CN115166346A - 一种数字化精密电压测量和波形取样的方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种数字化精密电压测量和波形取样的方法，具体包括以时钟信号和被测信号之间的以最小公倍数周期或者组合差拍周期为采样的完成时间标定，同时保证时钟信号和被测信号之间的频率呈现分数、或者倍数，并且有一定的小的特定频差的关系，通过时钟信号的取样保证了相对于被测信号的一个到若干个连续的带有整时钟周期延迟并附有微小相位差值的步进式的、高密度地相位扩展的扫描采样、测量，从而通过时钟信号的取样结果，按照相位差值对应的电压取样数据，能够拟合并恢复出被测信号的波形。本申请实现了实时采样发展成为非实时的、等效波形的采样以及被测信号波形的恢复性重建，高频信号的波形准确地展开在低频下恢复，采集数据点大大增加。

Description

一种数字化精密电压测量和波形取样的方法

技术领域

本申请涉及数字化波形取样技术领域，尤其涉及一种数字化精密电压测量和波形取样的方法。

背景技术

数字化的波形取样和精密电压测量是应用十分广泛的电子测量途径。适用于高频取样方法除了对于被测信号的波形显示之外，还能够数字显示被测信号的相位、周期、频率信息以及其电压的峰值、平均值、有效值等有价值的参数。数字化是目前测量技术发展的必要途径，但是目前的数字取样方法是时钟与被测信号之间一种直接的、相互频率关系为主的频率处理采样。尤其是波形的取样时钟必须尽可能地采用更高的频率。但是其数字量化面临着测量分辨率(转换位数)和处理速率(数字化采样率)之间的矛盾。总之，数字化是科学技术发展的必然途径，而测量技术则是其中最典型的体现。数字化处理的表现是把连续变化的模拟量通过时钟采集转换成为离散的数字量，这也是量化的过程。由于量化现象的存在，也就出现了我们经常说的量化误差，也就是用一定位数的数字形式表述模拟量时的可能最大化的测量误差。按照传统的认识，量化误差是对数字化影响的最大障碍之一。我们的大量研究结果揭示了，量化现象不代表必然就会产生量化误差，量化误差的出现是对于A/D等器件使用不当而造成的。对于模拟量的量化处理所产生的模拟–数字量的偏差是一个变量。其最大可能是数字量化值，但是最小，在量化变化的跳变沿处会是接近于0的，与A/D器件相关的噪声、线路误差。这样，数字化误差只是会和量化位数有关而不是被决定，同时考虑到A/D器件的噪声、转换速度等因素。我们最关注的是，A/D器件动态应用情况下的“跳变沿”现象。因为这是数字化信号和被转换的模拟信号在电压和数字量之间“拟合”时所发生的现象。所以数字化的跳变沿情况实际上也是对于模拟信号的、超出A/D器件“量化误差”的高精度表现。从这一点来看，希望时钟信号的频率更高，以免漏掉理想的拟合点。

如图4，是一种理想化的反映A/D转换的跳变沿与模拟量的数值拟合情况的说明。但是在实际执行方面来看，必须注意的是在这个拟合处是否有时钟信号同步地到来，噪声对于跳变沿的影响情况如何等。从实现更加简单考虑，希望A/D转换器的采样率及时钟频率尽可能地高。另外，由于噪声的影响也可能使得“跳变沿”提前或者滞后到来。从器件资源的利用和效果保证出发，不可能一直保持A/D转换器的高速率采集和处理。也就是大多数情况下A/D转换器工作在低速采样的情况下，只有在接近“跳变沿”处才恢复高速运行；实际的A/D转换器与“跳变沿”处边沿效应以及直接应用中的数字化高频电压的测量冲突的地方是，更多位数的A/D转换器往往采样率都很低，而高速A/D转换器本身的转换位数肯定都很少。导致的结果就是，数字化电压的直接测量往往只能够用于直流和低频情况下；为了高分辨率地把被测信号的波形信息获得和利用，从图4中可以看出，就希望在被测信号的一个周期内能够有更多的电压采样点。这样才能把A/D器件量化后得到的明显台阶状的波形反映出来，每个台阶的前沿往往就是，或者非常接近于A/D转换器的“跳变沿”。按照传统的方法，就需要在每个被测信号的周期内必须要有足够的采样点。所以，时钟信号的频率就必须比被测信号频率高的多。例如，使用8位A/D转换器对于10MHz的交流信号采样，如果要把其256个量化步进都表现出来，那么时钟信号频率就至少要达到2560MHz。从目前的线路技术来看，这显然是很困难的。而为了从跳变信息从识别转换的“跳变沿”，还需要把采样率大幅度地提高。所以目前的商用数字电压表不可能高精度地测量高频交流电压的有效值。

