CN114252837B - 用于数字功率计谐波测量的高精度均等取样系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于数字功率计谐波测量的高精度均等取样系统及方法，包括电源模块、运算处理模块、测量控制模块及若干采样模块，所述运算处理模块、测量控制模块、采样模块分别与电源模块相连，所述测量控制模块与采样模块相连，所述运算处理模块与测量控制模块相连。本发明的用于数字功率计谐波测量的高精度均等取样系统及方法，通过此方法对输入信号精准倍频输出，实现每个周期内的采样位置进行精确控制，提高每个特征采样点的质量，从而减少采样周期、提高采样速度及精度，从而满足对输入信号的谐波测量分析需求。
Description
技术领域：
本发明涉及电子测量技术领域，尤其涉及一种用于数字功率计谐波测量的高精度均等取样系统及采用该系统的高精度均等取样系统及方法。
背景技术：
随着现代电力电子行业的飞速发展，电源类、负载类产品越来越多，大部分电力电子系统都离不开电源、负载，由于电源的转换效率、负载功耗、谐波成分等相关问题直接影响相关产品的性能，这就需要用专用的测量仪器检测这些系统的使用情况，因此对于家电制造厂商使用数字功率计对电源产品、家电产品的检测的需求加大；对数字功率计检测产品速度要求也进一步提高。
随着新能源产品、开关电源产品的不断普及应用，因此对此类具有高频成分信号的设备的功率分析及对于一些特殊波形驱动装置的高频谐波分析功能需求也在不断；特别对于谐波分析的需求是很多家用电器及开关设备产品所关注的；谐波是除基波本身以外、频率为基波(通常是50Hz或60Hz的正弦电源线信号)整数倍的正弦波，各种电气设备使用的电源整流电路、相位控制电路和其他电路里的输入电流会在电源线路上产生谐波电流和电压。当基波和谐波结合，波形会产生失真，这样就会给连接在电源线路上的装置带来影响，例如，谐波电流引起电路阻抗下降，导致电路过大、振动、蜂鸣声、过热或者烧毁，谐波对通信电缆产生电磁感应引发电压噪声，对于电压互感器，谐波会使铁心产生磁致伸缩噪声，增加铁损和铜损等；综述以上所例举的谐波的危害，因此对谐波测量是电气设备必不可少的分析指标。功率计则是对谐波测量分析的主要仪器，由谐波测量原理可知，谐波测量是对周期内的采样值采用FFT(快速傅里叶变换)算法计算所得，在此所述周期内的采样点数需要满足2n(n为正整数)关系，且需要满足2n个采样点对单周期的均等分配，周期内采样点数的不均等分配将导致周期信号内采样位置的偏差，从而影响测量结果的准确性及稳定性。目前功率分析仪的谐波测量采样技术大体可以分为两种：其一是采用一种硬件锁相环电路实现，由于锁相环的特性可知，硬件锁相环能够根据输入信号产生一个输入整数倍频率的输出信号，且输出信号与输入信号之间具有固定的相位关系，以此输出信号作为采样的触发信号，能够均等、准确采样周期内的特征信号值；其二是采用软件计算控制实现，首先采样计算输入信号的周期值，根据单周期内的采样点数及CPU的运行时钟频率计算每个采样点的采样间隔时钟数，通过连续采样2n个采样点实现单周期内特征信号值的采样过程。
上述两种功率计谐波采样方案各有优缺点，第一种方案可以实现快速准确采样、高精度分析，但是由于硬件锁相环一般只能对比较窄频率范围内信号实现倍频锁相，多于较宽频率范围的信号失去锁相作用，无法实现谐波分析功能；第二种方案，软件计算采样控制，相对第一种方案，对信号频率的限制较低，可以实现较宽频率范围信号的谐波分析，但由于CPU运行时钟的限制，无法准确对单周期内的采样点进行均等分配，因此，在多周期采样过程中，存在对于某些频率信号存在周期内采样点不均等分布、每个采样周期间相位偏移较大的问题，导致谐波分析值误差大、一致性低的现象。
发明内容：
为了解决上述问题，本发明实现一种用于数字功率计谐波测量的高精度均等取样系统及方法，主要基于FPGA、DSP，采用一种新的采样测量方法进行测量：FPGA以主时钟为基准，采用等精度原理实现对输入信号的高精度频率计数；此频率计数值作为FPGA中IP核NCO模块的输入参数(NCO数控振荡器是一种从相位概念出发直接合成所需波形数字频率合成技术，可以通过设置不同的频率控制字实现输出不同频率的正余弦的功能，FPGA实现NCO功能可以分为相位累加器和查找表两部分)，同时将主时钟频率值、单周期均等采样点数等参数送至NCO模块进行运算，产生一个相对输入信号整数倍频、相位偏移稳定的数字方波信号，FPGA利用此输出信号作为ADC的触发采样信号，可以实现对输入周期信号的均等、稳定采样，FPGA将采样得到的数字量送至DSP单元进行运行处理，获得谐波测量值；通过此方法实现对每个周期内的采样位置进行精确控制，提高每个特征采样点的质量，从而减少采样周期、提高采样速度及精度。
