期依次为T_p1,T_p2,T_p3,......T_p(n-1)，n为大于1的自然数；

步骤8），对于两个频率相同的被测电信号，根据步骤1）至步骤7）分别得到两个被测电信号的过零点时间；再根据两个被测电信号的过零点时间的差异，以及步骤7）得到的被测电信号的周期，计算得到两个被测电信号之间的相位差。

2.根据权利要求1所述的一种电信号相位差的数字化测量方法，其特征在于：步骤1）所述对被测电信号进行采样是等时间间隔采样或者是不等时间间隔采样。

3.根据权利要求1所述的一种电信号相位差的数字化测量方法，其特征在于：步骤1）所述的采样为对被测电信号的整周波进行采样。

4.根据权利要求1所述的一种电信号相位差的数字化测量方法，其特征在于：所述步骤8）的具体步骤如下：

设由步骤1）至步骤7）分别计算得到的第一路被测电信号的过零点时间为T1zj、第二路 被测电信号的过零点时间为T2zj，则两路被测电信号的相位差的值以度数表示为：或者以弧度表示为： <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mrow> <mi>T</mi> <mn>2</mn> </mrow> <mi>zj</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mrow> <mi>T</mi> <mn>1</mn> </mrow> <mi>zj</mi> </msub> </mrow> <msub> <mi>T</mi> <mi>p</mi> </msub> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mn>2</mn> <mo>&amp;times;</mo> <mi>&amp;pi;</mi> <mo>,</mo> </mrow> 其中，Tp是依步骤7）计算 得出的被测电信号周期的瞬时值，或者是依步骤7）计算得出的被测电信号的前若干个周期 值的平均值。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种电信号相位差的数字化测量方法，其特征在于：所述数字积分为梯形积分或者矩形积分。