CN115290968A - 一种数字式矢量电压表的设计方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于数字式矢量电压表技术领域，尤其是涉及一种数字式矢量电压表的设计方法及应用，首先输入信号经过AD同步采样后储存在RAM中，然后反复多次步进扫描最大数值向最小值及最小值向最大值得到信号的幅值。接着调取N点的矩形窗卷积得到2N‑1点的三角加权窗，该窗与采样点对应相乘后进行特定的累加后得到N个数据，对这N个数据进行无窗全相位快速傅里叶变换(FFT)后得到相位谱和幅度谱，然后将两信号得到的中间点相位相减得到测量信号的相位,并采用旋转编码器调节内部参考信号相位进行验证。本发明设计出的矢量电压表可以用于精确测量工业生产中信号电流和电压的幅度和相位参数，也可以用于科研教学中对系统频率特性、阻抗特性等参数的测量。

Description

一种数字式矢量电压表的设计方法及应用

技术领域

本发明属于数字式矢量电压表技术领域，尤其是涉及一种数字式矢量电压表的设计方法及应用。

背景技术

在很多科学技术研究和实际电气特性测量中，经常需要测量设备或网络的传输特性，包括系统的频率特性、阻抗特性、功率损耗和时延等特性，其中都需要测量信号的幅度和相位，矢量电压表是一种能测量两路信号的幅值比和相位差的仪器。

传统的矢量电压表主要以指针式仪器为主，由于测量误差较大，不能满足精度的要求。随着计算机技术和微控制器的发展，数字化和智能化仪器以其高精度以及高智能化的特性越来越得到广泛的应用。

现有的矢量电压表分为间断的点频测量和连续的扫频测量两种，所谓间断的点频测量是指在一个或多个固定频率点上进行，测量较为简单，但是由于每个频率点测量所消耗的时间比较长，这样在测量宽频带系统时就显得繁琐、效率低，并且由于测量频率点选取的疏密不同而影响测量结果，特别是对于某些特性曲线的锐变部分以及个别失常点，很可能由于测量频率点选取不到而使得测量结果不能反映真实结果。所谓连续的扫频测量，是指经过连续不断地频率扫描并显示系统及器件在整个频带内的传输特性曲线，可以大大地提高工作效率和测试质量。但是对测量设备的软、硬件要求比较高，成本昂贵，如射频微波系统中的矢量网络分析仪等。

过零检测法：这种方法将任何类型的信号通过过零比较器得到方波信号，然后将两列方波信号进行与运算得到窄脉冲，然后计算窄脉冲的电压平均值。相位差的大小与电压平均值呈线性关系，对窄脉冲进行低通滤波得到电压，检测电压就能计算出相位差的大小。第一种是过零法检测相位差的优点是,是电路简单，对启动采用电路的实际要求并不高。缺点是抗干扰能力差，噪音可能误触发比较器从而导致脉冲宽度增加。

矢量检测法：所有正弦曲线都可以用矢量来表现其形式，假如幅度、频率相同但是初始相位不同的两个信号，通过三角函数的矢量合成运算规则合成矢量的模：Y＝Asinα，其中α为两个信号的相位差。当两列信号的相位相差较小时，用这种方法测到的相位差误差很小，灵敏度很高，带宽也相对较宽。而当相位差在180°附近时，用此种方法测得相位差误差很大，跳变大导致读数困难且不准确。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种数字式矢量电压表的设计方法及应用。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：一种数字式矢量电压表的设计方法，包括以下步骤：

S1、输入信号，经AD同步采样后储存在RAM中，采用多次查询方式通过电压幅度的峰峰值得到测量信号的幅值；

S2、调取N点的矩形窗卷积得到2N-1点的三角加权窗，该窗与S1中存在在RAM中的两路信号采样点对应相乘，并进行卷积运算得到N个数据，将N个数据进行无窗全相位快速傅里叶变换，得到相位谱和幅度谱；

