CN115963312B - 一种周期波形统计参数测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种周期波形统计参数测量方法及装置，采用阶梯相位延迟采样的方法，采样点采样周期相对于初始采样点采样周期T₀呈现阶梯型变化，逐渐增大再逐渐减小，或逐渐减小再逐渐增大，并回到初始采样点采样周期T₀，然后再进行第二次循环，以此类推，从而实现了变采样率采样。用采样点采样周期阶梯型变化的采样时钟对被测的周期波形进行一段时间的连续采样得到一个数据集，并对这些采样点数据按照统计参数计算方法直接进行计算，则可得到准确的结果，从而避免了固定采样率系统中，对于频率为采样率整分数或整倍数的周期波形，采样点相位固定，从而无法获取波形更多相位点幅度信息的问题。同时，该处理流程简单，系统资源占用少，响应速度相对于顺序等效采样方法大幅提高。

Description

一种周期波形统计参数测量方法及装置

技术领域

本发明属于功率分析仪同步技术领域，更为具体地讲，涉及一种周期波形统计参数测量方法及装置。

背景技术

现代功率分析仪需要具备0.01％量级的电压、电流和功率测量准确度，还要具有10MHz的最高测量带宽。而要实现如此高测量准确度和带宽，高分辨率的SAR(逐次逼近寄存器型，Successive Approximation Register)型ADC是最佳选择。大于等于16位分辨率的SAR ADC的输入带宽很容易达到10MHz的需求，但采样率最高仅能达到10MSPS左右。按照采样定理，常规方法无法恢复大于5MHz的信号波形；对于高频(200kHz～10MHz)信号，定频采样方法在每个信号周期采集点数较少，无法准确计算有效值、功率、相位等周期统计参数。

为了应对这样的问题，可采用顺序等效采样方法，把被采样波形周期T分为N等分，第n个采样点相对于最近的输入波形上升沿过零点延迟时间n*T/N，n＝0,1,2……N-1，通过N个周期的采样点拼合恢复原始波形。顺序等效采样在本质上是一种变采样率采样方法。

顺序等效采样需要获取准确的输入波形周期T以及稳定的过零比较脉冲波形，且处理流程复杂，系统资源占用多，响应慢。这些要求和缺点让顺序等效采样方法在功率测量仪器中实施起来非常困难。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种周期波形统计参数测量方法及装置，以简化处理流程，减小系统资源占用，快速获得稳定准确的统计参数测量结果。

为实现上述发明目的，本发明周期波形统计参数测量方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)、设定一个初始采样点采样周期T₀，其后的采样点采样周期相对于初始采样点采样周期T₀呈现阶梯型变化，逐渐增大再逐渐减小，或逐渐减小再逐渐增大，并回到初始采样点采样周期T₀，然后再进行第二次循环，以此类推；

每个采样循环的第k个采样点的采样周期T_k满足以下公式：

1≤k≤K+1时，T_k＝T₀+(k-1)*t；

K+1<k≤2K时，T_k＝T₀+(2K-k+1)*t

或

1≤k≤K+1时，T_k＝T₀-(k-1)*t；

K+1<k≤2K时，T_k＝T₀-(2K-k+1)*t

其中，k为1到2K范围内的整数，第一组公式适用于采样点采样周期逐渐增大再逐渐减小，第二组公式适用于采样点采样周期逐渐减小再逐渐增大，K为采样阶梯数，t为阶梯步进时间；

(2)、针对步骤(1)的采样周期T_k，生成相应的采样时钟，对被测的周期波形进行一段时间的连续采样得到多个采样循环采样点构成一个采样点数据集{x(n)}，n为采样点采样序号，n＝1,2,…,N，N为总的采样点数；

(3)、根据采样点数据集{x(n)}计算统计参数。

此外，本发明还提供一种周期波形统计参数测量装置，其特征在于，包括：

一阶梯循环计数器，其计数值k从1增加到K+1，然后再减少到1，如此循环计数并输出；

一加法器，用于计数值k或其相反数与初始值T₀/t相加，得到计数分频器分频值k+T₀/t或-k+T₀/t，并输出到计数分频器，其中，T₀为初始采样点采样周期，t为阶梯步进时间；

一计数分频器，用于对频率为1/t的系统时钟用计数分频器分频值k+T₀/t或-k+T₀/t进行分频，每个分频值用于产生一个采样时钟，得到周期不断变化的采样时钟，从而实现了变采样率采样；