传统的数字化波形取样和电压测量要全面照顾到向高频发展，又要提高测量精度，同时发挥A/D转换器的潜能。这些仅仅靠A/D转换器的速度提高或者质量全面提升是不够的。传统方法受到高频信号周期内无法容纳更多的时钟周期的限制。目前的高频电压有效值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A/D模数转换的位数和速率的矛盾。即按照传统的思路，A/D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A/D器件其转换速率都不高。采用高速A/D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，高频电压测量不能使用像数字电压表的测量方法实现已经成了不少人的共识。

发明内容

本申请通过提供一种数字化精密电压测量和波形取样的方法，解决了现有技术中更多位数的A/D转换器往往采样率都很低，而高速A/D转换器本身的转换位数肯定都很少，A/D器件与分辨率密切相关的转换位数和其采样率是相互矛盾的，高频信号周期内无法容纳更多的时钟周期的限制，导致最终的测量精度不是很高的技术问题，实现了把实时采样发展成为非实时的、等效波形的采样以及被测信号波形的恢复性重建，对于数字化高频电压测量的工作，在时钟信号和被测信号的分、倍数频率关系基础上结合微小频差，同时结合边沿效应，对于被测信号的取样有更广泛的效果；而且对被测信号电压测量向着更高的频率范围发展，可以实现时钟信号的频率远远低于之前测量方法的采样频率。

本申请提供的一种数字化精密电压测量和波形取样的方法，包括模拟波形，采用频率合成器产生时钟信号，并根据被测信号的频率对所述时钟信号的频率进行调整，使得所述时钟信号和所述被测信号的频率接近并且有一定的小的特定频差；数字量化值，采用A/D转换器对所述时钟信号和所述被测信号进行数字量化，得到具有明显台阶状的波形；提取转换边沿，利用数字化的边沿效应进行采样，对于变化着的被测信号，所述A/D转换器多个跳变沿捕捉在所述被测信号上的对应的时间处的电压-数字对应的值；曲线拟合，采用以所述时钟信号和被测信号之间的以最小公倍数周期或者组合差拍周期为采样的完成时间标定，同时保证所述时钟信号和所述被测信号之间的频率呈现分数、或者倍数，并且有一定的小的特定频差的关系，通过所述时钟信号的取样保证了相对于所述被测信号的一个到若干个连续的带有整时钟周期延迟并附有微小相位差值的步进式的、高密度地相位扩展的扫描采样、测量，从而通过所述时钟信号的取样结果，按照相位差值对应的电压取样数据，能够拟合并恢复出所述被测信号的波形；提取波形参数，对恢复出的所述被测信号的波形进行有效值、平均值和峰值的提取，获得需要的波形参数。

在一种可能的实现方式中，当所述时钟信号和所述被测信号间呈现分数关系并且又有一定频差时，每个所述时钟信号间隔性的在所述被测信号波形上进行相位状况的扫描，在所述被测信号的多周期内取样一个所述被测信号的电压，并且这样测量的电压信号之间具有相位的步进移动，这样的取样能够保证在对所述被测信号的所有的相位状态对应的电压都全部取样到以后，就能够恢复出所述被测信号的波形，实现所述被测信号的波形参数的计算。

在一种可能的实现方式中，当所述时钟信号和所述被测信号间呈现倍数关系并且又有一定频差时，按照一定的时钟序列取样也完全能够得到所述被测信号的相位状况对于电压变化扫描的结果，这里的取样是某一所述时钟信号序列在每个所述被测信号的周期内都采集得到一个相位步进的、覆盖所有相位状况对应的电压数据，能够支持从基本上计算出所述被测信号的波形参数。

在一种可能的实现方式中，所述时钟信号和所述被测信号之间的相位差保持线性的相位变化，即以最小公倍数周期或组合差拍周期为间隔的相位步进。

在一种可能的实现方式中，当所述时钟信号和所述被测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，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，被采集信号呈现连续的二维关系的完整性。

本申请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：

本申请通过频率合成器的频率调整，使得时钟信号和被测信号的频率接近并且有一个小的频差，对于每一次信号的采集它们之间的相位差都会发生移动，直至在一个最小公倍数周期或者组合差拍周期的时间内时钟信号采集到的大量的电压值是相互有差异的电压以及转换的数码，使得在采集的被测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。

