CN115407121A - 一种基于数字采样的宽频电压比例测量方法及测量装置 - Google Patents

一种基于数字采样的宽频电压比例测量方法及测量装置 Download PDF

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CN115407121A CN202211047904.0A CN202211047904A CN115407121A CN 115407121 A CN115407121 A CN 115407121A CN 202211047904 A CN202211047904 A CN 202211047904A CN 115407121 A CN115407121 A CN 115407121A
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潘攀
王书强
赵佺
李晶晶
金海彬
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Abstract

本申请提供了一种电压比例测量方法，包括：通过第一和第二采样通道，以固定频率分别对电压比例装置的输入信号和输出信号进行同步采样，获得固定长度的数字序列；选取第一和第二采样通道中的一个通道作为参考通道，通过FFT求解参考通道的被测信号的频谱，并根据三谱线法计算基波频率；对每个采样通道的数字序列进行同步整周期截断；合成正交基算子；将每个采样通道截断后的数字序列与正交基算子进行相干解调，求得同相分量和正交分量，并计算第一采样通道和第二采样通道的第一基波幅值；互易采样通道，得到第一采样通道和第二采样通道的第二基波幅值；根据第一基波幅值和第二基波幅值计算电压比例。

Description

一种基于数字采样的宽频电压比例测量方法及测量装置
技术领域
本申请整体上涉及一种宽频电压比例测量方法及测量装置，尤其涉及一种基于数字采样的宽频电压比例测量方法及测量装置。
背景技术
在交流电压、宽频功率、旋变信号的计量测试中，需要具有5ppm准确度等级交流电压比例精密测量技术。
常规的交流电压比例测量方法和装置主要包括感应分压器法、电阻分压器法和交流电压表法。
感应分压器法使用多盘十进制感应分压器进行比较测量，其准确度高，可优于1ppm，但频带较窄，一般带宽为几kHz或十几kHz，调零过程较为复杂。
电阻分压器法则是使用交流电阻分压器进行比较测量，大幅提升了测试带宽，但是准确度不如感应分压器，并且交流电阻分压器往往是固定比例的，无法覆盖任意比率。
交流电压表法是使用交流电压表直接测量电压比例装置的输入信号和输出信号。该方法的频率范围较宽，可以覆盖任意比例，但比例测量精度受到交流电压有效值测量分辨力和稳定性的限制，绝大部分测试点不高于20ppm。
发明内容
为了解决感应分压器法、电阻分压器法和交流电压表法计量测试交流电压比例频带窄、比率范围有限、测量精度不高的问题。本申请提出一种基于数字采样的宽频电压比例精密测量方法及装置，通过频率估计、正交分解和通道间互易补偿技术，实现了将5ppm级交流电压比例测量精度，并具有频率宽，比例范围宽的优点，可满足多数交流电压计量校准需要。
本申请提供了一种电压比例测量方法，包括：
S1：通过第一采样通道和第二采样通道，以固定频率分别对电压比例装置的输入信号和输出信号进行同步采样，并进行模数转换，以获得固定长度的数字序列；
S2：选取第一采样通道和第二采样通道中的一个通道作为参考通道，通过FFT求解参考通道的被测信号的频谱，并根据三谱线法计算基波频率；
S3：根据所述基波频率，对每个采样通道的数字序列进行同步整周期截断；
S4：根据所述基波频率，合成正交基算子；
S5：将每个采样通道截断后的数字序列与正交基算子进行相干解调，求得同相分量和正交分量，并计算第一采样通道和第二采样通道的第一基波幅值；
S6：互易采样通道，通过第二采样通道和第一采样通道，以固定频率分别对电压比例装置的输入信号和输出信号进行同步采样，并进行模数转换，以获得固定长度的数字序列，重复上述步骤S2～S5，得到第一采样通道和第二采样通道的第二基波幅值；
S7：根据第一基波幅值和第二基波幅值计算电压比例。
根据本申请的一个实施例，其中，第一采样通道和第二采样通道的采样频率为电压比例装置的输入信号和输出信号的频率的10倍或以上。
