CN107561334B - 一种用于直流长脉冲电流测量的数字信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于直流长脉冲电流测量的数字信号处理方法，包括有数字高通滤波器、数字低通滤波器、数字梳状滤波器,罗科线圈输出的模拟信号被采样成数字信号后分成两路信号，第一路信号依次经过数字高通滤波器和数字梳状滤波器处理，第二路信号仅经过数字低通滤波器处理，处理后的两路信号进行重构。本发明采用数字梳状滤波器结合数字高通滤波器和数字低通滤波器的处理方法，能充分保留微分信号，而对于触发噪声，能够大幅度衰减其幅值，从而消除积分结果中的毛刺噪声，最终提高测量精度。

Description

一种用于直流长脉冲电流测量的数字信号处理方法

技术领域

本发明涉及大直流长脉冲的电流测量技术领域，尤其涉及一种用于直流长脉冲电流测量的数字信号处理方法。

背景技术

罗氏线圈根据电磁感应原理，将导线均匀缠绕在无磁性圆环形骨架上，当线圈结构一定时，线圈互感为定值，线圈所交链的磁链与穿过罗氏线圈限定面的电流成正比，线圈两端输出的感应电动势与一次侧电流成正比，相位相差90度，称为微分信号，通过积分器对该信号积分后，即可获得一次侧电流的相关信息，积分器是罗氏线圈测量的关键部分。根据积分器的形式，可以将罗氏线圈测量系统分为三种：1、模拟式，2、模拟数字混合式，3、数字式。目前，采用模拟积分器的罗氏线圈研究较多，且较为成熟，但由于积分器采用的元器件并非理想器件，运算放大器自身存在的失调电压、电流，偏置电压、电流，分立器件的温漂等，都容易引起模拟积分器的输出漂移，尤其在长时间工作情况下，此类误差更为明显；模拟数字混合式的罗氏线圈，积分器仍采用模拟积分器，积分后的信号通过模数转换器（ADC）变换成数字信号后，再通过数模转换器（DAC）变换成模拟信号，数字控制处理器仅仅完成模拟积分器中，积分电容泄放及信号切换控制，以及简单的结果累加，核心仍为模拟积分器。采用的电容泄放控制策略，能够在一定程度上改善漂移的误差；数字式的研究主要集中在最近几年，其硬件中的模拟部分，对微分信号不做积分，仅仅进行放大滤波处理，然后通过模数转换器（ADC）采样成数字信号，再在数字信号处理器中，结合相应的滤波和积分算法进行处理，最后通过数模转换器（DAC）输出。数字式能够克服模拟式积分器中存在的不足，性能稳定，且能够采用多种算法，灵活多变。

直流测试平台，主要用来测试大电流、大功率设备，其由四台整流器并联构成，单台稳态电流为30KA，暂态电流为100KA，整流器为晶闸管相控结构。当整流器工作时，晶闸管收到触发信号导通，由于罗科线圈安装在直流母排上，触发信号会通过线圈与母排之间的分布电容耦合到线圈输出信号中，从而形成触发噪声。该噪声幅值高，容易掩盖罗科线圈输出的有用信号，从而无法采用高增益放大信号，造成信噪比低。针对该触发噪声，硬件电路上采用了相应的处理方法。相较处理前，该方法在很大程度上衰减了触发噪声，但衰减后的噪声幅值，较罗科线圈输出的微分信号仍较高，积分后的结果仍会出现一定幅值的毛刺噪声，最终影响小电流的测量精度。因此需要采用进一步的处理方法消除触发噪声。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种用于直流长脉冲电流测量的数字信号处理方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于直流长脉冲电流测量的数字信号处理方法，包括有数字高通滤波器、数字低通滤波器、数字梳状滤波器,罗科线圈输出的模拟信号被采样成数字信号后分成两路信号，第一路信号依次经过数字高通滤波器和数字梳状滤波器处理，第二路信号仅经过数字低通滤波器处理，处理后的两路信号进行重构。

所述的数字高通滤波器与数字梳状滤波器构成第一路滤波通道，先选取数字高通滤波器的截止频率，数字高通滤波器将位于截止频率以上的高频分量分离出来并保留，高频分量包含触发噪声，其频率分量在特定频率点上分布，根据其频率分量点，选取数字梳状滤波器的截止频率点、阶数、采样率，数字梳状滤波器将位于截止频率点上的信号滤除，其余频率分量段保留。

数字低通滤波器单独构成第二路滤波通道，选取与数字高通滤波器相同的截止频率，数字低通滤波器将位于截止频率以下的信号分离出来并保留。

将经过第一路滤波通道和第二路滤波通道处理后的两路信号相加进行重构，从而构成完整信号，重构后的信号，触发噪声的频率分量被滤除，微分信号的频率分量被保留。

本发明的优点是：本发明采用数字梳状滤波器结合数字高通滤波器和数字低通滤波器的处理方法，能充分保留微分信号，而对于触发噪声，能够大幅度衰减其幅值，从而消除积分结果中的毛刺噪声，最终提高测量精度。