本发明提供一种用于数字功率计谐波测量的高精度均等取样系统，包括电源模块、运算处理模块、测量控制模块及若干采样模块，所述运算处理模块、测量控制模块、采样模块分别与电源模块相连，所述测量控制模块与采样模块相连，所述运算处理模块与测量控制模块相连。
电源模块主要为采样模块、测量控制模块及运算处理模块提供供电系统，保证其余所有模块单元的正常、稳定工作。
采样模块主要实现对输入信号(包括电压及电流信号)的前级调理，同时将调理后的信号送至ADC采样单元，ADC采样单元在测量控制模块的采样时序控制下实现输入信号的模数转换；采样模块主要包括外接信号输入单元、信号调理单元、采样转换单元(信号采样单元、信号频率单元)。
信号调理单元(电压信号调理单元、电流信号调理单元)主要实现对外接信号输入单元的电压、电流信号进行放大、滤波等调理工作，将外接的输入信号调整到满足ADC转换的合适范围，保证ADC模块对输入信号的完整性、准确性采样。
采样转换单元是由独立的ADC模块组成，高采样率、高带宽及高转换位数能够对信号调理单元的输出信号快速、准确转换，同时采样转换单元的采样转换控制时钟由测量控制模块控制。
测量控制模块主要完成对外接输入信号的频率测量，并通过测量频率值、单周期谐波分析点数N(此单周期点数数值上等于NCO得输出信号相对输入信号频率的倍频值)，采用FPGA中的NCO模块，可以获得一个输出的数字方波信号，此输出方波信号的频率值fout相对输入信号的频率值fin满足整数倍的关系fout＝Nfin；具体计算控制如下：在此，NCO的相位累加器的位宽为Nbit，FPGA的系统工作时钟为fsys，则NCO产生的信号的频率分辨率为Nbit位宽的相位累加器对时钟fsys进行2NBit倍分频，那么对于系统时钟每个时钟周期的相位偏移量为/>若频率控制字为(即相位步进增量)FCW，则每个时钟周期的相位偏移量为/>推导出当频率控制字为FCW时的输出频率fout满足如下关系：/>由以上关系，当输出信号频率是输入信号频率的N倍频时，即/>可以计算获得频率控制字(即相位步进增量)FCW满足如下等式：
FCW作为NCO的最终控制字，产生倍频信号，fout方波信号作为所述ADC采样单元的模数采样转换触发信号，由于NCO模块能够实现对输入信号频率的N均等分频，从而实现对单周期信号的精准采样，完成对输入信号谐波的精确测量分析；测量控制模块主要由可编程逻辑运算器件FPGA及其外围电路组成，包括运算单元、控制单元、采样单元、频率时钟计数单元、存储单元及发送单元。
所述运算处理模块主要完成对测量控制模块所采样转换获得的数字量采用数学算法进行运算分析，计算出所输入信号的各次谐波分量；由于FPGA主时钟运行频率及ADC最高采样频率的限制，对于不同的频率信号，单周期内的采样点数不同，低频信号单周期内采样点数较多，高频信号单周期内采样点数减少，因此运算处理模块同时需要根据测量控制模块获得的外接输入信号频率值灵活改变NCO模块的控制量N，从而产生不同倍频的输出控制信号，实现对不同频率信号单周期内不同采样点数的需求；运算处理模块由数字信号处理器DSP及其外围电路组成，主要基于DSP的超快运算能力，并且具有较为完善的数学算法库，便于编程，包括相接收单元、计算单元及配置单元。
本发明的有益效果是：本发明的用于数字功率计谐波测量的高精度均等取样系统及方法，解决了背景技术中存在的不足，通过此方法对输入信号精准倍频输出，实现每个周期内的采样位置进行精确控制，提高每个特征采样点的质量，从而减少采样周期、提高采样速度及精度，从而满足对输入信号的谐波测量分析需求。
附图说明：
图1是本发明的用于数字功率计谐波测量的高精度均等取样系统的系统框图；
图2为本发明的采样模块的原理框图；
图3为本发明的测量控制模块的原理框图；