根据本申请的一个实施例，其中，根据三谱线法计算基波频率f0的步骤包括：
查找最高谱线Xk和相邻的次高谱线Xk-1、Xk+1，带入下列计算公式计算：
f0＝(k+δ)f0/L
δ＝-Re[(Xk+1-Xk-1)/(2Xk-Xk-1-Xk+1)]
式中：k——最高谱线Xk的谱线数；
fs——采样频率；
L——采样信号的点数。
根据本申请的一个实施例，其中，步骤S3包括：
根据基波频率f0，采样频率fs，计算点数为L的固定长度的数字序列u1(n)～u2(n)中的最大整周期点数L’,对数字序列u1(n)～u2(n)进行同步整周期截断，计算方法包括：
首先，数字序列u1(n)～u2(n)的周期数c为：
c＝L/(fs/f0)
向下取整后得到整周期数C为：C＝INT(c)；
计算整周期点数l’为：l’＝C·(fs/f0)，对l’进行四舍五入取整，得到最大整周期点数L’，
对数字序列u1(n)～u2(n)，均从起始点取最大整周期点数L’后，舍去其余点。
根据本申请的一个实施例，其中，步骤S4包括：根据基波频率f0合成正交基算子序列，分别为：
a[n]＝sin[(n/L)(fs/f0)·2π](n＝0，1，2，……，L’)；
b[n]＝cos[(n/L)(fs/f0)·2π](n＝0，1，2，……，L’)。
根据本申请的一个实施例，其中，步骤S5包括：
使用正交基算子，对数字序列u1(n)～u2(n)进行乘法并求平均值，得到数字序列u1(n)～u2(n)的同相分量u1a～u2a和正交分量u1b～u2b；
通过向量模计算公式，计算第一采样通道和第二采样通道的第一基波幅值U1和U2
Figure BDA0003822898760000031
Figure BDA0003822898760000032
根据本申请的一个实施例，其中，
步骤S6包括：互易采样通道，得到第一采样通道和第二采样通道的第二基波幅值U’1和U’2；
步骤S7中，由公式
Figure BDA0003822898760000033
计算电压比例k。
根据本申请的一个实施例，步骤S1还包括：将获得的固定长度的数字序列进行存储。
本申请还提供了一种电压比例测量装置，用于执行上述方法，所述电压比例测量装置包括：切换开关、量程变换装置、模数变换器、电压基准模块、频率基准模块、可编程逻辑器件、存储器、主控制器，其中，
量程变换装置用于扩展电压测量范围；
电压基准模块、频率基准模块用于向模数变换器提供电压基准和频率基准；
模数变换器用于以固定频率采样并进行模数变换，以获得固定长度的数字序列，并将该数字序列提供给存储器；
存储器用于存储数字序列；
主控制器用于运行电压比例测量软件，实现可编程逻辑器件数据接收，并根据同相分量、正交分量计算被测电压比例；
可编程逻辑器件包括：
FFT变换单元，用于读取参考通道的数字序列并计算频谱；
三谱线测频单元，用于根据三谱线法求解参考通道的基波频率；
整周期取样单元，用于对第一采样通道和第二采样通道的数字序列进行同步整周期截断；
正交基合成单元，用于根据基波频率，合成正交基算子；
相敏检波单元，用于将第一采样通道和第二采样通道的截断后的数字序列与正交基算子进行相干解调，获得同相分量和正交分量；
串行总线接口控制单元，用于将基波频率、同相分量、正交分量通过串行总线上传至主控制器中；
切换开关，用于互易采样通道。
本申请还提供了一种其上存储有软件指令的计算机可读存储介质，所述软件指令在被执行时实施上述方法。
本申请基于数字采样方法，应用了三谱线测频技术、整周期截断等方法最大化减小了频谱泄露，避免了复杂的同步倍频电路设计，简化电路。
本申请根据测量的基波频率合成正交基，采用相敏检波技术，实现了基波幅值的精确测量，抗干扰能力强，减少了被测信号畸变、失真对基波幅值的影响。
本申请通过采用通道间互易的方法，抵消了不同采样通道增益误差对交流电压比例的影响，提升了电压比例测量分辨力和准确度。
本申请提供的基于数字采样的宽频电压比例精密测量方法及测量装置，能够将交流电压比例分辨率提升至1ppm，准确度提升至5ppm水平，频率范围覆盖10Hz～1MHz，比例范围覆盖：1.00000～0.00001，可满足多数电压比例计量校准需要。
附图说明