附图说明

图1是本发明结构框图。

图2是触发噪声波形及FFT分析图。

图3是微分信号混叠触发噪声波形及FFT分析图。

图4是数字梳状滤波器频率响应图。

图5是采用本发明方法重构的信号波形及FFT分析图。

图6是采用本发明方法前后积分结果图。

具体实施方式

如图1所示，一种用于直流长脉冲电流测量的数字信号处理方法，包括有数字高通滤波器1、数字低通滤波器2、数字梳状滤波器3,罗科线圈输出的模拟信号被采样成数字信号后分成两路信号，第一路信号依次经过数字高通滤波器1和数字梳状滤波器3处理，第二路信号仅经过数字低通滤波器2处理，处理后的两路信号进行重构。

所述的数字高通滤波器1与数字梳状滤波器3构成第一路滤波通道，先选取数字高通滤波器1的截止频率，数字高通滤波器1将位于截止频率以上的高频分量分离出来并保留，高频分量包含触发噪声，其频率分量在特定频率点上分布，根据其频率分量点，选取数字梳状滤波器的截止频率点、阶数、采样率，数字梳状滤波器将位于截止频率点上的信号滤除，其余频率分量段保留。

数字低通滤波器2单独构成第二路滤波通道，选取与数字高通滤波器1相同的截止频率，数字低通滤波器2将位于截止频率以下的信号分离出来并保留。

将经过第一路滤波通道和第二路滤波通道处理后的两路信号相加进行重构，从而构成完整信号Sig^*。重构后的信号，触发噪声的频率分量被滤除，微分信号的频率分量被保留。

本发明的工作原理如下：

参见图2，为触发噪声波形，和其FFT（快速傅里叶变换）分析。从FFT分析结果可以看到，触发噪声频率分量规律分布在其基波和各次谐波，基波频率为300Hz，在2100Hz谐波处有最大幅值。参见图3，为微分信号混叠触发噪声。从FFT分析结果可以看到，微分信号频率分量主要分布在300Hz和600Hz，同时在小于300Hz的低频段（反映直流长脉冲电流缓慢变化细节）与大于600Hz的高频段（反映直流长脉冲电流快速变化细节）均有分布，因此无法采用单一低通滤波处理。比对两者FFT分析有以下特点：

1. 在300Hz与600Hz处，尽管微分信号与触发噪声有重叠，但触发噪声幅值相较于微分信号较小，且不为主要分量。

2. 在大于600Hz高频段，尽管微分信号与触发噪声有重叠，但触发噪声幅值相较于微分信号较大，且为主要分量。

根据以上分析，采用本发明的信号处理方法，将混叠信号Sig+N_T分成两路信号。第一路信号首先经由数字高通滤波器1处理。选取数字高通滤波器1的截止频率为600Hz，阶数为4。数字高通滤波器1将位于截止频率以上的信号分离出来并保留，经滤波后的信号，主要包含触发噪声的主要频率分量，同时包含微分信号的高频分量。由于该频率段内的触发噪声规律分布，因此可采用数字梳状滤波器3滤波处理，其仅对该频段内的触发噪声频率分量进行滤除。选取数字梳状滤波器3的截止频率为300Hz，阶数为30，采样率为9000Hz，其频率响应参见图4。经滤波后的信号，触发噪声被滤除，微分信号的高频分量得以保留。第二路信号仅经过数字低通滤波器2滤波处理。选取数字低通滤波器2的截止频率为600Hz，阶数为4。数字低通滤波器2将位于截止频率以下的信号分离出来并保留，经滤波后的信号，主要包含微分信号的频率分量（包括低频直流分量、基波分量、二次谐波分量），触发噪声占比较小。两路信号分别经过滤波处理后，微分信号被分成大于600Hz的高频分量部分，和小于600Hz的低频分量部分，为了复原信号，最后将两路信号相加，进行信号重构。参见图5，重构后的信号，触发噪声的主要频率分量被滤除，微分信号的主要频率分量被保留。参见图6，对比采用本发明提出的信号处理方法前后的积分结果，左图为采用该方法前，由于触发噪声叠加在微分信号中，积分后在电流波形上叠加毛刺噪声。右图为采用该方法后，触发噪声被滤除，积分结果较为光滑，还原了待测电流的真实波形，因此采用该方法能够提高电流测量精度。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种用于直流长脉冲电流测量的数字信号处理方法，其特征在于：包括有数字高通滤波器、数字低通滤波器和数字梳状滤波器，罗科线圈输出的模拟信号被采样成数字信号后分成两路信号，第一路信号依次经过数字高通滤波器和数字梳状滤波器处理，第二路信号仅经过数字低通滤波器处理，处理后的两路信号进行重构；

所述的数字高通滤波器与数字梳状滤波器构成第一路滤波通道，先选取数字高通滤波器的截止频率，数字高通滤波器将位于截止频率以上的高频分量分离出来并保留，高频分量包含触发噪声，其频率分量在特定频率点上分布，根据其频率分量点，选取数字梳状滤波器的截止频率点、阶数、采样率，数字梳状滤波器将位于截止频率点上的信号滤除，其余 频率分量段保留；

数字低通滤波器单独构成第二路滤波通道，选取与数字高通滤波器相同的截止频率，数字低通滤波器将位于截止频率以下的信号分离出来并保留；

将经过第一路滤波通道和第二路滤波通道处理后的两路信号相加进行重构，从而构成完整信号，重构后的信号，触发噪声的频率分量被滤除，微分信号的频率分量被保留。

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