CN116087590B - 一种用于量子电压精密测量的差分采样控制装置及方法 - Google Patents

一种用于量子电压精密测量的差分采样控制装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于量子电压精密测量的差分采样控制装置及方法。所述装置包括采样控制单元、差分采样单元和数据分析单元；采样控制单元用于接收可编程量子电压标准输出的零相位脉冲信号，按照采样控制单元中预设的频率和延迟时间，对零相位脉冲信号进行同步、延时和倍频处理，输出一系列预设频率的采样触发信号，并对差分采样单元参数进行设置并控制差分采样单元进行采样；所述差分采样单元用于按照预设的差分采样单元参数，在采样触发信号下对输入信号进行连续触发采样；所述数据分析单元用于分析所述差分采样单元输出的差分采样数据，计算量子台阶电压信号与被测交流正弦电压信号的相位差。

Description

一种用于量子电压精密测量的差分采样控制装置及方法
技术领域
本发明涉及电测量技术领域，并且更具体地，涉及一种用于量子电压精密测量的差分采样控制装置及方法。
背景技术
随着量子化技术发展及量子电压基准的出现，扁平化的量子量传方式具有显著的优势，利用量子电压标准将电压量直接溯源至量子基准，不再需要传统的逐渐量传传递，可提升量传溯源的准确性和可靠性。
可编程量子电压作为应用较为广泛的量子电压标准，可输出幅值高达10V的交直流量子电压，差分采样技术的应用进一步拓宽了可编程量子电压的应用范围，使可编程量子电压标准广泛应用于高精度标准电压源、标准数字多用表、标准功率及交直流电压的高准确度溯源。基于差分采样的量子电压标准溯源应用中，需要将量子电压标准输出的量子台阶电压信号与被测交流正弦电压信号保持锁相同步，从而实现最优差分采样。常见的锁相方法包括1)采用标准信号源的锁相功能实现相位同步，2)对于无锁相条件的被测交流正弦电压信号，采用两路差分采样单元测量量子台阶电压信号与被测交流正弦电压信号的相位差，再进一步调整量子电压标准的输出相位，从而实现两者相位同步。
传统的最优差分采样依赖于交流电压信号锁相同步信号或多个采样单元，并且受采样时刻偏差影响，无法满足电力实际应用领域中无法调节相位的交流电压信号的量子化精密测量。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于量子电压精密测量的差分采样控制装置及方法，以解决传统的最优差分采样依赖于交流电压信号锁相同步信号或多个采样单元，并且受采样时刻偏差影响，无法满足电力实际应用领域中无法调节相位的交流电压信号的量子化精密测量的技术问题。
根据本发明的第一个方面，提供了一种用于量子电压精密测量的差分采样控制装置，
所述装置包括采样控制单元、差分采样单元和数据分析单元；
所述采样控制单元用于接收可编程量子电压标准输出的零相位脉冲信号，按照采样控制单元中预设的频率和延迟时间，对零相位脉冲信号进行同步、延时和倍频处理，输出一系列预设频率的采样触发信号，并对差分采样单元参数进行设置并控制差分采样单元进行采样；
所述差分采样单元用于按照预设的差分采样单元参数，在采样触发信号下对输入信号进行连续触发采样；
所述数据分析单元用于分析所述差分采样单元输出的差分采样数据，得到差分采样数据的基波幅值|ΔU|和相位并基于所述差分采样数据基波幅值|ΔU|、相位和量子台阶电压信号幅值U，计算量子台阶电压信号与被测交流正弦电压信号的相位差/>
可选地，所述采样触发信号时刻与量子电压台阶的中间时刻附近对齐且采样时刻的量子台阶电压信号处于稳定状态；
所述差分采样单元参数包括量程、采样积分时间、采样率和采样延迟时间。
可选地，所述数据分析单元包括计算单元以及通信单元；
所述计算单元用于根据差分采样数据基波幅值|ΔU|、相位和量子台阶电压信号幅值U，计算出量子台阶电压信号与被测交流正弦电压信号的相位差/>相位差/>的符号取决于差分采样数据的相位；
所述通信单元用于对可编程量子电压标准的相位进行控制，使可编程量子电压标准输出的量子台阶电压信号相位偏移
根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于量子电压精密测量的差分采样控制方法，包括：
