CN110031675A - 一种数采系统实际采样频率的测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种数采系统实际采样频率的测量方法，其特征在于，包括三个步骤，(1)用通用标准信号发生器和待检数采系统搭建一个电压信号采集装置，将通用标准信号发生器输出端连接至待检数采系统的模拟输入端，(2)用通用标准信号发生器产生一频率为f0的正弦波电压信号，用待检数采系统设定标称采样率Fs对之进行采集，转化为离散信号，(3)基于标称采样率Fs对采集的离散正弦信号进行分析，先估计出其精确频率f测，再将待检数采系统的实际采样频率估计为。
Description
技术领域
本申请涉及一种数采系统实际采样频率的测量方法。
所谓数采系统，即数据采集系统，它的核心部件是模数转换器(ADC)，实现模拟信号到数字信号的转换。当然，一个完整的数采系统，还包括传感器、ADC前的模拟信号调理电路、处理器、存储与显示等部分。
一个数采系统设定或者配置的采样频率，往往是系统基本时钟信号频率的若干倍或若干分之一。系统基本时钟信号，常表现为振荡电路产生的一个周期性方波信号。实际中，系统基本时钟信号的实际频率与标称频率会有偏差，原因是：(1)系统实际时钟频率受温度影响，而标称时钟频率为某一特定温度下测得的频率，实际工作温度与此特定温度有误差；(2)振荡电路，不管是石英晶体振荡器、还是RC或LC振荡器，其元器件的实际参数值和标称值会存在偏差，从而实际时钟频率就会产生偏差。由于标称的系统基本时钟与实际时钟频率存在偏差，因此，一个数采系统设定或配置的标称采样频率与实际采样频率也相应地会存在偏差。
由于采样频率是数采系统采集数据时最重要的参数，它的准确性直接影响到后端数字信号分析结果的准确性，因此，有必要对数采系统实际采样频率进行测量。
背景技术
由于一个数采系统的采样频率与基本时钟频率存在已知的比例关系，实际中，可以通过测量基本时钟信号的频率来换算实际采样频率。目前，已经有不少测量精度较高的成品仪器可以用于测量系统时钟频率，主要包括各种电子计数器、数字测时仪等。
电子计数器是最常用的频率测量设备，以其测量速度快、准确度高、使用方便的优势在实际科研和生产中得到了较为广泛的应用。其“计数”器的核心功能就是在设定的时间内测量出输入信号脉冲的数目并计算显示。电子计数器频率测量原理为：在内部或外部标准频率信号的控制下生成标准闸门信号，控制测频的开始和结束；基于标准闸门信号开启时间τ(s)内计数器累计接收的被测信号的脉冲个数n，可推导出被测信号的频率在实际的测量实践中，可以通过多周期测量法(延长闸门开启时间)、游标法(类似游标卡尺的原理，附加两组游标脉冲以测出非整数脉冲数的尾数)、内插法、平均测量法(多次测量取平均减小随机误差)等技巧提高测量精度。还可以通过实时校准时基信号、振荡器温度补偿、外接高精度频标等方法提高时基的精准度。
数字式时间间隔测量仪器，即测时仪，是测量信号时间间隔的设备。若测得了两个脉冲之间的时间间隔，或一个脉冲的宽度、空度、信号沿的升降时间等信息，就等效于测得了信号频率。其基本原理是：将晶体振荡器产生的频率信号经过倍频后得到周期不同的标准时间信号，再以这些时标信号为基准去度量待测的时间间隔，最后用含有计数器的门电路计算并输出最终结果。其核心模块包括：控制器(产生预备、复位等信号，协调系统各模块正常工作)，信息处理器(对被测信号同步地进行整形、附加起止脉冲等预处理操作)，钟单元(产生振荡和分频倍频)，运算器(计数器、存储器等构成的逻辑电路)和显示器。
无论是电子计数器还是数字测时仪，将其连接至数采系统芯片的CLK端就可以测量数采系统的时钟频率。当然，要达到高的测量精度则需要购置更高成本的测量仪器并遵循开机预热、室温工作等较为繁琐的使用与维护要求。
基于成品频率测量仪表测量数采系统的时钟频率时，显然需要多一个成品频率测量仪表来支持。另外，数采系统一旦装进盒子，再从芯片的CLK端测量时钟频率也不方便。
发明内容
发明目的
提出一种数采系统实际采样频率的测量方法，使测试的成本更低更方便，同时测量精度有保障。
技术方案
提出一种数采系统实际采样频率的测量方法，其特征在于，包括三个步骤，(1)用通用标准信号发生器和待检数采系统搭建一个电压信号采集装置，将通用标准信号发生器输出端连接至待检数采系统的模拟输入端，(2)用通用标准信号发生器产生一频率为f0的正弦波电压信号，用待检数采系统设定标称采样率Fs对之进行采集，转化为离散信号，(3)基于标称采样率Fs对采集的离散正弦信号进行分析，先估计出其精确频率f测，再将待检数采系统的实际采样频率估计为
