一種電信號瞬時相位的數字化測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種電信號瞬時相位的數字化測量方法，也適用于低頻率信號的瞬時 相位測量，屬于信號檢測的技術領域。
【背景技術】
[0002] 在日常生活、生產過程中常常需要測量電信號的瞬時相位，測量的瞬時相位越準 確，應用的效果往往更好。在現有的瞬時相位測量方法中，大多數采用傳統的零交法測量 某一路信號的瞬時相位，這種算法易于實現，但是容易受到干擾的影響，使得測量的精度較 低。
【發明內容】
[0003] 本發明所要解決的技術問題是針對現有技術中電信號的瞬時相位測量精度不夠 準確，提出了一種電信號瞬時相位的數字化測量方法，相比較傳統的零交法而言，在測量的 精度、抗干擾性等發明得到很大的提高。
[0004] 本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：
[0005] -種電信號瞬時相位的數字化測量方法，包括以下步驟：
[0006] 步驟1)，對被測電信號進行采樣，得到被測電信號的采樣值，然后生成采樣信號；
[0007] 步驟2)，以模擬或數字方法獲取至少兩個周波過負峰值后的過零點時間序列 Tzl，Tz2，…，Tzk，k為大于1的自然數；
[0008] 步驟3)，確定用于計算第j過零點時間的起始積分點時間T#其計算公式為 TfT&o+TXf，其中：T是根據過零點TzuA Tz(j_2)，…，Tz(j_k)計算得出的平均周期，參數 f e (〇. 5, 1)，j為自然數且j>k;
[0009] 步驟4)，在被測電信號的采樣信號中，選擇m個在采樣時間上按次序排放的采樣 點，設這m個采樣點的采樣時間分別為tph、. . . ti、ti+1、. . . tm，采樣值分別為XpX2^ . . Xp xi+1. · · xm，其中L彡Tsj, t2>Tsj，i、m均為自然數且1彡i〈m ;
[0010] 步驟5)，在第1個采樣點和第2個采樣點之間通過線形插值的方式獲取一個數字 積分開始點S，其坐標為（ x@ TsP ;令SiS數字積分開始點到第i采樣點（Xi，ti)的數字積 分，則Si+1為數字積分開始點到第i+Ι采樣點（x i+1，ti+1)的數字積分；當Si和si+1的乘積小 于等于0時，在第i個采樣點和第i+ι個采樣點之間通過矩形插值或者梯形插值的方式獲 取一個數字積分結束點k，其坐標為（x k，tk)，使得從數字積分開始點到積分結束點的數字 積分為零，計算得出積分結束點k的虛擬發生時間t k;
[0011] 步驟6)，計算第j過零點時間 2
[0012] 步驟7)，重復步驟3)至步驟6)得到第j+1過零點時間Tz(j+1)，則被測電信號的周 期：Tpj=Tz(j+1)-Tzj，因此獲得被測電信號的周期依次為T pl，Tp2, Tp3,......Tp^, η為大于1的 自然數；
[0013] 步驟8)，根據步驟7)獲得的被測電信號的周期序列，預測被測電信號當前周波的 周期T p ;
[0014] 步驟9)，根據緊鄰當前時間的前一個時段被測電信號的過零點的時間、步驟8)預 測的被測電信號當前周波的周期以及當前時間，計算得出被測電信號當前的瞬時相位。
[0015] 作為所述數字化測量方法的進一步優化方案，步驟1)所述對被測電信號進行采樣 是等時間間隔采樣或者是不等時間間隔采樣。
[0016] 作為所述數字化測量方法的進一步優化方案，步驟1)所述的采樣為對被測電信號 的整周波進行采樣。
[0017] 作為所述數字化測量方法的進一步優化方案，所述步驟8)的具體步驟如下：
[0018] 根據步驟7)計算得到的被測電信號前幾個周波的周期依次為 Tp(b-3)，Tp(b-2)，Tp(b-1)， Tpb 預測的當前周波的周期 Tp 為=Tp=K1 X Tpb+K2 X Tp(b4+K3 X Tp(b_a+K4 X Tp (b_3);其中，K1, K2, K3, K4為任意常數，但須滿足條件WVK4=I, b為大于3的正整數。
[0019] 作為所述數字化測量方法的進一步優化方案，所述步驟9)的具體步驟如下： 設被測電信號的前一個時段過零點的時間為τ ζ，當前時間為T。，由步驟8)預測得到 的被測電信號當前周波的周期為Τρ，則被測電信號當前的瞬時相位以度數值表示為： 巧=X 360°，或者以弧度值表示為：C = 2 X ζ X 。 1P P
[0020] 作為所述數字化測量方法的進一步優化方案，所述數字積分為梯形積分或者矩形 積分。
[0021] 本發明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：
