WO2009043616A1 - Sampling method - Google Patents

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WO2009043616A1
WO2009043616A1 PCT/EP2008/059855 EP2008059855W WO2009043616A1 WO 2009043616 A1 WO2009043616 A1 WO 2009043616A1 EP 2008059855 W EP2008059855 W EP 2008059855W WO 2009043616 A1 WO2009043616 A1 WO 2009043616A1
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WO
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frequency
sampling
phase
fundamental
waveform
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Application number
PCT/EP2008/059855
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German (de)
French (fr)
Inventor
Matthieu Richard
Joel Bonny
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03MCODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12Analogue/digital converters
    • H03M1/124Sampling or signal conditioning arrangements specially adapted for A/D converters
    • H03M1/1245Details of sampling arrangements or methods
    • H03M1/1265Non-uniform sampling
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R25/00Arrangements for measuring phase angle between a voltage and a current or between voltages or currents
    • G01R25/005Circuits for comparing several input signals and for indicating the result of this comparison, e.g. equal, different, greater, smaller, or for passing one of the input signals as output signal

Definitions

  • the invention relates to a sampling method for the determination of the phase of a substantially sinusoidal waveform with at least one fundamental frequency, which is distorted by harmonics of the fundamental frequencies, wherein by means of samples having a sampling frequency f s several samples within a period of the waveform determined and from the phase is calculated ,
  • sampling theorem states that a continuous, band limited signal, with a minimum frequency of 0 Hz and a maximum frequency f max , must be sampled with a frequency greater than 2 * f max , so that from the discrete-time signal thus obtained the original signal without loss of information, but with infinitely great effort, reconstructed or, with finite effort, can approximate as accurately as possible.
  • the sampling frequency sampling frequency
  • sampling theorem one must know or find out before sampling maximum frequency, for example by means of the Fourier analysis of a high-frequency sampled signal, and then that the signal, for example for the purpose of digitizing, with more than double Frequency must be sampled, if you want to reconstruct the signal in a good approximation.
  • the cutoff frequency of the signal to be sampled which can be reconstructed without error at the sampling frequency, is called Nyquist frequency f N and corresponds to half the sampling frequency f s .
  • the object is achieved by simultaneously determining the phase of at least one fundamental frequency fi of the signal profile and the phase of the harmonics by eliminating the harmonics lying below or above.
  • a particularly preferred variant of the method provides that the sampling frequency f s is carried out at a frequency such that a Nyquist cutoff frequency f N , which corresponds to half the sampling frequency f s, corresponds to at least twice the frequency of the highest harmonic to be eliminated. As a result, it can be achieved that this highest harmonic to be eliminated can be reliably detected and then the elimination method can be applied.
  • a number of samples is selected at the sampling frequency f s along a period of the signal curve which is smaller than the one
  • the scanning shift is repeated in accordance with the number of possible sampling points at the sampling frequency f s within a period of the signal curve and a phase average is calculated from the respectively determined phase values, the statistical error in the phase determination can thus be considerably reduced.
  • phase of the fundamental frequency fi and the phase of further fundamental frequencies f 2 , f 3 of the signal course are determined simultaneously by elimination calculation.
  • This extension of the sampling method can be used particularly advantageously if the base frequency f 2 is assumed to be a frequency which is twice as high as the fundamental frequency fi, and the fundamental frequency f 3 is assumed to be three times as high as the fundamental frequency f.
  • FIG. 1 schematically shows the sampling method according to the prior art in the case of a sinusoidal waveform
  • FIG. 2 shows the sampling method in the case of a signal waveform distorted with harmonics
  • FIG. 3 shows a frequency diagram
  • FIG. 4 schematically shows the scanning method according to the invention
  • FIG. 5 shows another frequency diagram
  • FIG. 6 schematically shows a variant of the scanning method
  • FIG. 7 shows a frequency diagram with a filter function
  • FIG. 8 schematically shows a transmission characteristic curve for a filter function.
  • FIG. 1 shows the sampling method in the case of a sinusoidal waveform 1, as has hitherto been conventionally used, wherein the time-varying amplitude 20 of the signal waveform 1 is shown as a function of time 10.
  • an undistorted sine signal is shown, whose waveform 1 is determined along its period by means of equidistant samples at a sampling frequency f s which corresponds to four times the frequency of the fundamental frequency fi 31 to be measured, one sample value Si , S 2 , S 3 and S 4 101 ... 104 and the phase ⁇ of the waveform 1 is determined by the relationship
  • FIG. 2 shows a distorted signal course 1 whose fundamental frequency fi 31 is distorted by superposition of a first and a second harmonic harmonic 32, 33 with the frequency 2 * f i or 3 * f i.
  • FIG. 3 shows the situation in a frequency diagram which can be determined by a Fourier analysis in which the amplitudes 20 of the discrete frequencies 30 contained in the signal course 1 are represented.
  • these are the fundamental frequency fi 31 and the first and second harmonics 32, 33, with respect to the fundamental frequency fi 31 reduced amplitude, the frequency of which corresponds twice or three times the fundamental frequency fi.
  • the sampling frequency f s in the example shown corresponding to the sampling points in Figure 1 of four times the frequency to be measured fundamental frequency fi 31.
  • the second harmonic 33 with the frequency 3 * fi can no longer be detected unambiguously.
  • FIG. 4 shows the same distorted sinusoidal waveform 1, wherein the sampling method is carried out according to the invention with a sampling frequency f s 40, such that the Nyquist cutoff frequency f N 41, which corresponds to half the sampling frequency f s 40, is at least twice the frequency of the sampling frequency f s highest to be eliminated harmonic 33 corresponds.
  • the sampling frequency f s 40 is 12 times higher than the fundamental frequency fi 31 to be measured.
  • the Nyquist cutoff frequency f N 41 is twice as high as the frequency of the harmonic 33 to be eliminated.
  • the number of samples at the sampling frequency f s 40 along a period of the waveform 1 is selected to be smaller than the number of sampling points used in the Sampling frequency f s 40 theoretically possible.