下文将以明确易懂的方式通过对优选实施例的说明并结合附图来对本申请上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。以下附图仅旨在于对本申请做示意性说明和解释，并不限定本申请的范围。其中：
图1示出了本申请提供的电压比例测量方法的测试原理。
图2为根据本申请一个实施例的电压比例测量装置的结构示意图。
具体实施方式
为了对本申请的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本申请的具体实施方式。
根据本申请的一个实施例提供的电压比例测量方法的测试原理如图1所示。通过两个采样通道以固定频率分别对宽频电压比例装置的输入信号和输出信号进行同步采样，在获得固定长度的数字序列后，通过FFT(快速傅里叶变换)求解被测信号的频谱，通过最高谱线、相邻的次高谱线采用三谱线法计算被测信号基波频率后，对采样获得的数字序列进行近似整周期截断，并根据计算的基波频率合成数字正交基对被测信号进行乘法后求平均值得到输入信号和输出信号的同相分量和正交分量，通过向量模计算公式计算输入信号和输出信号的基波幅值，通过基波幅值比例求解宽频电压比例装置的比例值。另外，还通过互易采样通道的方法，修正两个采样通道间的增益误差，提升比例测量准确度。
根据本申请的一个实施例提供的电压比例测量方法包括以下步骤：
S1：通过两个采样通道以固定频率分别对电压比例装置的输入信号和输出信号进行同步采样，并进行模数转换。
如图1所示，使用交流电压源加载至被测宽频电压比例装置的输入端，利用采样通道1测量输入端的输入信号u1(t)，利用采样通道2测量输出端的输出信号u2(t)。设置交流电压源频率和合适幅值并输出。
通过两个采样通道，以固定采样频率fs，分别对被测的输入信号u1(t)和输出信号u2(t)进行同步采样，并进行模数变换，以将模拟量转换为数字量，从而获得点数为L的有限长度的数字序列u1(n)～u2(n)，并对该数字序列u1(n)～u2(n)进行存储。
其中，采样频率fs应远大于被测信号的频率f0，优选地，采样频率fs应为被测信号频率f0的10倍或以上。L应包含10个周期以上波形数据。
S2：通过FFT求解参考通道的被测信号的频谱，根据三谱线法计算基波频率。
选择采样通道1为参考通道，通过FFT算法求解参考通道的被测信号的频谱，对参考通道的数字序列u1(n)，通过FFT求解频谱，根据三谱线法计算基波频率。
采用三谱线法计算被测信号基波频率f0的具体方法如下，查找最高谱线Xk和相邻的次高谱线Xk-1、Xk+1，带入下列计算公式计算：
f0＝(k+δ)f0/L
δ＝-Re[(Xk+1-Xk-1)/(2Xk-Xk-1-Xk+1)]
式中：k——最高谱线Xk的谱线数；
fs——采样信号的频率，单位为Hz；
L——采样信号的点数。
S3：根据基波频率，对数字序列u1(n)～u2(n)进行同步整周期截断。
根据测得的信号基波频率f0，采样频率fs，计算点数为L的有限长度的数字序列u1(n)～u2(n)中的最大整周期点数L’,对数字序列u1(n)～u2(n)进行同步整周期截断。
计算方法如下，首先，点数为L的有限长度的数字序列u1(n)～u2(n)的周期数c为：
c＝L/(fs/f0)
向下取整后得到整周期数C为：C＝INT(c)；
计算整周期点数l’为：l’＝C·(fs/f0)，对l’进行四舍五入取整，得到最大整周期点数L’。
对数字序列u1(n)～u2(n)，均从起始点取最大整周期点数L’后，舍去其余点。
S4：根据参考通道的被测信号的基波频率，合成正交基算子。
根据计算的基波频率f0合成正交基算子序列，分别为：
a[n]＝sin[(n/L)(fs/f0)·2π](n＝0，1，2，……，L’)；
b[n]＝cos[(n/L)(fs/f0)·2π](n＝0，1，2，……，L’)。
S5：将各通道截断后数字序列与正交基算子进行相干解调，求得同相分量和正交分量，计算数字序列u1(n)～u2(n)的基波幅值U1和U2。
使用正交基算子，对数字序列u1(n)～u2(n)进行乘法并求平均值，得到数字序列u1(n)～u2(n)同相分量u1a～u2a和正交分量u1b～u2b，通过向量模计算公式，计算数字序列u1(n)和u2(n)的基波幅值U1和U2。
Figure BDA0003822898760000071
Figure BDA0003822898760000072