S3、将S2中的相位谱和幅度谱的中间点相位相减，得到测量信号的相位；

S4、采用旋转编码器调节调节内部参考信号相位，进行验证。

在上述的一种数字式矢量电压表的设计方法及应用中，步骤S1中，信号采集的具体操作为：采用单片机内部PWM定时器控制高速AD等间隔采集输入信号。

在上述的一种数字式矢量电压表的设计方法及应用中，步骤S1中，信号查询是利用步进扫描方式获取最大值和最小值，幅值为其差值。

一种基于上述数字式矢量电压表的设计方法的应用，其特征在于，应用于测量信号电流和电压的幅度和相位参数。

一种基于上述数字式矢量电压表的设计方法的应用，应用于测量一般系统的频率特性、阻抗特性等参数，频率的测量具体是基于步骤S1，利用AD采样周期的特点，对输入信号一个周期内首尾两点进行触发，分别记录两次位置，两次的位置差乘以采样间隔即是信号的周期，求倒数后即可得出信号的频率。

一种基于上述数字式矢量电压表的设计方法的应用，应用于信号处理类教学实验设备。

与现有的技术相比，一种数字式矢量电压表的设计方法及应用的优点在于：

1、抗干扰能力强：反复多次步进扫描最大数值向最小值及最小值向最大值得到信号的幅值，避免噪声干扰。

2、精度高：全相位FFT变换的频谱泄漏现象相比于普通FFT小得多，从而频谱分辨率高，相位差误差小。

3、通用性广：对于参考信号是本地产生、从输入信号中提取，或者输入、参考信号都是本地产生的，都可以采用该方法测量输入信号的相位。

4、实用性强：应用所测结果可以计算输入电信号的相位，以及激光测距中的光传输距离等多种应用。

附图说明

图1是本发明涉及的数字矢量电压表装置框图；

图2是本发明涉及的待测信号幅度检测程序流程图；

图3是本发明涉及的待测信号频率测量程序流程图；

图4是本发明涉及的待测信号模数转换后的全相位FFT程序流程图；

图5是本发明涉及的待测信号与参考信号相位差测量程序流程图；

图6是本发明中旋转编码器程序流程图。

图中：1、待测信号；2、参考信号；3、模数转换AD通道一；4、模数转换AD通道二；5、处理器内核；6、数模转换DA通道一；7、数模转换DA通道二；8、旋转编码器；9、TFT液晶显示模块；10、输出通道一；11、输出通道二；12、处理器。

具体实施方式

以下实施例仅处于说明性目的，而不是想要限制本发明的范围。

如图1-6所示，一种数字式矢量电压表的设计方法，包括以下步骤：首先采用单片机内部PWM定时器控制高速AD等间隔采集输入信号存放入RAM，通过软件进行最大数值向最小数值的向下查询，和最小数值向最大数值的向上查询，得到输入信号的最大值和最小值，两者之差即是信号的幅值。利用AD采样周期可知的特点，对输入信号一个周期内首尾两点进行触发，分别记录两次位置，两次的位置差乘以采样间隔即是信号的周期，求倒数后即可得出信号的频率；

然后分别取RAM中存放的两路信号N个采样点，进行无窗全相位FFT运算，分别得到两路信号的相位谱和幅度谱，将两信号得到的相位谱中间点相减得到相位差，具体流程见图4和5，其中图4为64点全相位FFT的程序流程图，全相位FFT变换具有初始相位不变和防止频谱泄漏现象，如进行N(64)点FFT变换，首先读取RAM中存放的2N-1(127)个采样点，将N点的矩形窗求卷积得到2N-1点的三角加权窗W1，然后将该窗W1与采样点对应卷积后得到N个数据，对这N个数据进行一般FFT即可得到相位谱和幅度谱；图5为相位差测量程序流程图，将输入待测信号与参考信号分别按图4方式进行全相位FFT运算，在相位谱中分别搜索得到幅度最大的中间点，计算两者相位差即代表两信号的相位差。

利用本方法设计的矢量电压表可以用于精确测量工业生产中信号电流和电压的幅度和相位参数，也可以用于科研教学中对系统频率特性、阻抗特性等参数的测量。

上述设计方法的工作原理为：两列信号经过AD同步采样后储存在RAM中，倘若进行N点的全相位FFT变换，就至少要采样2N-1个点，如采用64点全相位FFT变换，就需要1024个采样，然后将N点的矩形窗卷积得到2N-1点的三角加权窗，该窗与采样点对应相乘后进行特定的累加后得到N个数据，对这N个数据进行一般FFT即可得到相位谱和幅度谱，然后将两信号得到的中间点相位相减得到相位差。