图4为本发明的运算处理模块的原理框图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1所示的一种用于数字功率计谐波测量的高精度均等取样系统，包括电源模块、运算处理模块、测量控制模块及若干采样模块，所述运算处理模块、测量控制模块、采样模块分别与电源模块相连，所述测量控制模块与采样模块相连，所述运算处理模块与测量控制模块相连。
如图2所示的采样模块，包括电压采样模块及电流采样模块，所述电压采样模块包括外接电压输入单元、电压信号调理单元、电压信号采样单元及电压信号频率单元，所述外接电压输入单元与电压信号调理单元相连，所述电压信号调理单元分别与电压信号采样单元、电压信号频率单元相连，所述电流采样模块包括外接电流输入单元、电流信号调理单元、电流信号采样单元及电流信号频率单元，所述外接电流输入单元与电流信号调理单元相连，所述电流信号调理单元分别与电流信号采样单元、电流信号频率单元相连。
采样模块中外接电压输入单元将电压信号送至电压信号调理单元进行处理，电压信号调理单元输出的信号一路送至电压信号采样单元，电压信号采样单元进行ADC转换，另一路送至电压信号频率单元，电压信号频率单元将信号转换成同频率方波信号用作频率检测；电流信号送至电流信号调理单元进行处理，电流信号调理单元输出的信号一路送至电流信号采样单元，电流信号采样单元进行ADC转换，另一路送至电流信号频率单元，电流信号频率单元将信号转换成同频率方波信号用作频率检测。
如图3所示的测量控制模块，包括运算单元、控制单元、采样单元、频率时钟计数单元、存储单元及发送单元。
测量控制模块中的运算单元主要根据相关配置参数基于NCO模块产生谐波测量的倍频取样信号，控制单元根据倍频取样信号完成对采样单元的采样逻辑进行精确控制；采样单元在控制单元的控制下实现对输入信号波形的ADC采样；频率时钟计数单元根据等精度原理、基于处理器的主时钟对输入的周期信号进行精确时钟计数；存储单元对采样单元所采样获得的信号值进行存储；发送单元用于将采样单元的信号值及频率时钟计数单元的频率时钟计数值发送与运作控制单元进行后续处理。
如图4所示的运算处理模块，包括接收单元、计算单元及配置单元。
运算处理模块中的接收单元接收测量控制模块中发送单元所发送的信号值及频率时钟计数值；计算单元对频率时钟计数值及FPGA的系统时钟计算出外接输入信号的频率值；由配置单元将计算所得的频率值及谐波分析所需求的单周期取样点数值传递至测量控制模块，由测量控制模块根据传递值及相关参数基于NCO模块产生谐波测量的倍频取样信号。
电源模块为所有其它模块提供电源。
测量控制模块中运算单元主要包含的配置参数为谐波分析所需单周期内的均等取样点数N(即输出信号频率fout相对于输入信号频率fin的频率倍频值)、NCO相位累加器的位宽Nbit、FPGA的系统工作时钟为fsys，外接输入信号的频率值fsign；测量控制模块的频率时钟计数单元根据等精度原理、基于处理器的主时钟对输入的周期信号进行精确时钟计数，计数时钟数为ClockCount，运算处理模块的计算单元根据计数时钟ClockCount、计数周期数PeriodCount及FPGA系统的工作时钟fsys计算得输入信号的频率为测量控制模块中运算单元根据以上参数值计算出频率控制字(即相位步进增量)FCW满足如下等式：
FCW作为NCO的最终控制字，产生倍频信号fout，此倍频输出信号是输入信号fin的准确N倍频，能够实现对输入信号频率的N均等分频，作为ADC采样单元的模数采样转换触发信号，从而实现对单周期信号的精准均等采样，达到对输入信号中谐波分量的精确测量分析。
为了便于说明，示例性的，举例如下：
测量控制模块的处理器采用主时钟为80MHz的FPGA则FPGA系统的工作时钟fsys＝80MHz，运算处理模块的处理器采用运算处理性能优越的DSP，假设采样模块的输入信号为周期50Hz的交流信号；