  • these are only 8 sampling points at which the sampling values S 0 (start of period) 100, S 2 102, S 3 103, S 5 105, S 6 106, S 8 108, S 9 109 and S 11 111 are determined.
  • the time intervals between two sampling points along the period of the signal profile 1 are different borrowed, wherein the smallest time interval of two consecutive sampling points by the sampling frequency f s 40 is specified.
  • FIG. 5 shows the state of affairs according to the sampling shown in FIG. 4 in a frequency diagram.
  • Phase® - + aretane) - * n ') 3 5 ⁇ i (3)
  • FIG. 6 shows a method variant of the scanning method.
  • the sample points are shifted by a sample shift 50 by the smallest time interval determined by the sampling frequency f s 40, respectively, and new samples 100, ..., 112 within the new period of the signal waveform 1 determined.
  • S 0 beginning of period
  • Samples S 1 101, S 3 103, S 4 104, S 6 106, S 7 107, S 9 109, SlO 9 110 and S 12 112 determined.
  • a phase determination for each new sample can be made with the relationship
  • the sampling shift 50 can be repeated in accordance with the number of possible sampling points at the sampling frequency f s 40 within a period of the signal sequence 1 and a phase difference can be determined from the respectively determined phase values.
  • the sampling method has been expanded with regard to a simultaneous elimination calculation for determining the phase of the fundamental frequency fi 31 and the phases of further fundamental frequencies f 2 , f 3, 34, 37 of the signal course 1.
  • the fundamental frequency f 2 34 is assumed to be a frequency twice as high as the fundamental frequency fi 31
  • the fundamental frequency f 3 37 is assumed to be three times as high as the fundamental frequency fi 31.
  • the harmonics 32, 33, 35, 36, 38, 39 of the fundamental frequencies 31, 34, 37 can be eliminated, which corresponds to an additional improvement.
  • FIG. 7 shows the fundamental frequencies 31, 34, 37 as well as their harmonics 32, 33, 35, 36, 38, 39 in the frequency diagram.
  • the Nyquist cutoff frequency f N 41 corresponding to half the sampling frequency f s 40 located.
  • a 72-fold sampling frequency f s 40 is used in comparison to the lowest fundamental frequency 31, which is advantageous in particular for the equalization of non-pure sine signals.
  • the fundamental frequencies fi 31 should correspond as far as possible to a pure sine function, since the first and second harmonic harmonics 32, 33 of the fundamental frequencies fi 31 influence the values of the fundamental frequencies 34, 37.
  • analog filters with a filter function 60 are used whose highest permeability lies essentially in the frequency range of the fundamental frequencies 31, 34, 37. Harmonics of higher orders can thus be filtered.
  • the filter function 60 should be selected accordingly.
  • FIG. 8 schematically shows a typical filter function 60, wherein the logarithm of the transmission 61 is represented as a function of the logarithm of the frequency (log f) 62 is.
  • the maximum of the filter function 60 lies in the frequency range of the fundamental frequencies 31, 34, 37.
  • the scanning method can also be applied to fundamental frequencies 31, 34, 37 having a fractionally rational relationship, e.g. fi, 4/3 * fi and 5/3 * fi or for example fi, 3/2 * fi and 5/2 * fi.

Abstract

The invention relates to a sampling method for determining the phase of a substantially sinusoidal signal waveform with at least a fundamental frequency which is distorted by harmonics of the fundamental frequencies, wherein a plurality of sample values are determined within one period of the signal waveform by means of sampling at a sampling frequency fS, and the phase is calculated from this, wherein the phase of at least a fundamental frequency f1 of the signal waveform and the phase of the harmonics are simultaneously determined by elimination of the harmonics situated below or above. This method permits rapid calculation of the phase position and can be easily implemented in computer systems.

Description

Beschreibung description
Titel AbtastverfahrenTitle scanning method
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Abtastverfahren für die Bestimmung der Phase eines im Wesentlichen sinusförmigen Signalverlaufs mit mindestens einer Grundfrequenz, welcher durch Oberschwingungen der Grundfrequenzen verzerrt ist, wobei mittels Abtastungen mit einer Abtastfrequenz fs mehrere Abtastwerte innerhalb einer Periode des Signalverlaufs bestimmt und daraus die Phase berechnet wird.The invention relates to a sampling method for the determination of the phase of a substantially sinusoidal waveform with at least one fundamental frequency, which is distorted by harmonics of the fundamental frequencies, wherein by means of samples having a sampling frequency f s several samples within a period of the waveform determined and from the phase is calculated ,
Derartige Abtastverfahren finden Anwendung beispielsweise in der Nachrichtentechnik oder bei interferometrischen Messaufgaben. Das so genannte Nyquist-Shannonsche Abtasttheorem, oder auch WKS-Sampling-Theorem (für Whittaker-Kotelnikow-Shannon), ist dabei ein grundlegendes Theorem in der Nachrichtentechnik, Signalverarbeitung und Informationstheorie. Das Abtasttheorem besagt, dass ein kontinuierliches, band begrenztes Signal, mit einer Minimalfrequenz von 0 Hz und einer Maximalfrequenz fmax, mit einer Frequenz größer 2*fmax abgetastet werden muss, damit man aus dem so erhaltenen zeitdiskreten Signal das Ursprungssignal ohne Informationsverlust, aber mit unendlich großem Aufwand, rekonstruiert bzw., mit endlichen Aufwand, beliebig genau approximieren kann. Im allgemeinen Fall gilt für die Abtastfrequenz (Sampling-Frequenz) fs:Such scanning methods are used, for example, in communications engineering or in interferometric measurement tasks. The so-called Nyquist-Shannon sampling theorem, or WKS sampling theorem (for Whittaker-Kotelnikow-Shannon), is a fundamental theorem in communications engineering, signal processing and information theory. The sampling theorem states that a continuous, band limited signal, with a minimum frequency of 0 Hz and a maximum frequency f max , must be sampled with a frequency greater than 2 * f max , so that from the discrete-time signal thus obtained the original signal without loss of information, but with infinitely great effort, reconstructed or, with finite effort, can approximate as accurately as possible. In the general case, for the sampling frequency (sampling frequency) f s :
fs > 2 ( fmax - fmιn ) für fmιn > 0 Hz (1)fs> 2 (f max - f min ) for f min > 0 Hz (1)
In der Praxis bedeutet das Abtasttheorem, das man vor der Abtastung die maximale Frequenz kennen oder herausfinden muss, beispielsweise mit Hilfe der Fourier-Analyse eines hochfrequent abgetasteten Signals, und dass dann das Signal, zum Beispiel zum Zwecke der Digitalisierung, mit mehr als der doppelten Frequenz abgetastet werden muss, wenn man das Signal in guter Näherung rekonstruieren will. Die Grenzfrequenz des abzutastenden Signals, die mit der Abtastfrequenz ohne Fehler rekonstruierbar ist, wird Nyquist- Frequenz fN genannt und entspricht der halben Abtastfrequenz fs.In practice, the sampling theorem one must know or find out before sampling maximum frequency, for example by means of the Fourier analysis of a high-frequency sampled signal, and then that the signal, for example for the purpose of digitizing, with more than double Frequency must be sampled, if you want to reconstruct the signal in a good approximation. The cutoff frequency of the signal to be sampled, which can be reconstructed without error at the sampling frequency, is called Nyquist frequency f N and corresponds to half the sampling frequency f s .