通过在分、倍数关系基础上的有频率差值的时钟信号采样，结合数字化边沿效应，对于被测信号要求采样的个数明显多于A/D转换器直接采集数量，更便于准确地对跳变沿定位。时钟信号保证了相对于被测信号的连续的带有整周期并附有微小相位差值的步进式的、高密度地相位扩展的扫描采样、测量，因而，对于采集的数据就有机会利用数字化的边沿效应获得更高的测量精度。

对于特别高频率的被测电压信号，采用分数时钟附加微小的频率差值是最好的选择。而对于较低频电压信号的测量，采用倍数时钟附加微小的频率差值有利于精度的保证。

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。

本申请从数字化高频交流电压测量的频率范围上获得突破。一方面，是分、倍数加差值的时钟对被测信号的多周期的相移步进采样在等效按照相位差值顺序采样的情况下大大降低了实际的时钟频率；另一方面，尤其是对于分数时钟加偏差的情况，时钟信号频率能够在远低于被测信号时通过它的多个周期进行一次取样，来得到被测信号的一个相位差对应的电压值的取样。所以能够在明显低的时钟频率下完成对于更高频率的被测信号的波形要素的采集和波形重建、恢复。

本申请从频–相关系考虑使用相位处理的方法，尤其是利用了周期性信号之间的规律性相位变化特征，其间的最小公倍数周期或者组合差拍周期引入采样过程的相位处理，进而能够带来精度、测量范围、实施功能的方面的大幅度进步。本申请使用数字化的电压–相位处理取代传统的高频时钟信号的依靠频率关系直接采样的方法。本申请在数字化电压测量中融入了相位处理的方法，尤其是在波形处理和获得方面扩展了相位处理的宽带性。能够在分数时钟信号的较低频情况下获得更高的测量带宽，在采样率并不高的情况下能够高精度地恢复信号波形。

有效解决了现有技术中更多位数的A/D转换器往往采样率都很低，而高速A/D转换器本身的转换位数肯定都很少，A/D器件与分辨率密切相关的转换位数和其采样率是相互矛盾的，高频信号周期内无法容纳更多的时钟周期的限制，导致最终的测量精度不是很高的技术问题，实现了把实时采样发展成为非实时的、等效波形的采样以及被测信号波形的恢复性重建，对于数字化高频电压测量的工作，在时钟信号和被测信号的分、倍数频率关系基础上结合微小频差，同时结合边沿效应，对于被测信号的取样有更广泛的效果；而且对被测信号电压测量向着更高的频率范围发展，可以实现时钟信号的频率远远低于之前测量方法的采样频率。

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。

图1为本申请实施例提供的时钟信号和被测信号间呈现分数关系并且又有一定频差时，使每个时钟信号间隔性的在被测信号波形上扫描相位的电压状况图；

图2为本申请实施例提供的时钟信号和被测信号间呈现倍数关系并且又有一定频差时，按照一定的时钟序列取样得到被测信号的相位状况对于电压变化扫描的状况图；

图3为本申请实施例提供的采用的装置的原理图；

图4为数字量化的跳变沿与模拟量的理想拟合和偏差情况图；

图5为实验后得到的不同频率下各种测量方法的测量值频率特性曲线图；

图6为本申请实施例中宽频带应用边沿效应的数据处理过程图；

图7为时钟信号与被测信号相同频率标称值基础上并有规范偏差下的信号采样波形图；

图8为通过实验从大量AD分时采集的结果中恢复出的被测信号波形–电压；

图9为采用高频时钟的边沿效应频率响应和测量精度比较图；

图10为分别采用1.0001MHz和1.001MHz的时钟信号对于10MHz被测交流电压信号数字取样后得到的数据恢复出来的电压波形；

图11为用10.01MHz时钟信号采集20MHz脉冲波恢复重建的波形图；

图12为用1.0001MHz时钟信号采集5MHz三角波带噪声的恢复重建的波形图。

图13为用本申请实施例提供的方法结合数字量化跳变沿效应以16位AD转换器测量交流电压的最新结果(中间的高精度点划线表示的本申请实施例测量结果)和国外进口的6位半数字电压表GDM8261A(21bits)/(21位AD转换器，图中深色实现表示的测量结果)以及8位AD转换器在100MHz时钟下的测量结果(图的上部的虚线表示的测量结果)的比较。

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。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