[0022] 1)傳統的零交法采用符號相反的兩個連續點來確定零點并繼而確定電信號的瞬 時相位，雖然算法物理概念清晰，但是容易受諧波、測量誤差等的干擾，測量精度低。只有準 確定位零點，才能計算出精確的瞬時相位。針對電信號大多數是對稱的特點，根據計算得 到的積分開始時間進行線形插值運算選取一個采樣點P s作為積分開始點，之后進行數字積 分，通過插值的方式獲取一個積分結束點，使得從積分開始點到積分結束點的數字積分為 零，由積分開始點的采樣發生時間和積分結束點的虛擬發生時間計算電信號的零點。確定 了信號的過零點之后，可以計算出電信號的頻率和周期。最后根據前一個時段電信號的過 零點的時間、預測的當前周波的周期以及當前時間，計算得出當前的瞬時相位。相比較傳統 的零交法而言，運算量有所增加，但測量的精度、抗干擾性得到了很大的提高。
[0023] 2)本發明所涉及的采樣可以是等時間間隔采樣，也可以是不等時間間隔采樣，如 果是等時間間隔采樣的話，則運算量可以經過優化而進一步減少。
【附圖說明】
[0024] 圖1是計算獲取積分開始點后采用矩形積分、矩形插值的方式計算得到積分結束 點的虛擬發生時間，并獲取過零點的示意圖；
[0025] 圖2是計算獲取積分開始點后采用梯形積分、梯形插值的方式計算得到積分結束 點的虛擬發生時間，并獲取過零點的示意圖；
[0026] 圖3是計算獲取積分開始點后采用梯形積分、矩形插值的方式計算得到積分結束 點的虛擬發生時間，并獲取過零點的示意圖；
[0027] 圖4是采用傳統的過零點比較法獲取兩個過負峰值后的過零點，計算獲取積分開 始點后采用梯形積分、梯形插值的方式計算得到積分結束點的虛擬發生時間，從而獲取第 3個過零點的示意圖；
[0028] 圖5是采用傳統的過零點比較法獲取兩個過負峰值后的過零點，計算獲取積分開 始點后采用梯形積分、梯形插值的方式計算得到積分結束點的虛擬發生時間，獲取第10、 11、12個過零點的示意圖。
[0029] 圖6是采用梯形積分、梯形插值方式時計算某一個采樣點瞬時相位的示意圖；
【具體實施方式】
[0030] 下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明：
[0031] 本發明的實質是采用數字積分并插值的方式處理連續的數字采樣信號，對被測電 信號進行采樣，得到被測電信號的采樣值，然后生成采樣信號；以模擬或數字方法獲取至少 兩個周波過負峰值后過零點時間；根據計算得到的積分開始時間進行線形插值運算選取一 個虛擬采樣點P s作為積分開始點，在后續的采樣點中會存在這樣連續的兩個點Pi和Pi+1，如 果從P s到Pi的數字積分數值和從Ps到Pi+1的數字積分數值的乘積小于等于零時，則可以 在P i和Pi+1之間通過插值的方式獲取一個積分結束點Pk，Pk的獲取條件是從P s到Pk的數 字積分為0。則可以由Ps的虛擬發生時間和Pk的虛擬發生時間計算電信號的零點，由一系 列電信號的過零點計算電信號的頻率或周期。這里所謂的數字積分有如下幾種方式：梯形 積分、矩形積分方式。最后根據前一個時段電信號的過零點的時間、預測的當前周波的周期 以及當前時間，計算得出當前的瞬時相位。選取的P s不宜過于接近零點，如果接近零點的 話容易受到噪聲的干擾導致測量結果不夠準確。
[0032] 為獲得較為精確的測量結果，建議的采樣點己的選取方案是：不宜過于接近零點。
[0033] 本發明的特點和優點將通過實例結合附圖進行詳細說明。本發明的原理通過測量 某一個采樣點的瞬時相位來進行說明。
[0034] 本發明的具體實施過程如下：
[0035] 1、對被測電信號進行采樣，得到被測電信號的采樣值，然后生成采樣信號，這里所 述的采樣為對整周波進行的采樣。可以是等時間間隔采樣，也可以是不等時間間隔采樣。；
[0036] 2、以模擬或數字方法獲取至少兩個周波過負峰值后的過零點時間序列 Tzi，Tz2, Tz3...；
[0037] 3、確定用于計算第j過零點時間的起始積分點時間T#其計算公式為 TsJ=Tz(j_D+TXf，其中T是根據過零點Τζ?_υ，T z(j_a，Tz(j_3卜·計算得出的平均周期， f e (〇· 5, 1)；
[0038] 4、在被測電信號的采樣信號中，選擇m個在采樣時間上按次序排放的采樣點， 設這m個采樣點的采樣時間分別為tp t2、. . . tp ti+1、. . . tm，采樣值分別為x2、. . . Xp xi+1. · · xm，其中L彡Tsj, t2>Tsj，i、m均為自然數且1彡i〈m ;
[0039] 5、在第1個采樣點和第2個采樣點之間通過線性插值的方式獲取一個數字積分開 始點s，其坐標為，!^);令S i為從數字積分開始點到第i采樣點（Xpti)的數字積分，則 Si+1為從數字積分開始點到第i+Ι采樣點（xi+1，ti+1)的數字積分；當S i和Si+1的乘積小于等 于0時，在第i個采樣點和第i+Ι個采樣點之間通過矩形插值或者梯形插值的方式獲取一 個數字積分結束點k，其坐標為（xk，tk)，使得從數字積分