In der Praxis besteht häufig die Aufgabe, durch harmonische Oberschwingungen verzerr- te sinusförmige Signale mittels digitaler Rechenverfahren zu entzerren. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein schnelles Abtastverfahren bereit zustellen, welches einerseits eine hohe Präzision beinhaltet aber auch in heutigen Rechnersystemen einfach implementiert werden kann.In practice, there is often the task of equalizing distorted sinusoidal signals using harmonic harmonics by means of digital computation methods. It is therefore the object of the invention to provide a fast scanning method which on the one hand has high precision but can also be easily implemented in today's computer systems.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Phase mindestens einer Grundfrequenz fi des Signalverlaufs und die Phase der Oberschwingungen durch Elimination der unterhalb oder oberhalb liegenden Oberschwingungen simultan bestimmt werden. Vorteilhaft ist bei diesem Verfahren, dass sich die Berechnung auf einfache Differenzbildungen bzw. Quotientenbildungen beschränkt, welche in heutige Rechner einfach und kostengünstig implementiert werden kann. Es kann damit eine schnelle und verhältnismäßig einfache Pha- senbestimmung derartig verzerrter Signale realisiert werden.The object is achieved by simultaneously determining the phase of at least one fundamental frequency fi of the signal profile and the phase of the harmonics by eliminating the harmonics lying below or above. An advantage of this method is that the calculation is limited to simple differences or quotient formations, which can be implemented easily and inexpensively in today's computers. Thus, a fast and relatively simple phase determination of such distorted signals can be realized.
Eine besonders bevorzugte Verfahrensvariante sieht dabei vor, dass die Abtastfrequenz fs bei einer Frequenz durchgeführt wird, derart, dass eine Nyquist-Grenzfrequenz fN, die der halben Abtastfrequenz fs entspricht, mindesten der doppelten Frequenz der höchsten zu eliminierenden Oberschwingung entspricht. Dadurch kann erreicht werden, dass diese höchste zu eliminierende Oberschwingung sicher detektiert werden kann und danach das Eliminierungsverfahren angewendet werden kann.A particularly preferred variant of the method provides that the sampling frequency f s is carried out at a frequency such that a Nyquist cutoff frequency f N , which corresponds to half the sampling frequency f s, corresponds to at least twice the frequency of the highest harmonic to be eliminated. As a result, it can be achieved that this highest harmonic to be eliminated can be reliably detected and then the elimination method can be applied.
Dabei wird in bevorzugter Verfahrensvariante eine Anzahl von Abtastungen bei der Ab- tastfrequenz fs entlang einer Periode des Signalverlaufs gewählt, die kleiner ist, als dieIn this case, in a preferred variant of the method, a number of samples is selected at the sampling frequency f s along a period of the signal curve which is smaller than the one
Anzahl von Abtastpunkten, die bei der Abtastfrequenz fs theoretisch möglich wäre und die zeitlichen Abstände zwischen zwei Abtastpunkten entlang einer Periode des Signalverlaufs unterschiedlich sind, wobei der kleinste zeitliche Abstand zweier aufeinander folgender Abtastpunkte durch die Abtastfrequenz fs vorgegeben wird. Damit wird die Anzahl der durchzuführenden Rechenschritte auf ein Minimum reduziert. Werden nach einer Abtastung entlang einer Periode des Signalverlaufs die Abtastpunkte mittels einer Abtastverschiebung um jeweils den kleinsten zeitlichen Abstand, der durch die Abtastfrequenz fs bestimmt ist, verschoben und neue Abtastwerte innerhalb der neu- en Periode des Signalverlaufs bestimmt, können Phasenbestimmungen bei unterschiedlichen Abtastpunkten durchgeführt werden, die zum Einen für eine höhere Redundanz vorteilhaft sind und die Genauigkeit erhöht. Wird dabei die Abtastverschiebung entsprechend der Anzahl der möglichen Abtastpunkte bei der Abtastfrequenz fs innerhalb einer Periode des Signalverlaufs wiederholt und aus den jeweils bestimmten Phasenwerten ein Phasen- Durchschnitt berechnet, kann damit der statistische Fehler bei der Phasenbestimmung erheblich reduziert werden.Number of sampling points that would be theoretically possible at the sampling frequency f s and the time intervals between two sampling points along a period of the waveform are different, wherein the smallest time interval between two consecutive sampling points by the sampling frequency f s is specified. This reduces the number of computation steps to be performed to a minimum. If, after a scan along a period of the signal course, the sampling points are displaced by a scanning displacement by the smallest time interval determined by the sampling frequency f s and new samples are determined within the new period of the signal waveform, phase determinations can be performed at different sampling points On the one hand, they are advantageous for greater redundancy and increase the accuracy. If, in this case, the scanning shift is repeated in accordance with the number of possible sampling points at the sampling frequency f s within a period of the signal curve and a phase average is calculated from the respectively determined phase values, the statistical error in the phase determination can thus be considerably reduced.