S6：互易采样通道，修正两个采样通道间的增益误差。
交换图1所示的采样通道，使用采样通道2测量输入端的输入信号u1(t)，利用采样通道1测量输出端的输出信号u2(t)。
通过两个采样通道，以固定采样频率fs，分别对被测的输入信号u1(t)和输出信号u2(t)进行同步采样，从而获得点数为L的有限长度的数字序列u’1(n)～u’2(n)。
重复上述步骤S2～S5，计算数字序列u’1(n)和u’2(n)的基波幅值U’1和U’2。
S7：根据互易采样通道前的基波幅值U1和U2和互易采样通道后的基波幅值U’1和U’2计算电压比例k。
假设u1(t)的基波幅值为A1，u2(t)的基波幅值为A2，采样通道1在该频率下的增益为K1，采样通道2在该频率下的增益为K2。则有：
A1 K1＝U1；
A2 K2＝U2；
A1 K2＝U’1；
A2 K1＝U’2；
则电压比例k可由下式计算:
Figure BDA0003822898760000081
本申请提供的电压比例测量方法，通过应用数字采样技术，克服了感应分压器法频带窄的不足，频率覆盖范围频率范围覆盖10Hz～1MHz。
本申请基于数字采样技术良好的线性度指标，克服了电阻分压器只能在固定比率范围校准的问题，比例范围覆盖：1.00000～0.00001。
本申请通过频率估计、正交分解和通道间互易补偿技术，减小了比例装置由于谐波、元器件增益误差、电磁干扰带来的测量误差，克服了交流电压表法测量准确度不足的问题，将交流电压比例分辨率提升至1ppm，准确度提升至5ppm水平。
综合上述优点，本申请在电学计量领域具有极强的实用性。
根据本申请的另一个实施例，还提供了一种电压比例测量装置，其结构如图2所示，包括：切换开关、量程变换器、模数变换器、电压基准模块、频率基准模块、可编程逻辑器件、存储器、主控制器。电压比例测量装置基于频率估计与相敏检波技术实现宽频电压比例测量功能。
其中，量程变换装置用于扩展电压测量范围。
电压基准模块、频率基准模块用于向模数变换器提供电压基准和频率基准。
模数变换器用于：以固定频率采样并进行模数变换，以获得固定长度的数字序列，并将该数字序列提供给存储器。
主控制器用于运行电压比例测量软件，实现可编程逻辑器件数据接收，并根据同相分量、正交分量计算被测电压比例等功能；
存储器用于存储该数字序列。
可编程逻辑器件包括：
FFT变换单元，用于读取参考通道的数字序列并计算频谱；
三谱线测频单元，用于根据三谱线法求解参考通道的基波频率；
整周期取样单元，用于对各个通道的数字序列进行同步整周期截断；
正交基合成单元，用于根据基波频率，合成正交基算子；
相敏检波单元，用于将各通道截断后的数字序列与同相算子和正交算子进行乘法和求平均，获得同相分量和正交分量；
串行总线接口控制单元，用于将基波频率、各通道同相分量、各通道正交分量等参数通过串行总线上传至主控制器中。
切换开关(S1、S2)用于互易采样通道。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
以上所述仅为本申请示意性的具体实施方式，并非用以限定本申请的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本申请的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本申请保护的范围。

Claims (10)

1.一种电压比例测量方法，包括：
S1：通过第一采样通道和第二采样通道，以固定频率分别对电压比例装置的输入信号和输出信号进行同步采样，并进行模数转换，以获得固定长度的数字序列；
S2：选取第一采样通道和第二采样通道中的一个通道作为参考通道，通过FFT求解参考通道的被测信号的频谱，并根据三谱线法计算基波频率；
S3：根据所述基波频率，对每个采样通道的数字序列进行同步整周期截断；
S4：根据所述基波频率，合成正交基算子；
S5：将每个采样通道截断后的数字序列与正交基算子进行相干解调，求得同相分量和正交分量，并计算第一采样通道和第二采样通道的第一基波幅值；
S6：互易采样通道，通过第二采样通道和第一采样通道，以固定频率分别对电压比例装置的输入信号和输出信号进行同步采样，并进行模数转换，以获得固定长度的数字序列，重复上述步骤S2～S5，得到第一采样通道和第二采样通道的第二基波幅值；