可编程量子电压根据预设的相位输出幅值为U的量子台阶电压信号至差分采样单元，同时在量子台阶电压信号过零时刻输出零相位脉冲信号至采样控制单元；
采样控制单元将所述零相位脉冲信号进行处理，输出采样触发信号，并对差分采样单元参数进行设置并控制差分采样单元进行采样；
差分采样单元在一系列预设频率的采样触发信号下对量子台阶电压信号和被测交流正弦电压信号的差分信号进行采样，将采样数据传输至数据分析单元；
数据分析单元对差分采样数据进行离散傅立叶分析，通过计算单元得到的相位差
根据所述相位差通过通信单元对可编程量子电压标准的相位进行控制，使可编程量子电压标准输出的量子台阶电压信号相位偏移/>实现量子台阶电压信号与被测交流正弦电压信号相位同步。
可选地，采样控制单元将所述零相位脉冲信号进行处理，输出采样触发信号，并对差分采样单元参数进行设置并控制差分采样单元进行采样，包括：
采样控制单元将所述零相位脉冲信号进行同步、延时和倍频处理，输出一系列预设频率的采样触发信号，并对差分采样单元参数进行设置并控制差分采样单元进行采样；
所述差分采样单元参数包括量程、采样积分时间、采样率和采样延迟时间。
可选地，数据分析单元对差分采样数据进行离散傅立叶分析，通过计算单元得到的相位差包括：
数据分析单元对差分采样数据进行离散傅立叶分析，获得差分采样数据的基波幅值|ΔU|和相位
基于差分采样数据的基波幅值|ΔU|、相位和量子台阶电压信号幅值U，根据公式(1)计算出量子台阶电压信号与被测交流正弦电压信号的相位差/>
可选地，数据分析单元对差分采样数据进行离散傅立叶分析，通过计算单元得到的相位差包括：
确定量子台阶电压信号与被测交流正弦电压信号幅值的相对误差εref；
确保所述相对误差εref不大于0.1％，否则，根据量子台阶电压信号与被测交流正弦电压信号幅值相对误差εref对公式(1)进行修正。
可选地，根据量子台阶电压信号与被测交流正弦电压信号幅值相对误差对公式(1)进行修正，包括：
根据公式(2)重新计算量子台阶电压信号与被测交流正弦电压信号的相位差
可选地，所述采样触发信号时刻与量子电压台阶的中间时刻附近对齐且采样时刻的量子台阶电压信号处于稳定状态。
从而，利用离散傅立叶分析出差分信号的基波幅值、相位、量子电压与被测交流正弦电压相位差的关系，通过单个差分采样单元，即可实现无锁相或同步条件量子电压与被测交流正弦电压的快速、准确同步，且当采样触发信号时刻在量子电压台阶的中间时刻附近且有一定偏差时，均可确保差分采样幅值最小化，解决了最优差分采样依赖于交流电压信号锁相同步信号或多个采样单元的问题以及受采样时刻偏差影响的问题，极大地简化了差分采样系统结构及控制逻辑，满足电力实际应用领域中无法调节相位的交流电压信号的量子化精密测量，提升量子电压溯源的自动化测量水平和适用范围。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为本实施方式所述的一种用于量子电压精密测量的差分采样控制装置的示意图；
图2为本实施方式所述的数据分析单元的示意图；
图3为本实施方式所述的一种用于量子电压精密测量的差分采样控制方法的流程示意图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
根据本发明的第一个方面，提供了一种用于量子电压精密测量的差分采样控制装置，参考图1所示，所述装置包括采样控制单元、差分采样单元和数据分析单元；
所述采样控制单元用于接收可编程量子电压标准输出的零相位脉冲信号，按照采样控制单元中预设的频率和延迟时间，对零相位脉冲信号进行同步、延时和倍频处理，输出一系列预设频率的采样触发信号，并对差分采样单元参数进行设置并控制差分采样单元进行采样；
所述差分采样单元用于按照预设的差分采样单元参数，在采样触发信号下对输入信号进行连续触发采样；
所述数据分析单元用于分析所述差分采样单元输出的差分采样数据，得到差分采样数据的基波幅值|ΔU|和相位并基于所述差分采样数据基波幅值|ΔU|、相位和量子台阶电压信号幅值U，计算量子台阶电压信号与被测交流正弦电压信号的相位差/>