In einer weiteren bevorzugten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass die Phase der Grundfrequenz fi und die Phase weiterer Grundfrequenzen f2, f3 des Signalverlaufs durch Eliminationsberechnung simultan bestimmt werden. Diese Erweiterung des Abtastverfahrens kann besonders vorteilhaft eingesetzt werden wenn als Grundfrequenz f2 eine Frequenz angenommen wird, die doppelt so hoch ist wie die Grundfrequenz fi, und als Grundfrequenz f3 eine dreifach so hohe Frequenz wie die Grundfrequenz fi angenommen wird.In a further preferred variant of the method it is provided that the phase of the fundamental frequency fi and the phase of further fundamental frequencies f 2 , f 3 of the signal course are determined simultaneously by elimination calculation. This extension of the sampling method can be used particularly advantageously if the base frequency f 2 is assumed to be a frequency which is twice as high as the fundamental frequency fi, and the fundamental frequency f 3 is assumed to be three times as high as the fundamental frequency f.
Werden durch Erhöhung der Abtastfrequenz fs die Oberschwingungen der Grundfrequenzen eliminiert, kann eine verhältnismäßig einfache Rekonstruktion von verzerrten, aus mehreren Grundfrequenzen zusammengesetzten sinusförmigen Signalverläufen erreicht werden.If the harmonics of the fundamental frequencies are eliminated by increasing the sampling frequency f s , a relatively simple reconstruction of distorted sinusoidal waveforms composed of a plurality of fundamental frequencies can be achieved.
In einer weiteren bevorzugten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass zur simultanen Bestimmung der Phase der Grundfrequenzen analoge Filter mit einer Filterfunktion eingesetzt werden, deren höchste Durchlässigkeit im Wesentlichen im Frequenzbereich der Grundfrequenzen liegt. Damit kann die Qualität der Phasenbestimmung zusätzlich erhöht werden.In a further preferred variant of the method, it is provided that for the simultaneous determination of the phase of the fundamental frequencies, analog filters with a filter function are used, the highest permeability of which lies essentially in the frequency range of the fundamental frequencies. Thus, the quality of the phase determination can be additionally increased.
Besonders vorteilhaft ist die Anwendung des Abtastverfahrens, wie es zuvor beschrieben wurde, zur Phasenvermessung insbesondere in akustischen und / oder optischen Auswerteverfahren. - A -The use of the scanning method, as described above, for phase measurement, in particular in acoustic and / or optical evaluation methods, is particularly advantageous. - A -
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungs- beispiels näher erläutert. Es zeigt:The invention will be explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment shown in the FIGURE. It shows:
Figur 1 schematisch das Abtastverfahren nach dem Stand der Technik bei einem sinusförmigen Signalverlauf,FIG. 1 schematically shows the sampling method according to the prior art in the case of a sinusoidal waveform,
Figur 2 das Abtastverfahren bei einem mit Oberschwingungen verzerrten Signalverlauf,FIG. 2 shows the sampling method in the case of a signal waveform distorted with harmonics,
Figur 3 ein Frequenzdiagramm,FIG. 3 shows a frequency diagram,
Figur 4 schematisch das Abtastverfahren gemäß der Erfindung,FIG. 4 schematically shows the scanning method according to the invention,
Figur 5 ein weiteres Frequenzdiagramm,FIG. 5 shows another frequency diagram,
Figur 6 schematisch eine Variante des Abtastverfahrens,FIG. 6 schematically shows a variant of the scanning method,
Figur 7 ein Frequenzdiagramm mit einer Filterfunktion undFIG. 7 shows a frequency diagram with a filter function and
Figur 8 schematisch eine Durchlasskennlinie für eine Filterfunktion.FIG. 8 schematically shows a transmission characteristic curve for a filter function.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In Figur 1 ist das Abtastverfahren bei einem sinusförmigen Signalverlauf 1 gezeigt, wie es bisher üblicherweise eingesetzt ist, wobei die zeitlich sich ändernde Amplitude 20 des Signalverlaufs 1 in Abhängigkeit der Zeit 10 dargestellt ist. Im Beispiel ist ein unverzerr- tes Sinus-Signal gezeigt, dessen Signalverlauf 1 entlang seiner Periode mittels äquidis- tanter Abtastungen bei einer Abtastfrequenz fs ermittelt wird, die der vierfachen Frequenz der zu messenden Grundfrequenz fi 31 entspricht, wobei für jeden Abtastpunkt ein Abtastwert Si, S2, S3 und S4 101 ... 104 bestimmt wird und die Phase φ des Signalverlaufs 1 durch die Beziehung
Figure imgf000007_0001
FIG. 1 shows the sampling method in the case of a sinusoidal waveform 1, as has hitherto been conventionally used, wherein the time-varying amplitude 20 of the signal waveform 1 is shown as a function of time 10. In the example, an undistorted sine signal is shown, whose waveform 1 is determined along its period by means of equidistant samples at a sampling frequency f s which corresponds to four times the frequency of the fundamental frequency fi 31 to be measured, one sample value Si , S 2 , S 3 and S 4 101 ... 104 and the phase φ of the waveform 1 is determined by the relationship
Figure imgf000007_0001
bestimmt werden kann.can be determined.