一ADC，用于在采样时钟的控制下，对被测的周期波形进行一段时间的连续采样得到多个采样循环采样点构成一个采样点数据集{x(n)}，n为采样点采样序号，n＝1,2,…,N，N为总的采样点数；

一统计参数计算模块，用于根据ADC的采样得到的采样点数据集{x(n)}，计算统计参数。

本发明的目的是这样实现的。

本发明周期波形统计参数测量方法及装置，采用阶梯相位延迟采样的方法，采样点采样周期相对于初始采样点采样周期T₀呈现阶梯型变化，逐渐增大再逐渐减小，或逐渐减小再逐渐增大，并回到初始采样点采样周期T₀，然后再进行第二次循环，以此类推，从而实现了变采样率采样。用采样周期阶梯型变化的采样时钟对被测的周期波形进行一段时间的连续采样得到一个数据集，并对这些采样点数据按照统计参数计算方法直接进行计算，则可得到准确的结果，从而避免了固定采样率系统中，对于频率为采样率整分数或整倍数的周期波形，采样点相位固定，从而无法获取波形更多相位点幅度信息的问题。同时，该处理流程简单，系统资源占用少，响应速度相对于顺序等效采样方法大幅提高。

附图说明

图1是本发明周期波形统计参数测量方法一种具体实施方式流程图；

图2是本发明周期波形统计参数测量装置一种具体实施方式流程图；

图3是现有技术采用1MSPS定频对1MHz的电压信号进行采样的采样点示意图；

图4是本发明采用初始采样率1MSPS的阶梯采样对1MHz的电压信号进行采样的采样点示意图；

图5是本发明采用初始采样率1MSPS的阶梯采样对1MHz的电压信号进行采样的采样点散点图；

图6是本发明采用初始采样率1MSPS的阶梯采样对2MHz的电压信号进行采样的采样点散点图；

图7是本发明采用初始采样率1MSPS的阶梯采样对5MHz的电压信号进行采样的采样点散点图；

图8是本发明采用初始采样率1MSPS的阶梯采样对10MHz的电压信号进行采样的采样点散点图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

功率分析仪器在高频段，不要求恢复其原始波形，仅要求准确测量电压有效值、电流有效值、有功功率、相位等参数即可。本发明借用顺序等效采样多相位点拼合的思想，提出了一种阶梯相位延迟采集方法，用于实现电压或电流有效值的测量。

采用本发明，对被测的电压信号或电流信号进行一段时间的连续采样得到一个数据集，例如1000个点，并对这些采样点数据按照有效值计算方法直接进行计算，则可得到电压或电流有效值的准确结果。

本发明的核心思想是通过不断变化的采样周期，实现一种变采样率采样方法，从而获取到周期波形更多相位点的幅度信息，因此这种采样方法可有效改善电压电流有效值、有功功率、电压电流相位差等周期统计参数的稳定性和准确性。

本发明不仅可以用于欠采样时，也可以用于过采样倍数不高(如用1MSPS采样率采集100kHz正弦波，每个周期仅有10个采样点)，数据计算结果有较大波动时，可大幅改善计算结果的稳定性和准确性。

电压的有效值计算公式为：

电流的有效值计算公式为：

有功功率的计算公式为：

电压电流相位差的计算公式为：

θ＝arctan(P/(U*I))

可见，电压、电流有效值、有功功率、电压电流相位差等运算结果均为一段(总的采样点数为N)采样点u(n)、i(n)的统计结果。在实际工程应用中，要保证上述运算结果的准确性和稳定性，需要确保运算的采样点覆盖了至少一个完整的信号周期，且所有采样点相位均匀分布于[0,2π]范围内。

本发明中的阶梯相位延迟的等效采样方法，即是设定一个初始采样周期，其后的采样点周期相对于初始采样周期呈现阶梯型变化，逐渐增大再逐渐减小，或逐渐减小再逐渐增大。回到初始采样周期值后，再进行第二次循环，以此类推。当采样点较多时，使用这样得到的采样点进行计算，可以得到更稳定、准确的周期统计参数测量结果。