本申请实施例是以时钟信号和被测信号之间的以最小公倍数周期或者组合差拍周期为采样的完成时间标定，保证了时钟信号和被测信号之间频率的分数、或者倍数，并且有一定的小的特定频差的关系。这样时钟的取样保证了相对于被测信号的一个到若干个连续的带有整时钟周期延迟并附有微小相位差值的步进式的、高密度地相位扩展的扫描采样、测量。如图1和图2所示。对于采样的结果，按照相位差值对应的电压取样数据，恢复和重建被测信号的波形，并且计算出其相应的交流电压参数。

参照图1，当时钟信号和被测信号间呈现分数关系并且又有一定频差时，每个时钟信号间隔性的在被测信号波形上进行相位状况的扫描，在被测信号的多周期内取样一个被测信号的电压，并且这样测量的电压信号之间具有相位的步进移动，这样的取样能够保证在对被测信号的所有的相位状态全部取样到以后，就能够恢复出被测信号的波形，实现被测信号的波形参数的计算。图1描述了时钟信号和被测信号间呈现分数关系并且又有一定频差时，使每个时钟信号间隔性的在被测信号波形上扫描相位的状况。进行对于被测信号的多周期取样一个被测信号的电压，并且这样测量的电压信号之间具有相位的步进移动。这样的取样能够保证在对被测信号的所有的相位状态全部取样到以后，就能够恢复出被测信号的波形，实现其电压有效值等参数的计算。

此时，时钟信号频率：

F_c＝f_x/m+Δf (1)

ΔT＝τ·Δf/f (2)

其中τ是比对的时间，f_x是被测信号的频率，Δf是时钟信号与被测信号之间分、倍数关系之外的附加频差，f是被测信号的频率标称值，Δf/f是被测信号的相对频差。当τ等于时钟信号的周期(即主体上m倍被测信号周期)，并且时钟的采样过程也是τ不断倍增取样、测量电压的过程。在时间轴上是线性的步进过程，则这里的ΔT代表了在时钟作用下，步进式的相位变化。为了使用和计算的方便，一方面Δf要远远小于两个比对信号的频率(这样才能在测量中出现时间采样的扩展作用)；另外一方面，Δf应该与这两个比对信号的频率成为分数关系(也就是取值规范)。在时钟信号与被测信号之间频率的主体部分分、倍数关系的情况下，最小公倍数周期恰好就与Δf的周期是相同的。如在Δf选择分别为10kHz、1kHz和100Hz时，它们的最小公倍数周期就是0.1ms、1ms、10ms。从完成一个被测信号周期的采集的电压–相位差信息的采样数据的个数来看，对于同样的被测信号，最小公倍数周期越长能够采集到的电压数据就越多，更有利于精度的提高。

参照图2，当时钟信号和被测信号间呈现倍数关系并且又有一定频差时，按照一定的时钟序列取样也完全能够得到被测信号的相位状况对于电压变化扫描的结果，这里的取样是某一时钟信号序列在每个被测信号的周期内都采集得到一个相位步进的、覆盖所有相位状况对应的电压数据，能够支持从基本上计算出被测信号的波形参数。图2是时钟信号和被测信号间呈现倍数关系并且又有一定频差时，按照一定的时钟序列取样也完全能够得到对于被测信号的相位状况对于电压变化扫描的结果。这里的取样是某一时钟信号序列在每个被测信号的周期内都采集得到一个相位步进的、覆盖所有相位状况对应的电压数据。因此，能够支持从基本上计算信号的电压有效值等。时钟信号频率：

F_c＝nf_x+Δf (3)

这样在时钟信号对于被测信号的周期性采样中，对应的时钟序列按照n个时钟信号，相当于1个被测信号f_x周期间隔的采样，应该是同步的在f_x的一个特定相位值。其中F_c是时钟信号的频率。而Δf的作用是按照关系式

ΔT＝τ·Δf/f (4)

这反映了信号间的相位步进状况。其中τ是比对的时间，时钟信号和被测信号间呈现倍数关系并且又有一定频差时，其最短的采样步进值应该很接近于被测信号的周期值。

这里要强调的是，现有技术中存在相位处理的方法，但都是针对相位处理的频率信号，或者频率测控和处理的方法。对于相位信息的采集和应用，实际上是一维的关系。也就是从采集的相位信息计算频率和频率稳定度指标。现有技术只是止步于信号的相位变化，及频率、频率稳定度指标的计算。在此之前从来还没有人把这种时频参数的测量、处理方法用于周期性信号的电压参数的测量，并且作为新的示波器的设计基础。

本申请实施例完全不一样的是根据时钟信号和被测信号之间的相位变化，而这种变化的采集是靠时钟信号和被测信号之间的频差安排(如DDS处理后产生时钟)，通过A/D转换后的电压采集是按照相位步进的途径(而步进的发生又是按照时钟信号或者被测信号的周期，间隔进行的)间隔，但是对于被测信号又表现出是连续进行的(如图1)。A/D采集的电压，通过多个周期的连续采集和积累后等效获得被测信号的波形。

