CN113791268A - 一种高频交流电压有效值测量的方法、装置及存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种高频交流电压有效值测量的方法，涉及电力电子技术领域，解决了现有技术中对高频电压测量的精确度不高，设备复杂，操作难度大的问题，该方法包括，获取被测信号，并将被测信号转换为数字信号，确定数字信号的频率；根据数字信号的频率，确定时钟信号；根据数字信号以及时钟信号，在时钟信号的信号突变时刻，采集数字信号的电压值，记为采样点坐标，将采样点坐标按照时间顺序依次连接起来，确定采样信号；根据数字信号的频率，确定数字信号周期；根据数字信号周期对采样信号进行曲线拟合，确定完整采样信号；获取完整采样信号的参数，确定被测信号的电压有效值，实现了对高频电压进行精确地测量，并且设备简单、操作难度小。

Description

一种高频交流电压有效值测量的方法、装置及存储介质

技术领域

本申请涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种高频交流电压有效值测量的方法。

背景技术

传统的数字化电压测量方法受到了AD转换器无法实现更多位数下的高采样率的限制，因此使得数字化的电压测量仅仅用于测量直流电压或者低频率下的电压。

目前的高频电压测量更多的是应用替代法，设备复杂、操作难度大，且精度不高。

发明内容

本申请实施例通过提供一种高频交流电压有效值测量的方法一种高频交流电压有效值测量的方法，解决了现有技术中对高频电压测量的精确度不高，设备复杂，操作难度大的问题，实现了对高频电压进行精确地测量，并且设备简单、操作难度小。

第一方面，本发明实施例提供了一种高频交流电压有效值测量的方法一种高频交流电压有效值测量的方法，其特征在于，包括：

获取被测信号，并将所述被测信号转换为数字信号，确定所述数字信号的频率；

根据所述数字信号的频率，确定时钟信号；

根据所述数字信号以及所述时钟信号，在所述时钟信号的信号突变时刻，采集所述数字信号的电压值，记为采样点坐标，将所述采样点坐标按照时间顺序依次连接起来，确定采样信号；

根据所述数字信号的频率，确定所述数字信号周期；

根据所述数字信号周期对所述采样信号进行曲线拟合，确定完整采样信号；

获取所述完整采样信号的参数，确定所述被测信号的电压有效值。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述根据所述数字信号的频率，确定时钟信号，包括使所述时钟信号的频率是所述数字信号的频率的非整数倍。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述根据所述数字信号周期对所述采样信号进行曲线拟合，包括使所述数字信号周期是所述采样信号的周期的整数倍。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述获取所述完整采样信号的参数，包括获取所述完整采样信号的周期和幅值。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述将所述被测信号转换为数字信号包括通过8位AD转换器，或，16位AD转换器进行信号转换。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述确定所述被测信号的电压有效值，包括根据以下公式进行计算，公式为：

其中，T表示所述完整采样信号的周期，A表示所完整采样信号的幅值。

第二方面，本发明实施例提供了一种高频交流电压有效值的装置，其特征在于，包括：

输入模块，用于获取被测信号，并将所述被测信号转换为数字信号，确定所述数字信号的频率；

时钟信号确定模块，用于根据所述数字信号的频率，确定时钟信号；

采样信号确定模块，用于根据所述数字信号以及所述时钟信号，在所述时钟信号的信号突变时刻，采集所述数字信号的电压值，记为采样点坐标，将所述采样点坐标按照时间顺序依次连接起来，确定采样信号；

数字信号周期确定模块，用于根据所述数字信号的频率，确定所述数字信号周期；

信号拟合模块，用于根据所述数字信号周期对所述采样信号进行曲线拟合，确定完整采样信号；

有效值确定模块，获取所述完整采样信号的参数，确定所述被测信号的电压有效值。

结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述时钟信号确定模块，用于使使所述时钟信号的频率是所述数字信号的频率的非整数倍。

结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述信号拟合模块，用于使所述数字信号周期是所述采样信号的周期的整数倍。