图1是本发明周期波形统计参数测量方法一种具体实施方式流程图。

在本实施例中，周期波形为周期电压信号或周期电流信号，如图1所示，本发明周期波形统计参数测量方法包括以下步骤：

步骤S1：生成阶梯采样周期T_k

设定一个初始采样点采样周期T₀，其后的采样点采样周期相对于初始采样点采样周期T₀呈现阶梯型变化，逐渐增大再逐渐减小，或逐渐减小再逐渐增大，并回到初始采样点采样周期T₀，然后再进行第二次循环，以此类推；

每个采样循环的第k个采样点的采样周期T_k满足以下公式：

1≤k≤K+1时，T_k＝T₀+(k-1)*t；

K+1<k≤2K时，T_k＝T₀+(2K-k+1)*t

或

1≤k≤K+1时，T_k＝T₀-(k-1)*t；

K+1<k≤2K时，T_k＝T₀-(2K-k+1)*t

其中，k为1到2K范围内的整数，第一组公式适用于采样点采样周期逐渐增大再逐渐减小，第二组公式适用于采样点采样周期逐渐减小再逐渐增大，K为采样阶梯数，t为阶梯步进时间。

步骤S2：根据阶梯采样周期T_k，生成相应的采样时钟进行采样

针对步骤S1的采样周期T_k，生成相应的采样时钟，对被测的周期电压信号进行一段时间的连续采样得到多个采样循环采样点构成一个电压采样点数据集{u(n)}，或对被测的周期电流信号进行一段时间的连续采样得到多个采样循环采样点构成一个电流采样点数据集{i(n)},n为采样点采样序号，n＝1,2,…,N，N为总的采样点数，N越大，测量准确度越高，具体数值根据具体实施情况确定。

步骤S3：计算电压有效值U或电流有效值I

在本实施例总，统计参数为电压有效值U或电流有效值I

具体的计算公式为：

在获得电压采样点数据集{u(n)}、电流采样点数据集{i(n)}的基础上，可以获得有功功率、电压电流相位差等功率参数。

图2是本发明周期波形统计参数测量装置一种具体实施方式流程图。

在本实施例中，统计参数为有效值，这样，如图2所示，统计参数计算模块为有效值计算模块。

在本实施例中，周期波形统计参数测量装置包括阶梯循环计数器1、加法器2、计数分频器3、ADC 4以及有效值计算模块5。

阶梯循环计数器1的计数值k从1到K+1，然后再到1，如此循环计数并输出到加法器2。加法器2用于计数值k或其相反数与初始值T₀/t相加，得到计数分频器分频值k+T₀/t或-k+T₀/t，并输出到计数分频器3，其中，T₀为初始采样点采样周期，t为阶梯步进时间。计数分频器3用计数分频器分频值k+T₀/t或-k+T₀/t对频率为1/t的系统时钟进行分频，得到采样时钟。

ADC 4用于在采样时钟的控制下，对被测的电压信号进行一段时间的连续采样得到多个采样循环采样点构成一个电压采样点数据集{u(n)}，或对被测的电流信号进行一段时间的连续采样得到多个采样循环采样点构成一个电流采样点数据集{i(n)},n为采样点采样序号，n＝1,2,…,N，N为总的采样点数。

有效值计算模块5用于根据ADC的采样，计算电压有效值U或电流有效值I，其中：

图2中，虚线框内的功能模块即阶梯循环计数器1、加法器2、计数分频器3可以在FPGA或者MCU中实现。

实验仿真

如图3所示，对于1MHz的电压信号，初始相位为π/4，采用1MSPS定频采样时，其每个周期采集到的点为固定相位点π/4，因此采样点组成的波形直线，无法反应更多相位点的波形幅度信息。

如图4所示，若采用阶梯相位延迟方法进行采集，设定初始采样率为1MSPS，即T₀＝1μs，采样阶梯数K＝5，系统时钟的频率为1/t＝166MHz，初始相位为π/4。采用采样周期逐渐增大再逐渐减小的采样方法，其前20个采样点如图4所示。从图4可以看出，20个采样点采集了正弦波形中不同的相位点，幅度信息相比固定采样率更丰富。