本申请实施例中为了更好地理解，此处需要先重新认识一下相位，关于相位，是与频率信号对应，它是一个周期的细分；频率信号之间相位的应用并不受到其周期是否相同，并且数字化的特殊相位现象的捕捉，能够得到更高的精度。这是之前的现有技术的运用，但是并没有考虑到发展成为更加广泛的周期性信号参数，如电压参数测量和波形的由于信号相位连续的电压取样和恢复出来。本申请实施例是对上述方法的进一步发展。与周期性现象对应，它是交流电压信号测量以及波形显示为例的一种二维特性(本申请实施例中的测量目的发生变化，也是原创性地把时频处理方法用于交流电压的)，如根据时钟信号与被测信号间的相位步进细化对于电压等数据的提取和处理。目的是针对变化着的电压信号、波形信号等。

本申请实施例是用数字化的电压–相位处理取代传统的高频时钟信号的依靠频率关系采样的方法。注意到时钟信号和被测信号之间的以最小公倍数周期为标度(针对规范化频率的信号，被测信号频率随意性更明显时要具体分析)，时钟信号保证了相对于被测信号的连续的带有整周期并附有微小相位差值的步进式的、高密度地相位扩展的扫描采样、测量。因而，对于采集的数据就有机会利用数字化的边沿效应获得更高的测量精度。这里的时钟信号的产生可以根据被测信号的频率值以低噪声的DDS跟踪产生。对于其频率与被测信号的关系，要保证测量的响应时间、分辨率、以及与A/D转换器的配合等。

提高交流电压的高频范围以及获得更高的精度，这些传统方法仅仅靠A/D转换器的速度提高还必须有更多的转换位数，或者质量全面提升是不够的。技术的改进需要把实时采样发展成为非实时的、等效波形的采样以及被测信号波形的恢复性重建。这有利于在一个完整的被测波形中采集到更多的信息量(如图1)，使得在被测信号频率/相位–电压关系的掌握中，模数转换跳变沿相位特征提取和利用才有了基础。

用DDS产生频率可变的A/D时钟信号，并且保证了跟踪被测信号有分、倍数关系并且保证小的差频。但是DDS本身的频率上限很有限，而且面对着要测量更高的多的被测信号频率的电压和其波形显示。所以就推出了用较低频时钟采集更高频率的电压信号的问题。也就是对于被测信号来说，采用较低频的分数加微小差值的时钟信号去对于很高频率的波形的，按照时钟周期的、对于被测信号多周期移相同步的测量采样方法基础上的波形重建的工作。这和目前的数字示波器技术的原理完全不一样，后者是必须要特高频率的时钟信号，而更高的时钟频率受到了器件以及线路频率范围的限制，或者成本更高，还不一定能够得到好的结果。例如，图1中，在大量的单纯频率或者相位信息的测量和处理中也可能看到表面上相同的图是用A/D采集被测信号的电压，在时频参数测量中并不是收集所有的电压数值，而是作为一种相同相位发生时刻的，以同步为目的的结果。

图3，表示的是实现本申请实施例需要采用的装置的原理图，其中，包括晶体振荡器、DDS或合成信号发生器、A/D转换器、FPGA、MCU、PC机、显示器、放大滤波调理装置以及放大整形装置，被放大整形后的被测信号进行频率测量，晶体振荡器以频率测量后的被测信号作为参考，然后通过DDS或合成信号发生器产生时钟信号，使得时钟信号和被测信号之间的频率呈现分数、或者倍数，并且有一定的小的特定频差的关系，然后经过放大滤波调理后的被测信号以及产生的时钟信号共同经过A/D转换器进行数字量化，最后经由FPGA和MCU处理后经过显示器或PC机显示出恢复出来的被测信号的波形以及有效值、峰值等参数。可能会发现图3和一些设备有相似之处，但却实现了和别的技术所不一样的功能，这里的最大区别在于其他方法从A/D采集数据中获取的电压信息仅仅用于找到其中的代表相位相同处的信息以便于得到差拍信号，或者相位重合的特征点的获得，并没有强调发展到利用这种电压的采集得到波形参数和交流电压参数的测量。