结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述有效值确定模块，用于获取所述完整采样信号的周期和幅值。

结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述输入模块，用于通过8位AD转换器，或，16位AD转换器进行信号转换。

结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述有效值确定模块，用于根据以下公式进行计算，公式为：

其中，T表示所述完整采样信号的周期，A表示所完整采样信号的幅值。

第三方面，本发明实施例提供了一种高频交流电压有效值的服务器，其特征在于，包括存储器和处理器；

所述存储器用于存储计算机可执行指令；

所述处理器用于执行所述计算机可执行指令，以实现第一方面所述的方法。

第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有可执行指令，计算机执行所述可执行指令时能够实现第一方面所述的方法。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明实施例通过采用了一种高频交流电压有效值测量的方法一种高频交流电压有效值测量的方法，该方法包括，获取被测信号，并将被测信号转换为数字信号，确定数字信号的频率；根据数字信号的频率，确定时钟信号；根据数字信号以及时钟信号，在时钟信号的信号突变时刻，采集数字信号的电压值，记为采样点坐标，将采样点坐标按照时间顺序依次连接起来，确定采样信号；根据数字信号的频率，确定数字信号周期；根据数字信号周期对采样信号进行曲线拟合，确定完整采样信号；获取完整采样信号的参数，确定被测信号的电压有效值；解决了现有技术中对高频电压测量的精确度不高，设备复杂，操作难度大的问题，实现了对高频电压进行精确地测量，并且设备简单、操作难度小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种高频交流电压有效值测量的方法一种高频交流电压有效值测量的方法流程示意图；

图2为本申请实施例提供的一种高频交流电压有效值测量的方法一种高频交流电压有效值测量的方法采样点获取示意图；

图3为本申请实施例提供的一种高频交流电压有效值测量的方法一种高频交流电压有效值测量的方法一个具体实施例的波形示意图；

图4为本申请实施例提供的一种高频交流电压有效值的装置示意图；

图5为本申请实施例提供的一种高频交流电压有效值的服务器示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了高分辨率地把被测信号的波形信息获取和利用，使被测信号在一个周期内有足够多的采样点。这样才能把模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)量化后得到的明显的台阶状的波形反映出来，每个台阶的前沿往往就是、或者非常接近ADC的“跳变沿”。按照传统的方法，需要在每个被测信号的周期内有足够多的采样点，所以时钟信号的频率就必须比被测信号的频率高很多。例如，使用8位AD转换器对一个10MHz的交流信号进行采样，如果要把其256个量化步进都表现出来，那么时钟信号的频率就至少要达到2560MHz，从目前的技术来看，这显然是不可能的。而为了识别转换的“跳变沿”，还需要将采样率大幅度提高。所以目前商用数字电压表不可能高精度的测量高频交流电压的有效值。

本发明实施例提供了一种高频交流电压有效值测量的方法一种高频交流电压有效值测量的方法，如图1所示包括以下步骤：

步骤S101，获取被测信号，并将被测信号转换为数字信号，确定数字信号的频率。

步骤S102，根据数字信号的频率，确定时钟信号。

步骤S103，根据数字信号以及时钟信号，在时钟信号的信号突变时刻，采集数字信号的电压值，记为采样点坐标，将采样点坐标按照时间顺序依次连接起来，确定采样信号。

步骤S104，根据数字信号的频率，确定数字信号周期。

步骤S105，根据数字信号周期对采样信号进行曲线拟合，确定完整采样信号。

步骤S106，获取完整采样信号的参数，确定被测信号的电压有效值。

在本发明提出的方法中，使时钟信号对于数字信号有一个较小的频差，或者时钟信号频率是数字信号的倍数并且有一个小的频差的方法，这样对数字信号并不是在其一个周期内采样足够的电压值数量，而是在数字信号的一个周期内仅仅采样很有限的数量的电压值。但是由于采集次序具有相位步进的作用，所以多个采样周期的集合能够把被测信号的所有相位都检测到。这样在周期时间扩展的情况下，从波形上得到了和被测信号状况相似，但是周期时间被展开和倍增的采样信号波形。在对采样波形进行周期的变化，这样就能够在被测信号的等效的低频下不失真的完成对被测信号电压有效值等参数的测量。