采样控制单元接收可编程量子电压标准输出的零相位脉冲信号，按照采样控制单元中预设的频率和延迟时间，对零相位脉冲信号进行同步、延时和倍频处理，输出一系列预设频率的采样触发信号，该采样触发信号时刻与量子电压台阶的中间时刻附近对齐且采样时刻的量子台阶电压信号处于稳定状态。此外，采样控制单元可对差分采样单元的量程、采样积分时间、采样率、采样延迟时间等参数进行设置并控制差分采样单元进行采样。
差分采样单元按照预设的量程、采样积分时间、采样率、采样延迟时间等参数，在采样触发信号下对输入信号进行连续触发采样。差分采样单元具备不低于100mV的测量量程和不低于10GΩ的输入阻抗。
参考图2所示，数据分析单元利用离散傅立叶算法对差分采样单元输出的差分采样数据进行分析，得到差分采样数据的基波幅值|ΔU|和相位计算单元根据差分采样数据基波幅值|ΔU|、相位/>和量子台阶电压信号幅值U，根据公式(1)计算出量子台阶电压信号与被测交流正弦电压信号的相位差/>相位差/>的符号取决于差分采样数据的相位/>
数据分析单元根据计算的相位差通过通信单元对可编程量子电压标准的相位进行控制，使可编程量子电压标准输出的量子台阶电压信号相位偏移/>
从而，利用离散傅立叶分析出差分信号的基波幅值、相位、量子电压与被测交流正弦电压相位差的关系，通过单个差分采样单元，即可实现无锁相或同步条件量子电压与被测交流正弦电压的快速、准确同步，且当采样触发信号时刻在量子电压台阶的中间时刻附近且有一定偏差时，均可确保差分采样幅值最小化。
可选地，所述采样触发信号时刻与量子电压台阶的中间时刻附近对齐且采样时刻的量子台阶电压信号处于稳定状态；
所述差分采样单元参数包括量程、采样积分时间、采样率和采样延迟时间。
可选地，所述数据分析单元包括计算单元以及通信单元；
所述计算单元用于根据差分采样数据基波幅值|ΔU|、相位和量子台阶电压信号幅值U，计算出量子台阶电压信号与被测交流正弦电压信号的相位差/>相位差/>的符号取决于差分采样数据的相位；
所述通信单元用于对可编程量子电压标准的相位进行控制，使可编程量子电压标准输出的量子台阶电压信号相位偏移
从而，利用离散傅立叶分析出差分信号的基波幅值、相位、量子电压与被测交流正弦电压相位差的关系，通过单个差分采样单元，即可实现无锁相或同步条件量子电压与被测交流正弦电压的快速、准确同步，且当采样触发信号时刻在量子电压台阶的中间时刻附近且有一定偏差时，均可确保差分采样幅值最小化，解决了最优差分采样依赖于交流电压信号锁相同步信号或多个采样单元的问题以及受采样时刻偏差影响的问题，极大地简化了差分采样系统结构及控制逻辑，满足电力实际应用领域中无法调节相位的交流电压信号的量子化精密测量，提升量子电压溯源的自动化测量水平和适用范围。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于量子电压精密测量的差分采样控制方法300，参考图3所示，该方法300包括：
S301:可编程量子电压根据预设的相位输出幅值为的量子台阶电压信号至差分采样单元，同时在量子台阶电压信号过零时刻输出零相位脉冲信号至采样控制单元；
S302:；采样控制单元将所述零相位脉冲信号进行处理，输出采样触发信号，并对差分采样单元参数进行设置并控制差分采样单元进行采样；
S303:差分采样单元在一系列预设频率的采样触发信号下对量子台阶电压信号和被测交流正弦电压信号的差分信号进行采样，将采样数据传输至数据分析单元；
S304:数据分析单元对差分采样数据进行离散傅立叶分析，通过计算单元得到的相位差
S305:根据所述相位差通过通信单元对可编程量子电压标准的相位进行控制，使可编程量子电压标准输出的量子台阶电压信号相位偏移/>实现量子台阶电压信号与被测交流正弦电压信号相位同步。
具体地，步骤1：可编程量子电压根据预设的相位输出幅值为U的量子台阶电压信号，同时在量子台阶电压信号过零时刻输出零相位脉冲信号；
步骤2：采样控制单元接收零相位脉冲信号，经过同步、延时和倍频处理，输出一系列预设频率的采样触发信号，采样控制单元对差分采样单元的量程、采样积分时间、采样率、采样延迟时间等参数进行设置并控制差分采样单元进行采样；
步骤3：差分采样单元在一系列预设频率的采样触发信号下对量子台阶电压信号和被测交流正弦电压信号的差分信号进行采样，将采样数据传输至数据分析单元；