采样模块对输入信号进行频率测量调理，测量控制模块的频率时钟计数单元采用等精度原理对输入信号进行频率时钟计数，频率时钟计数值为ClockCount，频率时钟计数周期数为PeriodCount；测量控制模块的发送单元将频率时钟计数值ClockCount、频率时钟计数周期数PeriodCount发送至运算处理模块的接收模块，再交由运算处理模块的计算单元进行运算，理论单周期频率时钟计数值为SigClock＝ClockCount÷PeriodCount＝80000000÷50＝1600000,通过频率时钟计数单元获得的单周期频率时钟计数值为1600010，反推算出输入信号的频率为与理论值相近，采用等精度原理对输入信号进行频率测量可以获得较高的测量精度；
运算处理模块DSP根据当前的输入信号频率选择不同的单周期取样点数对输入信号进行谐波FFT分析，在此单周期选择1024个取样点数，即N＝1024，在此根据频率均等分析精度需求，保证单周期内每个取样点位置的精准度，NCO相位累加器的位宽Nbit取32；运算处理模块的计算单元根据输入信号频率值fin、单周期取样点数值N及NCO相位累加器的位宽Nbit参数值计算出频率控制字(即相位步进增量)FCW满足如下等式：
运算处理模块的配置单元将频率控制字(即相位步进增量)FCW的值传递至测量控制模块，测量控制模块根据此频率控制字且基于NCO内核产生相对输入信号fin的1024倍频输出信号fout，此输出倍频信号作为采样模块的ADC模数转换单元的采样触发信号，当频率调理的过零电路捕捉到信号的过零点(上过零或下过零)时，启动ADC采样，ADC的采样频率由倍频信号fout控制，能够实现输入信号单周期内的1024点均等采样；基于FPGA的并行处理能力，在实现ADC采样的同时不断测量输入信号频率，频率值传递至运算处理模块DSP，运算处理模块的计算单元根据频率值判断谐波分析采用不同的FFT点，当输入信号频率变大，则不改变单周期的谐波采样点，则需要更高带宽的ADC单元及更高的系统时钟，然而电路确定以后，ADC单元的带宽及系统时钟不变，在此情况下需要减少单周期内的谐波分析点数来满足需求，因此运算处理模块的DSP需要不断根据频率值来调整单周期的谐波分析点数；
若测量频率变为1kHz,单周期谐波FFT选择512个取样点数，即N＝512，运算处理模块的计算单元根据输入信号频率值fin、单周期取样点数值N及NCO相位累加器的位宽Nbit参数值计算出频率控制字(即相位步进增量)FCW满足如下等式：
运算处理模块的配置单元将频率控制字(即相位步进增量)FCW的值传递至测量控制模块，测量控制模块根据此频率控制字且基于NCO内核产生相对输入信号fin的512倍频输出信号fout，此输出倍频信号作为采样模块的ADC模数转换单元的采样触发信号，当频率调理的过零电路捕捉到信号的过零点(上过零或下过零)时，触发ADC采样，ADC的采样频率由倍频信号fout控制，实现输入信号单周期内的512点均等采样，能够保证周期信号周期间每个周期内采样点的位置相对一致，从而高效、高精度实现输入信号的谐波FFT分析。
于是通过一种具有谐波均等采样的方法对输入信号进行精确倍频及均等分布控制取样，可以实现对输入的信号进行快速、高精度采样测量、对信号谐波成分的高效、准确分析；有着速度快、精度高、硬件成本低等优势。
本发明实现的一种用于数字功率计谐波测量的高精度均等取样方法主要用于提高对外接输入信号中的谐波成分进行精确分析，比如电网、变频器等电力电子中的谐波成分。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种用于数字功率计谐波测量的高精度均等取样系统，其特征在于，包括电源模块、运算处理模块、测量控制模块及若干采样模块，所述运算处理模块、测量控制模块、采样模块分别与电源模块相连，所述测量控制模块与采样模块相连，所述运算处理模块与测量控制模块相连；
所述采样模块实现对输入信号的前级调理，同时将调理后的信号送至ADC采样单元，ADC采样单元在测量控制模块的采样时序控制下实现输入信号的模数转换，采样模块包括电压采样模块及电流采样模块，所述电压采样模块包括外接电压输入单元、电压信号调理单元、电压信号采样单元及电压信号频率单元，所述外接电压输入单元与电压信号调理单元相连，所述电压信号调理单元分别与电压信号采样单元、电压信号频率单元相连，所述电流采样模块包括外接电流输入单元、电流信号调理单元、电流信号采样单元及电流信号频率单元，所述外接电流输入单元与电流信号调理单元相连，所述电流信号调理单元分别与电流信号采样单元、电流信号频率单元相连；
