CN106066429A - 一种交流短脉冲信号有效值检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种交流短脉冲信号有效值检测方法，是通过信号检测电路和信号处理单元两个部分，检测、运算处理得到短脉冲信号的平方和与短脉冲时间，以计算出脉冲有效值。利用交流信号交变和周期对称性，以及脉冲序列信号的间断特性，可以精确的确定脉冲序列起始点和终点，测量方法精确可靠。

Description

一种交流短脉冲信号有效值检测方法
技术领域
本发明涉及一种检测工艺，具体涉及一种交流短脉冲信号有效值检测方法,。
背景技术
功率放大器(简称功放)在电磁地质探测、电力系统测试、声纳通信等领域应用广泛。功放在使用过程中往往是间断的发射交流短脉冲信号，交流短脉冲的有效值在以上领域的系统中是一个重要参数，但是目前还没有交流短脉冲均方根直流转换芯片，通常借助于数字示波器对脉冲波形捕捉测量，需额外携带测量设备，而且测量的不确定性大。
发明内容
本发明为克服现有技术的缺陷，而提供一种实时的交流短脉冲有效值检测方法，测量方法精确可靠。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种交流短脉冲信号有效值检测方法，所述检测方法是通过信号检测电路和信号处理单元两个部分，检测、运算处理得到短脉冲信号的平方和与短脉冲时间，以计算出脉冲有效值。
优选的，所述信号处理单元包括短脉冲时间检测、短脉冲时间内信号的平方和计算以及短脉冲有效值运算输出三个部分。
优选的，所述短脉冲时间检测判断出脉冲信号测量起始点和测量终点，对测量起始点和测量终点的时间内短脉冲信号的平方和计算出交流短脉冲信号有效值。
优选的，所述短脉冲时间检测通过对采样的信号取绝对值，经滞环比较后可以得到一系列的脉冲波形，其中第一个脉冲波形上升沿定为测量短脉的起始 点，最后一个脉冲下降沿经tS时间后定为测量短脉的终点。
优选的，所述第一个脉冲上升沿开始对输入信号进行平方和运算，记为∑(t)；在第一个下降沿时刻对∑(t)进行采样保持，记为∑(t1)；在第二个上升沿时刻对∑(t)进行采样保持，记为∑(t2)；每个下降沿时刻对∑(t)进行采样保持，保持数据更新记为∑(T)；则总的短脉冲信号的平方和为∑(T)+∑(t2)-∑(t1)，即计算出交流短脉冲信号有效值为：RMS＝[(T)+(t2)-(t1)]/[td+t1-tk]。
优选的，所述脉冲有效值转换为串口输出或通过数码管显示。
优选的，所述信号检测电路，包括分压电路、调理电路、低通滤波电路和高速AD转换电路；所述分压电路将高压信号转换成可处理的低压信号，所述低压信号经所述调理电路使得信号为正；再经所述低通滤波电路去除调理后电路中的高频干扰，最后信号由高速AD转换电路将滤波后的信号转换成数字信号供给信号处理单元。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明的交流短脉冲信号有效值检测方法，信号检测电路利用交流信号交变和周期对称性，以及脉冲序列信号的间断特性，可以精确的确定脉冲序列起始点和终点，测量方法精确可靠；信号处理单元，采用信号捕捉的方式对脉冲序列进行检测，算法中还对短脉序列前端和末尾端未计算的时间进行补偿，使得数据更加精确，该方法通过现场可编程逻辑门阵列(FPGA等)实现，可精确的实现单次、多次交流脉冲测量，通过设定数据采样更新时间，算法还适用于连续的交流信号的测量；该测量系统能够同步的对测量结果数据上报或显示，信号采样、测量集成化，实时的提供了信号参数，实验证明。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