Figur 2 zeigt demgegenüber einen verzerrten Signalverlauf 1, dessen Grundfrequenz fi 31 durch Überlagerung von einer ersten und einer zweiten harmonischen Oberschwingung 32, 33 mit der Frequenz 2 * f i bzw. 3 * f i verzerrt ist. Nach der Auswertung kann mit dem gezeigten Sampling Mode zwar die erste Oberschwingung 32 mit der Frequenz 2 * fi aber nicht die zweite Oberschwingung 33 mit der Frequenz 3 * f i eliminiert werden.In contrast, FIG. 2 shows a distorted signal course 1 whose fundamental frequency fi 31 is distorted by superposition of a first and a second harmonic harmonic 32, 33 with the frequency 2 * f i or 3 * f i. After the evaluation, although the first harmonic 32 with the frequency 2 * fi but not the second harmonic 33 with the frequency 3 * f i can be eliminated with the sampling mode shown.
Figur 3 zeigt den Sachverhalt in einem Frequenzdiagramm, welches durch eine Fourier- Analyse bestimmt werden kann, in dem die Amplituden 20 der diskreten Frequenzen 30, die in dem Signalverlauf 1 enthalten sind, dargestellt sind. Im Einzelnen sind dies die Grundfrequenz fi 31 sowie die erste und die zweite Oberschwingung 32, 33, mit gegenüber der Grundfrequenz fi 31 reduzierter Amplitude, deren Frequenz zweimal bzw. dreimal der Grundfrequenz fi entspricht. Die Abtastfrequenz fs entspricht im gezeigten Beispiel entsprechend den Abtastpunkten in Figur 1 der vierfachen Frequenz der zu messenden Grundfrequenz fi 31. Entsprechend ist die Nyquist-Grenzfrequenz fN 41 (= halbe Abtastfrequenz fs) im gezeigten Beispiel gleich der Frequenz 2 * f i der ersten Oberschwingung 32, welche gerade noch zwecks Elimination analysiert werden kann. Entsprechend dem Nyquist-Shannonsche Abtasttheorem kann die zweite Oberschwingung 33 mit der Frequenz 3 * f i nicht mehr eindeutig erfasst werden.FIG. 3 shows the situation in a frequency diagram which can be determined by a Fourier analysis in which the amplitudes 20 of the discrete frequencies 30 contained in the signal course 1 are represented. In detail, these are the fundamental frequency fi 31 and the first and second harmonics 32, 33, with respect to the fundamental frequency fi 31 reduced amplitude, the frequency of which corresponds twice or three times the fundamental frequency fi. The sampling frequency f s in the example shown corresponding to the sampling points in Figure 1 of four times the frequency to be measured fundamental frequency fi 31. Accordingly, the Nyquist cutoff frequency f N 41 (= half sampling frequency f s ) in the example shown equal to the frequency 2 * fi first harmonic 32, which can just be analyzed for elimination. According to the Nyquist-Shannon sampling theorem, the second harmonic 33 with the frequency 3 * fi can no longer be detected unambiguously.
In Figur 4 ist der gleiche verzerrte sinusförmige Signalverlauf 1 dargestellt, wobei das Abtastverfahren erfindungsgemäß mit einer Abtastfrequenz fs 40 durchgeführt wird, derart, dass die Nyquist-Grenzfrequenz fN 41, die der halben Abtastfrequenz fs 40 entspricht, mindestens der doppelten Frequenz der höchsten zu eliminierenden Oberschwingung 33 entspricht. Im gezeigten Beispiel ist die Abtastfrequenz fs 40 12mal höher als die zu messenden Grundfrequenz fi 31. Die Nyquist-Grenzfrequenz fN 41 ist dabei doppelt so hoch wie die Frequenz der zu eliminierenden Oberschwingung 33. Die Anzahl von Abtastungen bei der Abtastfrequenz fs 40 entlang einer Periode des Signalverlaufs 1 wird derart gewählt wird, dass diese kleiner ist, als die Anzahl von Abtastpunkten, die bei der Abtastfrequenz fs 40 theoretisch möglich wäre. Im gezeigten Beispiel sind dies lediglich 8 Abtastpunkte, bei denen die Abtastwerte S0 (Periodenbeginn) 100, S2 102, S3 103, S5 105, S6 106, S8 108, S9 109 sowie S11 111 bestimmt werden. Die zeitlichen Abstände zwischen zwei Abtastpunkten entlang der Periode des Signalverlaufs 1 sind unterschied- lieh, wobei der kleinste zeitliche Abstand zweier aufeinander folgender Abtastpunkte durch die Abtastfrequenz fs 40 vorgegeben wird.FIG. 4 shows the same distorted sinusoidal waveform 1, wherein the sampling method is carried out according to the invention with a sampling frequency f s 40, such that the Nyquist cutoff frequency f N 41, which corresponds to half the sampling frequency f s 40, is at least twice the frequency of the sampling frequency f s highest to be eliminated harmonic 33 corresponds. In the example shown, the sampling frequency f s 40 is 12 times higher than the fundamental frequency fi 31 to be measured. The Nyquist cutoff frequency f N 41 is twice as high as the frequency of the harmonic 33 to be eliminated. The number of samples at the sampling frequency f s 40 along a period of the waveform 1 is selected to be smaller than the number of sampling points used in the Sampling frequency f s 40 theoretically possible. In the example shown, these are only 8 sampling points at which the sampling values S 0 (start of period) 100, S 2 102, S 3 103, S 5 105, S 6 106, S 8 108, S 9 109 and S 11 111 are determined. The time intervals between two sampling points along the period of the signal profile 1 are different borrowed, wherein the smallest time interval of two consecutive sampling points by the sampling frequency f s 40 is specified.
Figur 5 zeigt den Sachverhalt gemäß der in Figur 4 dargestellten Abtastung in einem Frequenzdiagramm.FIG. 5 shows the state of affairs according to the sampling shown in FIG. 4 in a frequency diagram.