S7：根据第一基波幅值和第二基波幅值计算电压比例。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，第一采样通道和第二采样通道的采样频率为电压比例装置的输入信号和输出信号的频率的10倍或以上。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，根据三谱线法计算基波频率f0的步骤包括：
查找最高谱线Xk和相邻的次高谱线Xk-1、Xk+1，带入下列计算公式计算：
f0＝(k+δ)f0/L
δ＝-Re[(Xk+1-Xk-1)/(2Xk-Xk-1-Xk+1)]
式中：k——最高谱线Xk的谱线数；
fs——采样频率；
L——采样信号的点数。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，步骤S3包括：
根据基波频率f0，采样频率fs，计算点数为L的固定长度的数字序列u1(n)～u2(n)中的最大整周期点数L’,对数字序列u1(n)～u2(n)进行同步整周期截断，计算方法包括：
首先，数字序列u1(n)～u2(n)的周期数c为：
c＝L/(fs/f0)
向下取整后得到整周期数C为：C＝INT(c)；
计算整周期点数l’为：l’＝C·(fs/f0)，对l’进行四舍五入取整，得到最大整周期点数L’，
对数字序列u1(n)～u2(n)，均从起始点取最大整周期点数L’后，舍去其余点。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，步骤S4包括：根据基波频率f0合成正交基算子序列，分别为：
a[n]＝sin[(n/L)(fs/f0)·2π](n＝0，1，2，……，L’)；
b[n]＝cos[(n/L)(fs/f0)·2π](n＝0，1，2，……，L’)。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，步骤S5包括：
使用正交基算子，对数字序列u1(n)～u2(n)进行乘法并求平均值，得到数字序列u1(n)～u2(n)的同相分量u1a～u2a和正交分量u1b～u2b；
通过向量模计算公式，计算第一采样通道和第二采样通道的第一基波幅值U1和U2：
Figure FDA0003822898750000021
Figure FDA0003822898750000022
7.根据权利要求6所述的方法，其中，
步骤S6包括：互易采样通道，得到第一采样通道和第二采样通道的第二基波幅值U’1和U’2；
步骤S7中，由公式
Figure FDA0003822898750000031
计算电压比例k。
8.根据权利要求1所述的方法，步骤S1还包括：将获得的固定长度的数字序列进行存储。
9.一种电压比例测量装置，用于执行根据权利要求1-8中任一项所述的方法，所述电压比例测量装置包括：切换开关、量程变换装置、模数变换器、电压基准模块、频率基准模块、可编程逻辑器件、存储器、主控制器，其中，
量程变换装置用于扩展电压测量范围；
电压基准模块、频率基准模块用于向模数变换器提供电压基准和频率基准；
模数变换器用于以固定频率采样并进行模数变换，以获得固定长度的数字序列，并将该数字序列提供给存储器；
存储器用于存储数字序列；
主控制器用于运行电压比例测量软件，实现可编程逻辑器件数据接收，并根据同相分量、正交分量计算被测电压比例；
可编程逻辑器件包括：
FFT变换单元，用于读取参考通道的数字序列并计算频谱；
三谱线测频单元，用于根据三谱线法求解参考通道的基波频率；
整周期取样单元，用于对第一采样通道和第二采样通道的数字序列进行同步整周期截断；
正交基合成单元，用于根据基波频率，合成正交基算子；
相敏检波单元，用于将第一采样通道和第二采样通道的截断后的数字序列与正交基算子进行相干解调，获得同相分量和正交分量；
串行总线接口控制单元，用于将基波频率、同相分量、正交分量通过串行总线上传至主控制器中；
切换开关，用于互易采样通道。
10.一种其上存储有软件指令的计算机可读存储介质，所述软件指令在被执行时实施根据权利要求1-8中任一项所述的方法。
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