以上一种数采系统实际采样频率的测量方法，其特征在于，第(2)步第(3)步中，可变换所产生信号的频率f0，对不同频率f0下的正弦波信号分别设置同样的标称采样率Fs采集一组数据，并基于标称采样率Fs估计该组数据正弦波的精确频率f测和相应的实际采样频率Fs实，然后将不同频率f0下估计的多个实际采样频率Fs实取平均以提高其估计精度。
以上一种数采系统实际采样频率的测量方法，基于标称采样率Fs对采集的离散正弦信号的精确频率f测进行估计，其特征在于，第(3)步中，先对设置标称采样率Fs采集的一段离散信号补足够多的0，然后进行离散傅里叶变换(DFT)，基于标称采样率Fs将DFT幅值谱中的峰值点频率确定为精确估测频率f测。
以上方案的原理是：(1)对信号x(t)＝sinω0t＝sin2πf0t(f0已知)设定标称采样频率Fs进行离散化；(2)当设定的标称采样频率Fs就是实际采样频率Fs实(不存在误差)时，在采样序列的DTFT幅频谱上信号频率f0对正谱峰，即将峰值点对应的估测频率f测估计为f0没有误差，而当Fs＞Fs实时，峰值点估测频率f测＞f0，即有
有益效果
从实施例不难看出，本方案的实际采样频率的测量只需输入频率已知的标准正弦信号即可，这就大大提升了实际采样频率测量的便捷性。因为产生频率已知的标准正弦信号采用的信号源是实验台上常备的常规仪器，成本不高，操作不复杂。
实施例中共计算了7个不同频率正弦信号测试波形的实际采样频率Fs实，它们都与数采系统设定的标称采样率Fs＝500Hz不同，但之间差异不大。对7个计算所得的Fs实取平均数，得平均Fs实为501.88Hz。按标称采样频率500Hz计算的信号频率估值f测存在0.37％左右的误差，而若使用本发明得到的实际采样频率501.88Hz计算信号频率估值f测，则与f0误差会降低到0.01％左右，见附图3所示。这从一个侧面验证了本发明方法估计的实际采样频率501.88Hz的准确性。
附图说明
图1本发明数采系统实际采样频率估计方法流程图
图2搭建的实验测试装置的实景图
图3本发明与使用标称采样频率测量的信号频率的效果对比图
实施例
为了变换测试信号频率方便，用NI USB4431充当信号源；待检数采系统为一基于ADS1298的心电数据采集模块和笔记本电脑构成。首先按发明方法的步骤(1)，连接信号源和数采系统，搭建的测试装置见附图2所示，设定标称采样率Fs为500Hz；第(2)步，信号源产生一5Hz的标准正弦波信号，同时采集4000个点；第(3)步，对采集的4000个点补零至60000个点，然后做FFT，此时，按标称Fs计算发现离散幅值谱上谱峰对应的频率f测＝4.983Hz，据此计算出实际采样频率估值Fs实为501.672Hz。为了进一步提高估值精度，改变信号源频率f0，重复步骤(2)和(3)得到的实验结果如下表1所示，取平均得到Fs实＝501.880Hz。
表1不同频率正弦波信号源下本发明估计的信号频率和实际采样率结果
Claims (3)
1.一种数采系统实际采样频率的测量方法，其特征在于，包括三个步骤，(1)用通用标准信号发生器和待检数采系统搭建一个电压信号采集装置，将通用标准信号发生器输出端连接至待检数采系统的模拟输入端，(2)用通用标准信号发生器产生一频率为f0的正弦波电压信号，用待检数采系统设定标称采样率Fs对之进行采集，转化为离散信号，(3)基于标称采样率Fs对采集的离散正弦信号进行分析，先估计出其精确频率f测，再将待检数采系统的实际采样频率估计为
2.根据权力要求1所述的一种数采系统实际采样频率的测量方法，其特征在于，第(2)步第(3)步中，可变换所产生信号的频率f0，对不同频率f0下的正弦波信号分别设置同样的标称采样率Fs采集一组数据，并基于标称采样率Fs估计各组数据正弦波的精确频率f测和相应的实际采样频率Fs实，然后将不同频率f0下估计的多个实际采样频率Fs实取平均以提高其估计精度。
3.根据权力要求1所述的一种数采系统实际采样频率的测量方法，基于标称采样率Fs对采集的离散正弦信号的精确频率f测进行估计，其特征在于，第(3)步中，先对设置标称采样率Fs采集的一段离散信号补足够多的0，然后进行离散傅里叶变换(DFT)，基于标称采样率Fs将DFT幅值谱中的峰值点频率确定为精确估测频率f测。
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