步骤4：数据分析单元对差分采样数据进行离散傅立叶分析，获得差分采样数据的基波幅值|ΔU|和相位再根据量子台阶电压信号幅值U，根据公式(1)计算出量子台阶电压信号与被测交流正弦电压信号的相位差/>
步骤5：根据计算得到的相位差通过通信单元对可编程量子电压标准的相位进行控制，使可编程量子电压标准输出的量子台阶电压信号相位偏移/>实现量子台阶电压信号与被测交流正弦电压信号相位同步。
本专利实施的一种用于量子电压精密测量的差分采样控制方法，其特征在于：为确保步骤4中计算的相位差更加准确，需要确保量子台阶电压信号与被测交流正弦电压信号幅值相对误差εref不大于0.1％，否则，需要根据量子台阶电压信号与被测交流正弦电压信号幅值相对误差εref对公式(1)进行修正，在步骤4中根据公式(2)重新计算量子台阶电压信号与被测交流正弦电压信号的相位差
为保证差分采样的准确可靠，在步骤2、步骤3中的采样触发信号时刻，需要确保量子台阶电压信号处于稳定状态。
步骤5中，量子台阶电压信号相位偏移后，量子台阶电压信号与被测交流正弦电压信号刚好在采样触发信号时刻相交。因此，当采样触发信号时刻在量子电压台阶的中间时刻附近且有一定偏差时，均可确保差分采样幅值最小化。
从而，利用离散傅立叶分析出差分信号的基波幅值、相位、量子电压与被测交流正弦电压相位差的关系，通过单个差分采样单元，即可实现无锁相或同步条件量子电压与被测交流正弦电压的快速、准确同步，且当采样触发信号时刻在量子电压台阶的中间时刻附近且有一定偏差时，均可确保差分采样幅值最小化，解决了最优差分采样依赖于交流电压信号锁相同步信号或多个采样单元的问题以及受采样时刻偏差影响的问题，极大地简化了差分采样系统结构及控制逻辑，满足电力实际应用领域中无法调节相位的交流电压信号的量子化精密测量，提升量子电压溯源的自动化测量水平和适用范围。
可选地，采样控制单元将所述零相位脉冲信号进行处理，输出采样触发信号，并对差分采样单元参数进行设置并控制差分采样单元进行采样，包括：
采样控制单元将所述零相位脉冲信号进行同步、延时和倍频处理，输出一系列预设频率的采样触发信号，并对差分采样单元参数进行设置并控制差分采样单元进行采样；
所述差分采样单元参数包括量程、采样积分时间、采样率和采样延迟时间。
可选地，数据分析单元对差分采样数据进行离散傅立叶分析，通过计算单元得到的相位差包括：
数据分析单元对差分采样数据进行离散傅立叶分析，获得差分采样数据的基波幅值|ΔU|和相位
基于差分采样数据的基波幅值|ΔU|、相位和量子台阶电压信号幅值U，根据公式(1)计算出量子台阶电压信号与被测交流正弦电压信号的相位差/>
可选地，数据分析单元对差分采样数据进行离散傅立叶分析，通过计算单元得到的相位差包括：
确定量子台阶电压信号与被测交流正弦电压信号幅值的相对误差εref；
确保所述相对误差εref不大于0.1％，否则，根据量子台阶电压信号与被测交流正弦电压信号幅值相对误差εref对公式(1)进行修正。
可选地，根据量子台阶电压信号与被测交流正弦电压信号幅值相对误差对公式(1)进行修正，包括：
根据公式(2)重新计算量子台阶电压信号与被测交流正弦电压信号的相位差
可选地，所述采样触发信号时刻与量子电压台阶的中间时刻附近对齐且采样时刻的量子台阶电压信号处于稳定状态。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种用于量子电压精密测量的差分采样控制装置，其特征在于，
所述装置包括采样控制单元、差分采样单元和数据分析单元；
所述采样控制单元用于接收可编程量子电压标准输出的零相位脉冲信号，按照采样控制单元中预设的频率和延迟时间，对零相位脉冲信号进行同步、延时和倍频处理，输出一系列预设频率的采样触发信号，并对差分采样单元参数进行设置并控制差分采样单元进行采样；
所述差分采样单元用于按照预设的差分采样单元参数，在采样触发信号下对输入信号进行连续触发采样，所述输入信号为量子台阶电压信号和被测交流正弦电压信号；
所述数据分析单元用于分析所述差分采样单元输出的差分采样数据，得到差分采样数据的基波幅值|ΔU|和相位并基于所述差分采样数据基波幅值|ΔU|、相位/>和量子台阶电压信号幅值U，计算量子台阶电压信号与被测交流正弦电压信号的相位差/>