在一种可能的实现方式中，根据数字信号的频率，确定时钟信号，包括使时钟信号的频率是数字信号的频率的非整数倍。

确定时钟信号的频率是数字信号的频率的非整数倍，即时钟信号和数字信号之间具有一定的频差，在每次时钟信号发生跳变时，获取跳变时刻的时刻心系，以及获取数字信号的幅值信息，记为采样点坐标。具体如图2所示。在图2中，f_x为数字信号，f_c为时钟信号。

当时钟信号和数字信号有频差或者呈现频率上的分、倍数关系并且又有额外频差时，甚至频率关系复杂时，通过捕捉两个信号间在最接近0度处的相位重合形成频率测量的“相位同步闸门”。就能够实现精密频率测量。这时的测量主要是获得相位重合的时刻信息。

当时钟信号是数字信号频率的倍数，并且有选择的取样被测信号在0度附近的线性区的电压-相位差时，能够实现数字化的线性相位比对。这时的测量能够获得线性段的电压-相位差数值。

当时钟信号和数字信号有频差或者呈现频率上的分、倍数关系并且又有额外频差时，如波形图2所示，通过随着把所有的采集的电压值按照时间顺序连接在一起能够恢复出被测信号的波形。这里更注重的是被采集信号连续的两维关系的完整性。

在一种可能的实现方式中，根据数字信号周期对采样信号进行曲线拟合，包括使数字信号周期是采样信号的周期的整数倍。

在一种可能的实现方式中，将被测信号转换为数字信号包括通过8位AD转换器，或，16位AD转换器进行信号转换。

选用AD转换器分别用8位和16位的。关于时钟信号和数字信号的频率关系，是考虑时钟信号与数字信号间有适当的频差，或者倍数基础上的频差。这样实现了按照测量周期为间隔的相位步进，就数字信号的周期波形来看，合成得到的周期性信号波形能够真实地反映被测信号波形状况，对于被测电压的有效值等更有利。用这样的方法，原来认为数字采集的方法不适合交流高频电压测量的问题能够被解决。这样解决了对于高频电压测量的上限频响。

将采样信号进行周期转换，得到与数字信号相同波形的信号，即完整采样信号。

在一种可能的实现方式中，获取完整采样信号的参数，包括获取完整采样信号的周期和幅值。完整采样信号的周期和幅值用于计算下述的电压有效值。

对于高频电压有效值等测量中，关心、需要保留和处理的是所有采集的电压值。由于数字信号和时钟信号之间频差的原因，它们间的相位差是一直变化的。只要保证了线性的相位变化，就能够不失真地采集到被测信号所有的、数字化表示的波形电压–相位差信息。只是其二维的自变量-时间被明显放大了。

当时钟信号频率接近于数字信号频率时的仍然能够借助于边沿效应高精度地测量被测信号电压的工作原理波形图。图2中其中f_x为数字信号，f_c为时钟信号(可以由频率合成器产生和调整)，深色的黑线表示采样信号。这样在采集的数字信号的波形变化一周期的时间里，能够采集到的数字-电压信息大大增加，台阶状的变化状况很明显。数字信号的波形变化周期实际上等于：

而采集到的电压值个数为：

可见采集的数量之多。例如，对于1MHz的被测信号，当Δf为10Hz时，采集到的有效电压数量会达到10万个。对于8位AD转换器，256个数字台阶的情况下，会有足够多的采集数量。便于分析波形上的跳变沿的位置，也使得处理的算法能够被应用。