参照图4，此处需要了解一下关于数字化量化处理的过程中A/D转换的跳变沿现象的更高精度获得，图4为一种理想化的反映A/D转换的跳变沿与模拟量的数值拟合情况的说明，从背景技术中我们已经了解到实际的A/D转换器与“跳变沿”处边沿效应以及直接应用中的数字化高频电压的测量存在冲突，即更多位数的A/D转换器往往采样率都很低，而高速A/D转换器本身的转换位数肯定都很少，导致的结果就是，数字化电压的直接测量往往只能够用于直流和低频情况下；时频测量中的A/D转换器对于线性相位比对输出的采样，直接就相位差本身的测量可能会有量化误差存在。但是就相位变化率直到频率、频率稳定度测量的二维关系，由于变化率是基于一个个“跳变沿”处的二维点之间的连线间的斜率，量化误差是能够被消除的。同样道理，数字化高频电压的测量中，为了获得交流电波形的准确性，基础是电压随着时间的变化率。从图4上看，更多的变化率线段的组合并且配合一定的算法，量化误差照样是能够被消除的。

为了高分辨率地把被测信号的波形信息获得和利用，从图中可以看出，就希望在被测信号的一个周期内能够有更多的电压采样点。这样才能把ADC量化后得到的明显台阶状的波形反映出来，每个台阶的前沿往往就是，或者非常接近于A/D转换器的“跳变沿”。按照传统的方法，就需要在每个被测信号的周期内必须要有足够的采样点。所以，时钟信号的频率就必须比被测信号频率高的多。例如，使用8位A/D转换器对于10MHz的交流信号采样，如果要把其256个量化步进都表现出来，那么时钟信号频率就至少要达到2560MHz。从目前的线路技术来看，这显然是很困难的。而为了从跳变信息从识别转换的“跳变沿”，还需要把采样率大幅度地提高。所以目前的商用数字电压表不可能高精度地测量高频交流电压的有效值。

经过A/D器件量化后得到的数字量应该是具有明显台阶状的波形。其中数字变化的位置表示输入信号处于A/D器件量化阈值位置。在此处，输入信号的电平与量化阈值进行比较。对于数值增长的情况，大于阈值将输出下一个数字量，小于阈值将保持当前数字量不变。对于实际的输入信号，由于噪声的影响，将在输入信号的波形上叠加一个微小的随机噪声，当含有噪声的输入信号被A/D器件进行量化，在量化阈值位置将产生剧烈的随机扰动，导致数码转换值的来回转变。

参照图5，图5的工作过程是采用固定的A/D转换器时钟信号(如1MHz频率)时对于被测信号频率变化情况下得到的电压有效值的精度和频率响应之间的关系图。可以看到，由于时钟信号的频率并不够高，在被测信号的一些特殊的频率下，对应于其一个周期能够被采集到的电压数值非常有限，所以计算出来的信号有效值误差就会增大，边沿效应的原理在传统技术的框架下可能无法应用。

因此，通过以上的分析，在采用A/D转换器对被测信号的电压采样的时候，为了在很宽的频率范围获得准确的边沿信息，应该有更高的时钟频率，或者要考虑保证时钟信号与被测信号之间的相位关系的覆盖。这样如图3所示，系统中增加了一个频率合成器(DDS或合成信号发生器)。在高频下测量的周期已经不像低频时候的情况那样按照被测信号的周期，而是多周期完成所有的更精细的电压值的量化采集。

本申请实施例中采用A/D转换器与边沿效应相结合，对于被测信号采样要求采样的个数明显多于A/D转换器直接采集数量，更便于准确地对跳变沿定位。

参照图6，虽然图6和相位重合检测的计数方式的频率测量、数字化线性相位比对等很相似。但是这里关键是对于信号频–相关系的认识，应用方面的差别以及软件处理的明显不同。同样在这里，当时钟和被测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，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二维关系的完整性。

本申请实施例中关于时钟和被测信号的频率关系，是考虑时钟信号与被测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(最小公倍数周期或者组合差拍周期)为间隔的相位步进，就被测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，不仅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。还解决了对于高频电压测量的上限频响。

本申请实施例中采用的系统硬件和时频测量中的差拍测量周期方法的系统硬件大体上相同。但是之前的测量关注的是采集输出的两个电压严格一致或者接近于严格一致处之间的时间间隔的变化，对于其他的采集信号并不关心。但是在这里，对于高频电压有效值等测量中，需要保留和处理的是所有采集的电压值。由于被测信号和时钟之间频差的原因，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。