Die Phase φ des Signalverlaufs 1 kann nach Eliminierung der Oberschwingungen 32, 33 durch die BeziehungThe phase φ of the waveform 1, after elimination of the harmonics 32, 33 by the relationship
π f{S9 + Sn )-{S3 + S5π f {S 9 + S n ) - {S 3 + S 5 ) λ
Phase® = — + aretan )-* n ' ) 3 5~i (3)Phase® = - + aretane) - * n ') 3 5 ~ i (3)
3 [ (S0 + S2)-{S6 + S8 ) J3 [(S 0 + S 2 ) - {S 6 + S 8 ) J
bestimmt werden. Mit dem gezeigten Sampling Mode beträgt die Zunahme der Komplexität lediglich 4 zusätzliche Additionen, so dass die Berechnung einfach in einem μ- Prozessor implementiert werden kann. Ein Eliminieren der unerwünschten Frequenzen mittels eines Digitalfilters ist demgegenüber komplexer.be determined. With the sampling mode shown, the increase in complexity is only 4 additional additions, so the calculation can be easily implemented in a μ-processor. Eliminating the unwanted frequencies by means of a digital filter, on the other hand, is more complex.
In Figur 6 ist eine Verfahrensvariante des Abtastverfahrens dargestellt. Nach einer Abtastung entlang einer Periode des Signalverlaufs 1 werden die Abtastpunkte mittels einer Abtastverschiebung 50 um jeweils den kleinsten zeitlichen Abstand, der durch die Abtastfrequenz fs 40 bestimmt ist, verschoben und neue Abtastwerte 100, ... , 112 innerhalb der neuen Periode des Signalverlaufs 1 bestimmt. Gegenüber einer ersten Abtastung mit den Abtastwerten S0 (Periodenbeginn) 100, S2 102, S3 103, S5105, S6 106, S8 108, S9 109 sowie S11 111 entsprechend Figur 4 werden nach einer ersten Abtastverschiebung 50 Abtastwerte S1 101, S3 103, S4 104, S6106, S7 107, S9 109, SlO9 110 sowie S12 112 bestimmt. Eine Phasenbestimmung für jede neue Abtastung lässt sich mit der BeziehungFIG. 6 shows a method variant of the scanning method. After a scan along a period of the waveform 1, the sample points are shifted by a sample shift 50 by the smallest time interval determined by the sampling frequency f s 40, respectively, and new samples 100, ..., 112 within the new period of the signal waveform 1 determined. Compared with a first sampling with the samples S 0 (beginning of period) 100, S 2 102, S 3 103, S 5 105, S 6 106, S 8 108, S 9 109 and S 11 111 corresponding to FIG. 4, after a first sampling shift 50 Samples S 1 101, S 3 103, S 4 104, S 6 106, S 7 107, S 9 109, SlO 9 110 and S 12 112 determined. A phase determination for each new sample can be made with the relationship
3 12 [ (Vv +S2,.v)-(Vv +Vv) J bestimmen, wobei X die Anzahl der Abtastverschiebung 50 bedeutet.3 12 [(Vv + S 2 , .v) - (Vv + Vv) J where X is the number of sample shift 50.
Mit dieser Methode kann die Abtastverschiebung 50 entsprechend der Anzahl der möglichen Abtastpunkte bei der Abtastfrequenz fs 40 innerhalb einer Periode des Signalver- laufs 1 wiederholt werden und aus den jeweils bestimmten Phasenwerten ein Phasen-With this method, the sampling shift 50 can be repeated in accordance with the number of possible sampling points at the sampling frequency f s 40 within a period of the signal sequence 1 and a phase difference can be determined from the respectively determined phase values.
Durchschnitt berechnet werden,Average be calculated
Phasen (AVG) = — ?— £ Phaseφ (X) (5) nAVG X=O wobei nAvG die Anzahl der Phasenbestimmungen für den Phasen- Durchschnitt ent- spricht.Phases (AVG) = -? - £ Phaseφ (X) (5) nAVG X = O where n A v G is the number of phase determinations for the phase average.
In einem weiteren Verfahrensbeispiel ist das Abtastverfahren hinsichtlich einer simultanen Eliminationberechnung zur Bestimmung der Phase der Grundfrequenz fi 31 und der Phasen weiterer Grundfrequenzen f2, f3 34, 37 des Signalverlaufs 1 erweitert worden. Im Beispiel wird als Grundfrequenz f2 34 eine Frequenz angenommen, die doppelt so hoch ist wie die Grundfrequenz fi 31, und als Grundfrequenz f3 37 eine dreifach so hohe Frequenz wie die Grundfrequenz fi 31 angenommen.In a further method example, the sampling method has been expanded with regard to a simultaneous elimination calculation for determining the phase of the fundamental frequency fi 31 and the phases of further fundamental frequencies f 2 , f 3, 34, 37 of the signal course 1. In the example, the fundamental frequency f 2 34 is assumed to be a frequency twice as high as the fundamental frequency fi 31, and the fundamental frequency f 3 37 is assumed to be three times as high as the fundamental frequency fi 31.