附图1为短脉冲的测量起、终点检测示意图；
附图2为信号检测电路；
附图3为短脉冲时间检测流程图；
附图4为短脉冲时间内信号的平方和计算流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明交流短脉冲信号有效值检测方法所采用的原理是交流短脉冲有效值等于短脉冲信号的平方和除以短脉冲时间后开平方，用公式可表示为 利用上述原理本发明是由信号检测电路和信号处理单元两个部分组成，检测、运算处理得到短脉冲信号的平方和与短脉冲时间，以计算出脉冲有效值。
其中信号检测电路包括分压电路、调理电路、低通滤波电路和高速AD转换电路。分压电路1是通过两个分压电阻R1、R2将高压交流信号转换成可处理的低压信号，经过由运放A1搭建的电压跟随器来减小采样的输出阻抗，经R3、R4、A2和uref组成的直流偏置电路(调理电路2)，使得信号为正，再经R3、C1组成的低通滤波电路3去除调理后电路中的高频干扰，最后的信号由高速AD转换电路将滤波后的信号转换成数字信号供给信号处理单元。
信号处理单元包括短脉冲时间检测、短脉冲时间内信号的平方和计算和短脉冲有效值运算输出三个部分。
(1)短脉冲时间检测
短脉冲时间检测的关键在于检测短脉冲的测量起点和测量终点，本发明根 据脉冲信号的自身特性提供了一种有效精确的检测方法，短脉冲的测量起、终点检测示意图如附图1所示。
先对采样的信号取绝对值，经滞环比较(抗干扰能力强)后可以得到一系列的脉冲波形，第一个脉冲波形(脉冲1)上升沿定为测量短脉的起始点，最后一个脉冲下降沿经tS时间后定位测量短脉的终点，具体的分析过程如下：
结合附图1，假设相邻两个脉冲序列的时间间隔thold要远大于短脉冲测量的最长周期Tmax，即thold>>Tmax。如果一个短脉冲序列由n个周期的交流脉冲，交流脉冲的周期为Tn(Tn≤Tmax)，取绝对值经滞环比较后得到2n个脉冲(每个周期产生2个脉冲)，即脉冲1、脉冲2…脉冲2n。短脉冲的起始点是脉冲1的上升沿时刻；每次从脉冲k(k≤2n)的下降沿开始计时到下一个上升沿结束，因此相邻两个之间脉冲的间隔时间定义为tk＝tk上-t(k+1)下，很容易得知tk<Tk，然而最后一个脉冲2n下降沿开始后在thold时间内都无脉冲信号，及最后一个脉冲2n下降沿计时到测量终点的时间设为tS，即测量终点判断的条件是满足tS>Tmax。计测量起点到测量终点的时间为td，两者之间的时间差tval＝td-tS。
信号经过信号检测电路转换成数字信号供给信号处理单元进入FPGA后进行算法处理，首先是将采样的信号去绝对值后进行滞环比较产生一系列脉冲波，再分别检测脉冲波的上升和下降沿，检测并计算数相邻两脉冲之间的时间为tk，并计第一个相邻的两个脉冲之间的时间为t1。信号检测的终点由总计时时间限制条件td>tref和tk>Tmax两个任一条件决定，则有：
(1)从短脉冲检测起始点到终点之间的时间td小于设定的数据更新时间tref，且最后一个下降沿到终点时间大于等于Tmax，脉冲的总时间为td+t1-Tmax(tk＝Tmax)；
(2)从短脉冲检测起始点到终点之间的时间td小于设定的数据更新时间 tref，且最后一个下降沿到终点时间小于Tmax，脉冲的总时间为td+t1-tk；
(3)从短脉冲检测起始点到终点之间的时间td大于等于设定的数据更新时间tref，此脉冲可以看作连续脉冲，脉冲的总时间为td+t1-tk，其算法的流程如附图3所示。
其中AD取样率选择2.5MSPS，可测的最小交流脉冲宽度为4us，理论上不限最长脉宽(Tmax决定最长测量脉宽)。
(2)短脉冲时间内信号的平方和计算