采用阶梯相位延迟法得到的一系列连续采样点是否能均匀覆盖正弦波形[0，2π]相位区间呢？采用这种方法计算的有效值结果是否正确呢？我们做了进一步仿真。

实验条件：设定初始采样率为1MSPS，即T₀＝1μs，采样阶梯数K＝5，系统时钟的频率为1/t＝166MHz，采用采样周期逐渐增大再逐渐减小的采样方法。取连续4000个采样点，计算每个采样点相对被采集电压信号最近上升过零点的时间，从而计算出每个点的相位，再对4000个采样点的相位按从小到大的顺利进行排序，描绘为散点图，得到结果如图5、6、7、8所示，其中，图5的被采集电压信号频率为1MHz，图6的被采集电压信号频率为2MHz，图7的被采集电压信号频率为5MHz，图8的被采集电压信号频率为10MHz。图5～8中，横坐标为按相位排序后的采样点序号，取值为1～4000；纵坐标未采用相位值0～2π进行标注，而采用了相位值对应的时间值(单位为μs)进行标注，这是为了方便区分不同频率时的相位值。例如对于1MHz波形，0.5μs代表相位点π；而对于10MHz波形，0.05μs代表相位点π。

图5-8均为两条散点图曲线叠加显示后的效果图。一条曲线为理想曲线，即把[0，2π]相位区间4000等分，并与采样点序号1～4000一一对应后描绘出来的散点图；另一条曲线即为采用阶梯相位延迟法得到的采样点按相位从小到大排序后得到的散点图。在图5和图7中，两条曲线几乎是完全重叠的；图6和图8中，采用阶梯相位延迟法得到的曲线相比理想曲线有小的波动，但均匀分布在理想曲线两侧。图5-8的仿真结果证明采用阶梯相位延迟法进行采样时，采样点个数较多时，可以均匀密集覆盖信号[0，2π]相位区间，用这些点进行有效值、平均值、有功功率等周期统计参数计算，可以得到稳定准确的计算结果。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种周期波形统计参数测量方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)、设定一个初始采样点采样周期T₀，其后的采样点采样周期相对于初始采样点采样周期T₀呈现阶梯型变化，逐渐增大再逐渐减小，或逐渐减小再逐渐增大，并回到初始采样点采样周期T₀，然后再进行第二次循环，以此类推；

每个采样循环的第k个采样点的采样周期T_k满足以下公式：

1≤k≤K+1时，T_k＝T₀+(k-1)*t；

K+1<k≤2K时，T_k＝T₀+(2K-k+1)*t

或

1≤k≤K+1时，T_k＝T₀-(k-1)*t；

K+1<k≤2K时，T_k＝T₀-(2K-k+1)*t

其中，k为1到2K范围内的整数，第一组公式适用于采样点采样周期逐渐增大再逐渐减小，第二组公式适用于采样点采样周期逐渐减小再逐渐增大，K为采样阶梯数，t为阶梯步进时间；

(2)、针对步骤(1)的采样周期T_k，生成相应的采样时钟，对被测的周期波形进行一段时间的连续采样得到多个采样循环采样点构成一个采样点数据集{x(n)}，n为采样点采样序号，n＝1,2,…,N，N为总的采样点数；

(3)、根据采样点数据集{x(n)}计算统计参数；

所述的周期波形为周期电压信号或周期电流信号，采样点数据集{x(n)}为电压采样点数据集{u(n)}或电流采样点数据集{i(n)}，所述的统计参数为有效值，即电压有效值U或电流有效值I：

2.一种用于权利要求1所述周期波形统计参数测量方法的测量装置，其特征在于，包括：

一阶梯循环计数器，其计数值k从1增加到K+1，然后再减少到1，如此循环计数并输出；

一加法器，用于计数值k或其相反数与初始值T₀/t相加，得到计数分频器分频值k+T₀/t或-k+T₀/t，并输出到计数分频器，其中，T₀为初始采样点采样周期，t为阶梯步进时间；

一计数分频器，用于对频率为1/t的系统时钟用计数分频器分频值k+T₀/t或-k+T₀/t进行分频，每个分频值用于产生一个采样时钟，得到周期不断变化的采样时钟，从而实现了变采样率采样；

一ADC，用于在采样时钟的控制下，对被测的周期波形进行一段时间的连续采样得到多个采样循环采样点构成一个采样点数据集{x(n)}，n为采样点采样序号，n＝1,2,…,N，N为总的采样点数；

一统计参数计算模块，用于根据ADC的采样得到的采样点数据集{x(n)}，计算统计参数；

所述的周期波形为周期电压信号或周期电流信号，采样点数据集{x(n)}为电压采样点数据集{u(n)}或电流采样点数据集{i(n)}，所述的统计参数为有效值，即电压有效值U或电流有效值I：