Die Berechnung der Phase der Grundfrequenz fi 31 durch Elimination der Grundfre- quenzen f2, f3 34, 37 des Signalverlaufs 1 erfolgt durch nachfolgende Gleichung, wobei als Abtastfrequenz fs 40 eine gegenüber der niedrigsten Grundfrequenz fi 31 24fach höhere Frequenz verwendet wurde:The calculation of the phase of the fundamental frequency fi 31 by elimination of the fundamental frequencies f 2 , f 3 34, 37 of the waveform 1 is carried out by the following equation, wherein the sampling frequency f s 40 was 24 times higher than the lowest fundamental frequency f1:
Figure imgf000009_0001
Figure imgf000009_0001
Die Berechnung der Phase der Grundfrequenz f2 34 durch Elimination der Grundfrequenzen fi, f3 31, 37 des Signalverlaufs 1 erfolgt durch die Gleichung:The calculation of the phase of the fundamental frequency f 2 34 by elimination of the fundamental frequencies fi, f 3 31, 37 of the waveform 1 is carried out by the equation:
n, / / π , - 2πX ( \S9+X + S2l+X )- {S3+X + Sl5+X ) l Phase® ( u , X) = — I V arctan -, — — r — -. r (7) Die Berechnung der Phase der Grundfrequenz f3 37 durch Elimination der Grundfrequenzen fi, f2 31, 34 des Signalverlaufs 1 erfolgt durch die Gleichung:n, / / π , - 2πX (\ S 9 + X + S 2l + X ) - {S 3 + X + S l5 + X ) l Phase® (u, X) = - IV arctane -, - r - -. r (7) The calculation of the phase of the fundamental frequency f 3 37 by elimination of the fundamental frequencies fi, f 2 31, 34 of the waveform 1 is carried out by the equation:
PhaSeφ(f3,X)
Figure imgf000010_0001
Pha S eφ (f 3 , X)
Figure imgf000010_0001
(8)(8th)
Durch Erhöhung der Abtastfrequenz fs 40 können die Oberschwingungen 32, 33, 35, 36, 38, 39 der Grundfrequenzen 31, 34, 37 eliminiert werden, was einer zusätzlichen Ver- besserung entspricht.By increasing the sampling frequency f s 40, the harmonics 32, 33, 35, 36, 38, 39 of the fundamental frequencies 31, 34, 37 can be eliminated, which corresponds to an additional improvement.
Figur 7 zeigt die Grundfrequenzen 31, 34, 37 sowie deren Oberschwingungen 32, 33, 35, 36, 38, 39 in dem Frequenz-Diagramm. Zudem ist die Nyquist-Grenzfrequenz fN 41, entsprechend der halben Abtastfrequenz fs 40 eingezeichnet. Um eine ausreichende Elimi- nierung der Verzerrung des Signalverlaufs 1 zu erreichen, ist beispielsweise vorgesehen, dass gegenüber der niedrigsten Grundfrequenz 31 beispielsweise eine 72fache Abtastfrequenz fs 40 verwendet wird, was insbesondere bei der Entzerrung von nicht reinen Sinus-Signalen vorteilhaft ist. Dabei zeigt sich allerdings, dass die Grundfrequenzen fi 31 möglichst einer reinen Sinus- Funktion entsprechen sollte, da die erste und zweite har- monische Oberschwingung 32, 33 der Grundfrequenzen fi 31 die Werte der Grundfrequenzen 34, 37 beeinflusst.FIG. 7 shows the fundamental frequencies 31, 34, 37 as well as their harmonics 32, 33, 35, 36, 38, 39 in the frequency diagram. In addition, the Nyquist cutoff frequency f N 41, corresponding to half the sampling frequency f s 40 located. In order to achieve a sufficient elimination of the distortion of the signal curve 1, it is provided, for example, that a 72-fold sampling frequency f s 40 is used in comparison to the lowest fundamental frequency 31, which is advantageous in particular for the equalization of non-pure sine signals. However, it has been shown that the fundamental frequencies fi 31 should correspond as far as possible to a pure sine function, since the first and second harmonic harmonics 32, 33 of the fundamental frequencies fi 31 influence the values of the fundamental frequencies 34, 37.
Zur Verbesserung der Qualität der simultanen Phasen-Bestimmung der Grundfrequenzen 31, 34, 37 ist bei dem Abtastverfahren weiterhin vorgesehen, dass analoge Filter mit einer Filterfunktion 60 eingesetzt werden, deren höchste Durchlässigkeit im Wesentlichen im Frequenzbereich der Grundfrequenzen 31, 34, 37 liegt. Oberschwingungen höherer Ordnungen können damit gefiltert werden. Für einen optimalen Kompromiss zwischen der Effizienz des Filters, zur Eliminierung der höheren harmonischen Oberschwingungen, sowie eines Rauschanteils und der Ansprechgeschwindigkeit des Filters bei einer neuen Messung mit geänderten Parametern ist die Filterfunktion 60 entsprechend zu wählen.In order to improve the quality of the simultaneous phase determination of the fundamental frequencies 31, 34, 37, it is furthermore provided in the sampling method that analog filters with a filter function 60 are used whose highest permeability lies essentially in the frequency range of the fundamental frequencies 31, 34, 37. Harmonics of higher orders can thus be filtered. For an optimum compromise between the efficiency of the filter, to eliminate the higher harmonics, as well as a noise component and the response of the filter in a new measurement with changed parameters, the filter function 60 should be selected accordingly.
Figur 8 zeigt schematisch eine typische Filterfunktion 60, wobei der Logarithmus der Durchlässigkeit 61 in Abhängigkeit des Logarithmus der Frequenz (log f) 62 dargestellt ist. Das Maximum der Filterfunktion 60 liegt dabei im Frequenzbereich der Grundfrequenzen 31, 34, 37.FIG. 8 schematically shows a typical filter function 60, wherein the logarithm of the transmission 61 is represented as a function of the logarithm of the frequency (log f) 62 is. The maximum of the filter function 60 lies in the frequency range of the fundamental frequencies 31, 34, 37.
Prinzipiell kann das Abtastverfahren auch bei Grundfrequenzen 31, 34, 37 angewendet werden, die ein gebrochen rationales Verhältnis, z.B. fi, 4/3 * fi und 5/3 * fi oder beispielsweise fi, 3/2 * fi und 5/2 * fi, aufweisen. In principle, the scanning method can also be applied to fundamental frequencies 31, 34, 37 having a fractionally rational relationship, e.g. fi, 4/3 * fi and 5/3 * fi or for example fi, 3/2 * fi and 5/2 * fi.