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述采样触发信号时刻与量子电压台阶的中间时刻附近对齐且采样时刻的量子台阶电压信号处于稳定状态；
所述差分采样单元参数包括量程、采样积分时间、采样率和采样延迟时间。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述数据分析单元包括计算单元以及通信单元；
所述计算单元用于根据差分采样数据基波幅值|ΔU|、相位和量子台阶电压信号幅值U，计算出量子台阶电压信号与被测交流正弦电压信号的相位差/>相位差/>的符号取决于差分采样数据的相位；
所述通信单元用于对可编程量子电压标准的相位进行控制，使可编程量子电压标准输出的量子台阶电压信号相位偏移
4.一种用于量子电压精密测量的差分采样控制方法，其特征在于，包括：
可编程量子电压根据预设的相位输出幅值为U的量子台阶电压信号至差分采样单元，同时在量子台阶电压信号过零时刻输出零相位脉冲信号至采样控制单元；
采样控制单元将所述零相位脉冲信号进行处理，输出采样触发信号，并对差分采样单元参数进行设置并控制差分采样单元进行采样；
差分采样单元在一系列预设频率的采样触发信号下对量子台阶电压信号和被测交流正弦电压信号的差分信号进行采样，将采样数据传输至数据分析单元；
数据分析单元对差分采样数据进行离散傅立叶分析，通过计算单元得到的相位差
根据所述相位差通过通信单元对可编程量子电压标准的相位进行控制，使可编程量子电压标准输出的量子台阶电压信号相位偏移-/>实现量子台阶电压信号与被测交流正弦电压信号相位同步；
数据分析单元对差分采样数据进行离散傅立叶分析，通过计算单元得到的相位差包括：
数据分析单元对差分采样数据进行离散傅立叶分析，获得差分采样数据的基波幅值|ΔU|和相位
基于差分采样数据的基波幅值|ΔU|、相位和量子台阶电压信号幅值U，计算量子台阶电压信号与被测交流正弦电压信号的相位差/>
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，采样控制单元将所述零相位脉冲信号进行处理，输出采样触发信号，并对差分采样单元参数进行设置并控制差分采样单元进行采样，包括：
采样控制单元将所述零相位脉冲信号进行同步、延时和倍频处理，输出一系列预设频率的采样触发信号，并对差分采样单元参数进行设置并控制差分采样单元进行采样；
所述差分采样单元参数包括量程、采样积分时间、采样率和采样延迟时间。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，数据分析单元对差分采样数据进行离散傅立叶分析，通过计算单元得到的相位差包括：
数据分析单元对差分采样数据进行离散傅立叶分析，获得差分采样数据的基波幅值|ΔU|和相位
基于差分采样数据的基波幅值|ΔU|、相位和量子台阶电压信号幅值U，根据公式(1)计算出量子台阶电压信号与被测交流正弦电压信号的相位差/>
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，数据分析单元对差分采样数据进行离散傅立叶分析，通过计算单元得到的相位差包括：
确定量子台阶电压信号与被测交流正弦电压信号幅值的相对误差εref；
确保所述相对误差εref不大于0.1％，否则，根据量子台阶电压信号与被测交流正弦电压信号幅值相对误差εref对公式(1)进行修正。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据量子台阶电压信号与被测交流正弦电压信号幅值相对误差对公式(1)进行修正，包括：
根据公式(2)重新计算量子台阶电压信号与被测交流正弦电压信号的相位差
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
所述采样触发信号时刻与量子电压台阶的中间时刻附近对齐且采样时刻的量子台阶电压信号处于稳定状态。
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