另外，关于频差的选择，我们应该从采样数据点的倍增、被测信号本身的频率稳定度指标、测量需要的响应时间等方面考虑。

参照图7，虽然这个图也曾经出现在现有技术的有些文章中。但是完全不同的地方是，图中的深色的黑线为所采集的信号电压能够恢复的电压波形，我们用这样的方法能够不失真的恢复出来被测信号的波形。并且由此能够通过恢复出信号的波形，最终计算出被测信号的电压有效值等。现有技术只是止步于信号的相位变化，及频率、频率稳定度指标的计算。当时钟信号频率接近于被测信号频率时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。其中上面波形代表被测信号，深色的黑线表示所采集的信号电压能够恢复的电压波形；下面波形代表时钟信号(可以由频率合成器产生和调整，也可以更简单地采用带有尾数频差的晶体频标分频获得)。这样在采集的被测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。被测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A/D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。

参照图8，为了实现上述方法的测量和处理，有时需要辅助线路来测量信号间的差拍周期等，上图原理是通过合成器频率的调整借助于边沿效应高精度地测量被测信号电压的系统工作原理。其中被测信号为F_f，整形后的被测信号为F′_f，时钟信号为F_c，整形后的时钟信号为F′_c，被测信号采样点的组合恢复信号为F_s。它实际上就是保留被测信号的波形而频率大大降低的信号。传统方法要求在被测信号一周期内很多次时钟采样得到如原来图4的测量数据。显然这对于高频信号是不合适的。通过频率合成器的频率调整，时钟和被测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。如被测信号F_f的标注点，信号的整形、比对有利于我们对于组合信号为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，对于我们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。

目前本申请实施例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。而且不会出现像图9那样，和边沿效应结合的测量结果在采集数据点数有限的情况下反而不如直接测量的情况下。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。

图9是把前面叙述的方法以16位A/D转换器测量结果以及和其他方法的测量结果的比较可以看到，就数字化扩展被测信号的高频范围与传统方法相比，这种在分、倍数关系基础上的有频率差值的时钟信号采样，结合数字量化跳变沿效应，得到的高频频响特性是最好的。20位以上的A/D转换器虽然相对精度高，但是只能工作在直流或者低频情况下(如图中的6位半数字电压表的测量结果)。直接采用高速度、低位数的A/D转换器，仍然满足不了高频、高精度的交流电压测量(如图的上部的线段的测量结果)。因此，利用差拍或者最小公倍数周期的、相位步进方式的、扩展信号波形的电压采集方法，能够在尽可能高的频率下得到交流电压的高精度测量结果。而图13是对于测量结果比较的更细致的描述。

从上面的分析以及目前高频电压测量的现状我们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。目前的高频电压有效值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A/D模数转换的位数和速率的矛盾。即按照传统的思路，A/D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A/D器件其转换速率都不高。采用高速A/D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，高频电压测量不能使用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，重现的信号波形参数有利于信号的各种电压参数，如有效值、平均值和峰值等的高精度测量。在这种方法引入的测量误差中，时钟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。关于对应的测量结果我们在前面的关于信号的瞬态和短期频率稳定度已经很仔细地展示了。

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。

数字化高频电压测量的工作，在时钟和被测信号的分、倍数频率关系基础上结合微小频差，对于被测信号的取样有更广泛的效果。而且对被测信号电压测量向着更高的频率范围发展，该方法可以实现时钟信号的频率远远低于之前测量方法的采样频率。

参照图10，图10是分别采用1.0001MHz和1.001MHz的时钟信号对于10MHz被测交流电压信号数字取样后得到的数据恢复出来的电压波形。其中的系列1是采用的1.0001MHz时钟信号的测量结果；系列2是采用1.001MHz的时钟信号的测量结果。可以看到两个测量的电压峰值和有效值是完全相同的。而且从数字化方面来看，更小频差的时钟信号采样得到的波形是很逼真的。但是从相位–电压分辨率来看，系列1的分辨率更高一些。两种情况下的Δf分别为100Hz和1kHz。前者时钟和被测信号之间的最小公倍数周期是1/100Hz＝10ms。后者时钟和被测信号之间的最小公倍数周期是1/1kHz＝1ms。