Claims

Ansprüche claims
1. Abtastverfahren für die Bestimmung der Phase eines im Wesentlichen sinusförmigen Signalverlaufs (1) mit mindestens einer Grundfrequenz (31, 34, 37), welcher durch Oberschwingungen (32, 33, 35, 36, 38, 39) der Grundfrequenzen (31, 34, 37) verzerrt ist, wobei mittels Abtastungen mit einer Abtastfrequenz fs (40) mehrere AbtastwerteA sampling method for determining the phase of a substantially sinusoidal waveform (1) having at least one fundamental frequency (31, 34, 37), which is defined by harmonics (32, 33, 35, 36, 38, 39) of the fundamental frequencies (31, 34 , 37) is distorted, wherein by means of samples having a sampling frequency f s (40) a plurality of samples
(100, ... , 112) innerhalb einer Periode des Signalverlaufs (1) bestimmt und daraus die Phase berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase mindestens einer Grundfrequenz fi (31) des Signalverlaufs (1) und die Phase der Oberschwingungen (32, 33) durch Elimination der unterhalb oder oberhalb liegenden Ober- Schwingungen simultan bestimmt werden.(100, ..., 112) is determined within a period of the signal profile (1) and the phase is calculated therefrom, characterized in that the phase of at least one fundamental frequency fi (31) of the signal profile (1) and the phase of the harmonics (32 , 33) can be determined simultaneously by elimination of the upper or lower harmonics.
2. Abtastverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastfrequenz fs (40) bei einer Frequenz durchgeführt wird, derart, dass eine Nyquist-Grenzfrequenz fN (41), die der halben Abtastfrequenz fs (40) entspricht, mindesten der doppelten Frequenz der höchsten zu eliminierenden Oberschwingung (33) entspricht.2. A sampling method according to claim 1, characterized in that the sampling frequency f s (40) is performed at a frequency such that a Nyquist cutoff frequency f N (41) corresponding to half the sampling frequency f s (40), at least the twice the frequency of the highest harmonic to be eliminated (33).
3. Abtastverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Abtastungen bei der Abtastfrequenz fs (40) entlang einer Periode des Signalverlaufs (1) gewählt wird, die kleiner ist, als die Anzahl von Abtastpunkten, die bei der Abtastfrequenz fs (40) theoretisch möglich wäre und die zeitlichen Abstände zwischen zwei Abtastpunkten entlang einer Periode des Signalverlaufs (1) unterschiedlich sind, wobei der kleinste zeitliche Abstand zweier aufeinander folgender Abtastpunkte durch die Abtastfrequenz fs (40) vorgegeben wird.3. A scanning method according to claim 1 or 2, characterized in that a number of samples at the sampling frequency f s (40) along a period of the waveform (1) is selected, which is smaller than the number of sampling points, at the sampling frequency f s (40) would be theoretically possible and the time intervals between two sampling points along a period of the waveform (1) are different, wherein the smallest time interval of two consecutive sampling points by the sampling frequency f s (40) is predetermined.
4. Abtastverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Abtastung entlang einer Periode des Signalverlaufs (1) die Abtastpunkte mittels einer Abtastverschiebung (50) um jeweils den kleinsten zeitlichen Abstand, der durch die Abtastfrequenz fs (40) bestimmt ist, verschoben werden und neue Abtastwerte (100, ... , 112) innerhalb der neuen Periode des Signalverlaufs (1) be- stimmt werden. 4. Scanning method according to one of claims 1 to 3, characterized in that after a scan along a period of the waveform (1) the sampling points by means of a sampling shift (50) by the smallest time interval, respectively, by the sampling frequency f s (40) is determined, shifted and new samples (100, ..., 112) are determined within the new period of the waveform (1).
5. Abtastverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastverschiebung (50) entsprechend der Anzahl der möglichen Abtastpunkte bei der Abtastfrequenz fs (40) innerhalb einer Periode des Signalverlaufs (1) wiederholt wird und aus den jeweils bestimmten Phasenwerten ein Phasen- Durchschnitt berechnet wird.5. A sampling method according to claim 4, characterized in that the sample shift (50) corresponding to the number of possible sampling points at the sampling frequency f s (40) within a period of the waveform (1) is repeated and from the particular phase values determined a phase average is calculated.
6. Abtastverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase der Grundfrequenz fi (31) und die Phase weiterer Grundfrequenzen f2, f3 (34, 37) des Signalverlaufs (1) durch Eliminationsberechnung simultan bestimmt wer- den.6. Scanning method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the phase of the fundamental frequency fi (31) and the phase of further fundamental frequencies f 2 , f 3 (34, 37) of the waveform (1) are determined by Eliminationsberechnung simultaneously ,
7. Abtastverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Grundfrequenz f2 (34) eine Frequenz angenommen wird, die doppelt so hoch ist wie die Grundfrequenz fi (31), und als Grundfrequenz f3 (37) eine dreifach so hohe Frequenz wie die Grundfrequenz fi (31) angenommen wird.7. A sampling method according to claim 6, characterized in that as the fundamental frequency f 2 (34) is assumed a frequency which is twice as high as the fundamental frequency fi (31), and as the fundamental frequency f 3 (37) a threefold frequency as high as the fundamental frequency fi (31) is assumed.
8. Abtastverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch Erhöhung der Abtastfrequenz fs (40) die Oberschwingungen (32, 33, 35, 36, 38, 39) der Grundfrequenzen (31, 34, 37) eliminiert werden.8. scanning method according to one of claims 1 to 7, characterized in that by increasing the sampling frequency f s (40), the harmonics (32, 33, 35, 36, 38, 39) of the fundamental frequencies (31, 34, 37) are eliminated ,
9. Abtastverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur simultanen Bestimmung der Phase der Grundfrequenzen (31, 34, 37) analoge Filter mit einer Filterfunktion (60) eingesetzt werden, deren höchste Durchlässigkeit im Wesentlichen im Frequenzbereich der Grundfrequenzen (31, 34, 37) liegt.9. Scanning method according to one of claims 1 to 8, characterized in that for the simultaneous determination of the phase of the fundamental frequencies (31, 34, 37) analog filters with a filter function (60) are used, the highest permeability substantially in the frequency range of the fundamental frequencies ( 31, 34, 37).
10. Anwendung des Abtastverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Phasenvermessung in akustischen und / oder optischen Auswerteverfahren. 10. Application of the scanning method according to one of claims 1 to 9 for phase measurement in acoustic and / or optical evaluation.
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