为了实现上述方法的测量和处理，需要辅助线路来测量信号间的差拍周期等，如图3所示。

当时钟信号频率接近于数字信号频率时的仍然能够借助于边沿效应高精度地测量数字信号电压的系统工作原理波形图。这是通过合成器频率的调整实现的。其中波形1代表数字信号，波形2代表时钟信号，最后一行波形代表采样信号波形。也就是数字信号为F_f，整形后的数字信号为F_f'，时钟信号为F_c，整形后的时钟信号为F_c'，采样信号为F_s。采样信号为F_s实际上就是保留被测信号的波形而频率大大降低的信号。通过如图3的频率合成器的频率调整，时钟信号和数字信号的频率接近而有一个小的频差时，对于每一次信号的采集它们之间的相位差都会发生移动，直至在一个“差拍周期”的时间内大量时钟信号周期采集到的电压值是相互有差异的电压以及转换的数码。如波形1的标注点。信号的整形、比对有利于对于采样信号为F_s的周期、相位差变化能够更好地掌握。又由于在被测高频信号的一个波形周期中的电压采集点大大增加，通过一定的处理获得信号本身更加准确的波形参数。具体处理时，用相对值处理更好。

目前这种新的方法获得的高频下的交流电压测量精度基本上和低频情况下是一样的。通过把高频信号的波形准确地在低频下恢复，采集的数据点大大增加。有利于边沿效应途径的实施，给处理留够足够时间。

从上面的分析以及目前高频电压测量的现状可以看到一些很有价值的发展前景，有利于数字化技术的高频应用。目前的高频电压测量更多的是应用了替代法，设备复杂、操作难度大，而且精度并不是很高。由于数字化电压测量对于高频电压来说，存在着AD模数转换的位数和速率的矛盾。即按照传统的思路，AD器件与分辨率密切相关的转换位数和其转换速率是相互矛盾的。更多位数的AD器件其转换速率都不高。采用高速AD器件的转换位数又不高。这样对于高频信号的波形的直接采样，每个被测信号的周期得到的采样点个数很有限。因此，高频电压测量不能像数字电压表的测量方法实现已经成了不少人的共识。上述类似于频标比对中的差拍周期的–对于被测电压信号等效移相采样的方法能够在被测信号的一周期内采集到更多的电压数据，在这种方法引入的测量误差中，时钟信号与被测信号间的频率稳定度指标差异是要考虑的。差的频率稳定度会使得恢复出来的被测信号波形发生失真，以此计算得到的信号电压有效值会有波形失真误差。

同样，这种方法还在特殊波形信号的线性度标定，放大器频率响应特性的精密检测，频率变换电路的输入–输出特性的传递关系的测量等方面起到关键的作用。

在一种可能的实现方式中，确定被测信号的电压有效值，包括根据以下公式进行计算，公式为：

其中，T表示完整采样信号的周期，A表示所完整采样信号的幅值。

本发明实施例提供了一种高频交流电压有效值的装置，如图4所示包括以下模块：输入模块201，用于获取被测信号，并将被测信号转换为数字信号，确定数字信号的频率，对被测信号于通过8位AD转换器，或，16位AD转换器进行信号转换。时钟信号确定模块202，用于根据数字信号的频率，确定时钟信号，使时钟信号的频率是数字信号的频率的非整数倍。采样信号确定模块203，用于根据数字信号以及时钟信号，在时钟信号的信号突变时刻，采集数字信号的电压值，记为采样点坐标，将采样点坐标按照时间顺序依次连接起来，确定采样信号。数字信号周期确定模块204，用于根据数字信号的频率，确定数字信号周期。信号拟合模块205，用于根据数字信号周期对采样信号进行曲线拟合，确定完整采样信号，还用于使数字信号周期是采样信号的周期的整数倍。有效值确定模块206，获取完整采样信号的参数，确定被测信号的电压有效值，并且获取完整采样信号的周期和幅值，根据以下公式进行计算，公式为：

其中，T表示完整采样信号的周期，A表示所完整采样信号的幅值。

上述实施例阐明的装置或模块，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。在实施本申请时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。当然，也可以将实现某功能的模块由多个子模块或子单元组合实现。

本发明实施例提供了一种高频交流电压有效值的服务器，包括存储器301和处理器302；存储器301用于存储计算机可执行指令；处理器302用于执行计算机可执行指令，以实现高频交流电压有效值的方法。