上述两种情况的波形的等效周期都等于，或者等效于被测信号的周期，100ns。如果信号有失真，或者是方波、三角波、特定的脉冲波等，都应该能够真实地表现出来。

图11和图12分别给出了采用上述方法取样测量用10.01MHz时钟采集20MHz脉冲波恢复重建的波形图，和用1.0001MHz时钟采集5MHz三角波带噪声的恢复重建的波形图。可以看出，对于脉冲信号、非正弦信号，采用较低频率的时钟信号能够显示复杂的被测信号的波形，而且能够获得其重要的波形参数。这里的实验实质上是在数字化电压测量中融入了相位处理的方法，尤其是在波形处理和获得方面更加包括相位处理的宽带性。在分数时钟的较低频的情况下的更高的测量带宽，在采样率并不高的情况下应该能够高精度地恢复信号波形(这一点和传统的数字采样示波器被显示波形的频率明显小于仪器的采样率恰好相反，大幅度提高了仪器的测量上限频率)。如果作为波形显示的仪器，还兼有对于电压、时间等参数的定量测量的功能和指标，有利于大幅度提高其测量技术指标的提高。本申请实施例中融入示波器，是广义的取样规则的突破。这对于特高频率的被测信号很实用，能够大幅度提高测量频率上限。而且测量的精度也会提高。采用分数有差频的低频时钟，虽然测量的响应时间会慢一些，但是测量的准确度、频率响应的扩展程度等却获得提高。

图13中，为用本申请实施例提供的方法结合数字量化跳变沿效应以16位AD转换器测量交流电压的最新结果，由图13可知，通过本申请实施例提供的方法得到的高频频响特性是最好的，而且目前的国际上的直接数字转换的数字电压表很难达到我们的精度。

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。

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 (7)

1.一种数字化精密电压测量和波形取样的方法，其特征在于，包括

针对模拟波形，采用频率合成器产生时钟信号，并根据被测信号的频率对所述时钟信号的频率进行调整，使得所述时钟信号和所述被测信号的频率接近并且有一定的小的特定频差；

数字量化值，采用A/D转换器对所述时钟信号和所述被测信号进行数字量化，得到具有明显台阶状的波形；

提取转换边沿，利用数字化的边沿效应进行采样，对于变化着的被测信号，所述A/D转换器多个跳变沿捕捉在所述被测信号上的对应的时间处的电压-数字对应的值；

曲线拟合，采用以所述时钟信号和被测信号之间的以最小公倍数周期或者组合差拍周期为采样的完成时间标定，同时保证所述时钟信号和所述被测信号之间的频率呈现分数、或者倍数，并且有一定的小的特定频差的关系，通过所述时钟信号的取样保证了相对于所述被测信号的一个到若干个连续的带有整时钟周期延迟并附有微小相位差值的步进式的、高密度地相位扩展的扫描采样、测量，从而通过所述时钟信号的取样结果，按照相位差值对应的电压取样数据，能够拟合并恢复出所述被测信号的波形；

提取波形参数，对恢复出的所述被测信号的波形进行有效值、平均值和峰值的提取，获得需要的波形参数。

2.根据权利要求1所述的数字化精密电压测量和波形取样的方法，其特征在于，当所述时钟信号和所述被测信号间呈现分数关系并且又有一定频差时，每个所述时钟信号间隔性的在所述被测信号波形上进行相位状况的扫描，在所述被测信号的多周期内取样一个所述被测信号的电压，并且这样测量的电压信号之间具有相位的步进移动，这样的取样能够保证在对所述被测信号的所有的相位状态全部取样到以后，就能够恢复出所述被测信号的波形，实现所述被测信号的波形参数的计算。

3.根据权利要求1所述的数字化精密电压测量和波形取样的方法，其特征在于，当所述时钟信号和所述被测信号间呈现倍数关系并且又有一定频差时，按照一定的时钟序列取样也完全能够得到所述被测信号的相位状况对于电压变化扫描的结果，这里的取样是某一所述时钟信号序列在每个所述被测信号的周期内都采集得到一个相位步进的、覆盖所有相位状况对应的电压数据，能够支持从基本上计算出所述被测信号的波形参数。

4.根据权利要求1所述的数字化精密电压测量和波形取样的方法，其特征在于，所述时钟信号和所述被测信号之间的相位差保持线性的相位变化，即以最小公倍数周期或组合差拍周期为间隔的相位步进。

5.根据权利要求1所述的数字化精密电压测量和波形取样的方法，其特征在于，当所述时钟信号和所述被测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，通过捕捉所述时钟信号和所述被测信号之间在最接近0度处的相位重合形成频率测量的“相位同步闸门”，获得相位重合的时刻信息，从而能够实现精密频率测量。

6.根据权利要求1所述的数字化精密电压测量和波形取样的方法，其特征在于，当所述时钟信号是所述被测信号的频率的倍数，并且有选择的取样所述被测信号在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，从而能够获得线性段的电压–相位差数值。

7.根据权利要求1所述的数字化精密电压测量和波形取样的方法，其特征在于，当所述时钟信号和所述被测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，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，被采集信号呈现连续的二维关系的完整性。

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