上述设计方法其涉及的数字矢量电压表装置框图见图1，其中1是待测输入信号，2是参考信号，参考信号可以是本地信号，也可以从待测信号中提取得到，1和2也可以由处理器10产生，3和4是两路模数转换器，由处理器内核5控制1和2进行同步模数转换，转换后的数字信号分别存到处理器的两个RAM中。6和7是两路数模转换器，在处理器内核5的控制下，进行同步输出到液晶显示8，自动触发时分别显示两路信号的波形、频率和幅度，按键触发时，显示两路信号的相位差。9是旋转编码器，当待测输入信号1和参考信号2由处理器内部产生时，可以通过旋转编码器改变两路信号的相位差。

上述设计方法应用于信号幅度和频率测量时，具体流程图见图2和3,其中：图2为待测输入信号的幅度测量程序流程图，首先设定一个电压最大值VMAXS，依次与采样数据进行最大数值向最小数值进行比较查询，并将大的数据存放在VMAXS变量中，若查到在某一数值在1024个采样点中出现的次数大于5次，就视为这个数值代表的电平小于或等于峰值电平，同理，通过最小值向最大值进行步进查询，得到信号的最小值，两者之差即是信号的幅值；

图3是用本发明涉及的待测输入信号频率测量程序流程图，设置触发电平对输入待测信号进行触发，并记录第一次采样点位置OFFSET1，再次触发记录第一次采样点位置OFFSET2，利用模数转换器的采样频率已知的特点，两者的位置差乘以采样间隔DIV即是信号的周期，求倒数后即可得出信号的频率。

上述待测信号和参考信号均由处理器内部产生，产生时旋转编码器程序流程图见图6，将内部产生的两路信号分别送入到编码器两个信号引脚A和B，其中A连接中断引脚，B连接输入脚，改变旋转速度实现相位差固定可调。当产生上升沿中断时，旋转编码器逆时针旋转，通过检测B的高电平，判断A信号相位滞后于B信号；编码器顺时针旋转，通过B检测为低电平，判断A信号相位超前于B信号。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种数字式矢量电压表的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、输入信号，经AD同步采样后储存在所在处理器上的RAM中，采用多次查询方式通过电压幅度的峰峰值得到测量信号的幅值；

S2、调取N点的矩形窗卷积得到2N-1点的三角加权窗，该窗与S1中存在在RAM中的两路信号采样点对应相乘，并进行卷积运算得到N个数据，将N个数据进行无窗全相位快速傅里叶变换，得到相位谱和幅度谱；

S3、将S2中的相位谱和幅度谱的中间点相位相减，得到测量信号的相位；

S4、采用旋转编码器调节内部参考信号相位，进行验证。

2.根据权利要求1所述的一种数字式矢量电压表的设计方法，其特征在于，步骤S1中，信号采集的具体操作为：采用单片机内部PWM定时器控制高速AD等间隔采集输入信号。

3.根据权利要求1所述的一种数字式矢量电压表的设计方法，其特征在于，步骤S1中，信号查询是利用步进扫描方式获取最大值和最小值，幅值为其差值。

4.一种基于权利要求1所述的数字式矢量电压表的设计方法的应用，其特征在于，应用于测量信号电流和电压的幅度和相位参数。

5.一种基于权利要求1所述的数字式矢量电压表的设计方法的应用，其特征在于，应用于测量一般系统的频率特性、阻抗特性等参数，频率的测量具体是基于步骤S1，利用AD采样周期的特点，对输入信号一个周期内首尾两点进行触发，分别记录两次位置，两次的位置差乘以采样间隔即是信号的周期，求倒数后即可得出信号的频率。

6.一种基于权利要求1所述的数字式矢量电压表的设计方法的应用，其特征在于，应用于信号处理类教学实验设备。

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