由上述分析可确定短脉冲序列的测量起点和测量终点，和经滞环比较后脉冲脉冲序列的前提下，第一个脉冲上升沿开始对输入信号进行平方和运算，记为∑(t)。在第一个下降沿时刻对∑(t)进行采样保持，记为∑(t1)；在第二个上升沿时刻对∑(t)进行采样保持，记为∑(t2)；每个下降沿时刻对∑(t)进行采样保持，保持数据更新记为∑(T)。则总的短脉冲信号的平方和为∑(T)+∑(t2)-∑(t1)，其算法的流程如附图4所示。
可以计算出交流短脉冲信号有效值为：
RMS＝[(T)+(t2)-(t1)]/[td+t1-tk]
3、短脉冲有效值运算输出
本发明中的滞环比较器的两个闸值分别为u1和u2(u2>>u1)，交流正弦信号可表示为Asin(wt+θ)，信号经滞环比较产生脉冲波需满足A>u2。信号经过闸值1时满足Asin(wt+θ)＝u1，有sin(wt+θ)＝u1/A→0，因此wt→0，附图1中的tp1非常小(影响小)。有交流正弦波形在一个周期内的对称性可知tp2＝tp0，tp2、tp1分别补偿了短脉序列前端和末尾端未计算的时间。计第一个脉冲下降沿到第二个脉冲上升沿时间为t1＝tp1+tp2＝t1上-t2下，该时间段的信号平方和为Δ∑。因此，短脉冲序列的计算时间可表示为t总＝tval+t1＝td-ts+t1，信号的平方和可 表示为∑总＝∑1-∑2+Δ∑，
交流短脉冲信号有效值由此可以精确的计算出短脉冲序列的有效值，最后对计算得到的脉冲有效值转换为串口输出或通过数码管显示。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (7)

1.一种交流短脉冲信号有效值检测方法，其特征在于：所述检测方法是通过信号检测电路和信号处理单元两个部分，检测、运算处理得到短脉冲信号的平方和与短脉冲时间，以计算出脉冲有效值。
2.根据权利要求1所述的交流短脉冲信号有效值检测方法，其特征在于：所述信号处理单元包括短脉冲时间检测、短脉冲时间内信号的平方和计算以及短脉冲有效值运算输出三个部分。
3.根据权利要求2所述的交流短脉冲信号有效值检测方法，其特征在于：所述短脉冲时间检测判断出脉冲信号测量起始点和测量终点，对测量起始点和测量终点的时间内短脉冲信号的平方和计算出交流短脉冲信号有效值。
4.根据权利要求3所述的交流短脉冲信号有效值检测方法，其特征在于：所述短脉冲时间检测通过对采样的信号取绝对值，经滞环比较后可以得到一系列的脉冲波形，其中第一个脉冲波形上升沿定为测量短脉的起始点，最后一个脉冲下降沿经tS时间后定为测量短脉的终点。
5.根据权利要求4所述的交流短脉冲信号有效值检测方法，其特征在于：所述第一个脉冲上升沿开始对输入信号进行平方和运算，记为∑(t)；在第一个下降沿时刻对∑(t)进行采样保持，记为∑(t1)；在第二个上升沿时刻对∑(t)进行采样保持，记为∑(t2)；每个下降沿时刻对∑(t)进行采样保持，保持数据更新记为∑(T)；则总的短脉冲信号的平方和为∑(T)+∑(t2)-∑(t1)，即计算出交流短脉冲信号有效值为：
RMS＝[(T)+(t2)-(t1)]/[t d+t 1-t k]。
6.根据权利要求1所述的交流短脉冲信号有效值检测方法，其特征在于：所述脉冲有效值转换为串口输出或通过数码管显示。
7.根据权利要求1所述的交流短脉冲信号有效值检测方法，其特征在于：所述信号检测电路，包括分压电路、调理电路、低通滤波电路和高速AD转换电路；所述分压电路将高压信号转换成可处理的低压信号，所述低压信号经所述调理电路使得信号为正；再经所述低通滤波电路去除调理后电路中的高频干扰，最后信号由高速AD转换电路将滤波后的信号转换成数字信号供给信号处理单元。
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