上述存储介质包括但不限于随机存取存储器(英文：Random Access Memory；简称：RAM)、只读存储器(英文：Read-Only Memory；简称：ROM)、缓存(英文：Cache)、硬盘(英文：Hard Disk Drive；简称：HDD)或者存储卡(英文：Memory Card)。所述存储器可以用于存储计算机程序指令。

本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有可执行指令，计算机执行可执行指令时能够实现高频交流电压有效值的方法。

虽然本申请提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。本实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或客户端产品执行时，可以按照本实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境)。

本申请中所述的方法、装置或模块可以以计算机可读程序代码方式实现控制器按任何适当的方式实现，例如，控制器可以采取例如微处理器或处理器以及存储可由该(微)处理器执行的计算机可读程序代码(例如软件或固件)的计算机可读介质、逻辑门、开关、专用集成电路(英文：Application Specific Integrated Circuit；简称：ASIC)、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器的形式，控制器的例子包括但不限于以下微控制器：ARC 625D、Atmel AT91SAM、Microchip PIC18F26K20以及Silicone Labs C8051F320，存储器控制器还可以被实现为存储器的控制逻辑的一部分。本领域技术人员也知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现控制器以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件，而对其内部包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

本申请所述装置中的部分模块可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构、类等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加必需的硬件的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，也可以通过数据迁移的实施过程中体现出来。该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，移动终端，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施方式采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处。本申请的全部或者部分可用于众多通用或专用的计算机系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、移动通信终端、多处理器系统、基于微处理器的系统、可编程的电子设备、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对本申请限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种高频交流电压有效值测量的方法，其特征在于，包括：

获取被测信号，并将所述被测信号转换为数字信号，确定所述数字信号的频率；

根据所述数字信号的频率，确定时钟信号；

根据所述数字信号以及所述时钟信号，在所述时钟信号的信号突变时刻，采集所述数字信号的电压值，记为采样点坐标，将所述采样点坐标按照时间顺序依次连接起来，确定采样信号；

根据所述数字信号的频率，确定所述数字信号周期；

根据所述数字信号周期对所述采样信号进行曲线拟合，确定完整采样信号；

获取所述完整采样信号的参数，确定所述被测信号的电压有效值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述数字信号的频率，确定时钟信号，包括使所述时钟信号的频率是所述数字信号的频率的非整数倍。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述数字信号周期对所述采样信号进行曲线拟合，包括使所述数字信号周期是所述采样信号的周期的整数倍。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取所述完整采样信号的参数，包括获取所述完整采样信号的周期和幅值。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述被测信号转换为数字信号包括通过8位AD转换器，或，16位AD转换器进行信号转换。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述被测信号的电压有效值，包括根据以下公式进行计算，公式为：

其中，T表示所述完整采样信号的周期，A表示所完整采样信号的幅值。

7.一种高频交流电压有效值的装置，其特征在于，包括：

输入模块，用于获取被测信号，并将所述被测信号转换为数字信号，确定所述数字信号的频率；

时钟信号确定模块，用于根据所述数字信号的频率，确定时钟信号；

采样信号确定模块，用于根据所述数字信号以及所述时钟信号，在所述时钟信号的信号突变时刻，采集所述数字信号的电压值，记为采样点坐标，将所述采样点坐标按照时间顺序依次连接起来，确定采样信号；

数字信号周期确定模块，用于根据所述数字信号的频率，确定所述数字信号周期；

信号拟合模块，用于根据所述数字信号周期对所述采样信号进行曲线拟合，确定完整采样信号；

有效值确定模块，获取所述完整采样信号的参数，确定所述被测信号的电压有效值。

8.一种高频交流电压有效值的服务器，其特征在于，包括存储器和处理器；

所述存储器用于存储计算机可执行指令；

所述处理器用于执行所述计算机可执行指令，以实现权利要求1-6任一项所述的方法。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有可执行指令，计算机执行所述可执行指令时能够实现如权利要求1-6任一项所述的方法。

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