所述测量控制模块完成对外接输入信号的频率测量，并通过测量频率值、单周期谐波分析点数N，采用FPGA中的NCO模块，实现对输入信号频率的N均等分频，从而实现对单周期信号的精准采样，完成对输入信号谐波的精确测量分析，测量控制模块包括相连的运算单元、控制单元、采样单元、频率时钟计数单元、存储单元及发送单元；
所述运算处理模块完成对测量控制模块所采样转换获得的数字量采用数学算法进行运算分析，计算出所输入信号的各次谐波分量，运算处理模块包括相连的接收单元、计算单元及配置单元；
所述电压信号调理单元、电流信号调理单元实现对外接信号输入单元的电压、电流信号进行调理，将外接的输入信号调整到满足ADC转换的合适范围；
所述电流信号采样单元、电压信号采样单元由独立的ADC模块组成，电流信号采样单元、电压信号采样单元的采样转换控制时钟由测量控制模块控制；
NCO模块可以获得一个输出的数字方波信号，此输出方波信号的频率值fout相对输入信号的频率值fin满足整数倍的关系fout＝Nfin，具体计算控制如下：
NCO模块的相位累加器的位宽为Nbit，FPGA的系统工作时钟为fsys，则NCO产生的信号的频率分辨率为Nbit位宽的相位累加器对时钟fsys进行2NBit倍分频，那么对于系统时钟每个时钟周期的相位偏移量为/>若频率控制字为FCW，则每个时钟周期的相位偏移量为/>推导出当频率控制字为FCW时的输出频率fout满足如下关系由以上关系，当输出信号频率是输入信号频率的N倍频时，即/>即，可以计算获得频率控制字FCW满足如下等式：
FCW作为NCO的最终控制字，产生倍频信号，fout方波信号作为ADC采样单元的模数采样转换触发信号，由于NCO模块能够实现对输入信号频率的N均等分频，从而实现对单周期信号的精准采样，完成对输入信号谐波的精确测量分析。
2.一种用于数字功率计谐波测量的高精度均等取样方法，采用如权利要求1所述的用于数字功率计谐波测量的高精度均等取样系统，其特征在于，包括如下步骤：
(1)测量控制模块的处理器采用主时钟频率为fsys的FPGA，假设采样模块的外部输入信号为频率为fin的交流信号；
(2)采样模块对输入信号进行频率测量调理；
(3)测量控制模块的频率时钟计数单元采用等精度原理对输入信号进行频率时钟计数，假设频率时钟计数值为ClockCount，频率时钟计数周期数为PeriodCount；测量控制模块的发送单元将频率时钟计数值ClockCount、频率时钟计数周期数PeriodCount发送至运算处理模块的接收模块，再交由运算处理模块的计算单元进行运算，理论单周期频率时钟计数值为：
SigClock＝ClockCount÷PeriodCount；
通过频率时钟计数单元获得的单周期频率时钟计数值为SigClock，反推算出输入信号的频率为与理论值相近，采用等精度原理对输入信号进行频率测量可以获得较高的测量精度；
(4)运算处理模块根据当前的输入信号频率选择不同的单周期取样点数对输入信号进行谐波FFT分析，单周期内选择N个取样点数，其中N为2的整数次幂，NCO相位累加器的位宽为Nbit；
(5)运算处理模块的计算单元根据输入信号频率值fin、单周期取样点数值N及NCO相位累加器的位宽Nbit参数值计算出频率控制字FCW满足如下等式：
(6)运算处理模块的配置单元将频率控制字FCW的值传递至测量控制模块，测量控制模块根据此频率控制字且基于NCO内核产生相对输入信号fin的N倍频输出信号fout，此输出倍频信号作为采样模块的ADC模数转换单元的采样触发信号，当频率调理的过零电路捕捉到信号的过零点时，启动ADC采样，ADC的采样频率由倍频信号fout控制，实现输入信号单周期内的N点均等采样；
(7)基于FPGA的并行处理能力，在实现ADC采样的同时不断输入测量信号频率，频率值传递至运算处理模块，运算处理模块的计算单元根据频率值判断谐波分析采用不同的FFT点。
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- 2021-12-17 CN CN202111561235.4A patent/CN114252837B/zh active Active
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