一种低频弦波信号相位差测量方法技术

本发明专利技术提供一种低频弦波信号相位差测量方法，属于相位差测量领域。解决现有相位差测量存在电路结构复杂，测量精度低的问题。包括：将同步采集到的两路同频弦波信号进行无符号化处理，获取FPGA中待处理的第一信号和第二信号；依次确定第一信号的自相关测量值，第二信号的自相关测量值和第一信号与第二信号的互相关测量值；根据噪声和信号不相关特性，获取第一信号的自相关理论值，第二信号的自相关理论值和第一信号与第二信号的互相关理论值；根据两路同频弦波信号的幅度，第一信号的自相关理论值，第二信号的自相关理论值和第一信号与第二信号的互相关理论值以及任意角度函数关系式，确定两路同频弦波信号之间的相位差。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于相位差测量
，更具体的涉及一种低频弦波信号相位差测量方法。
技术介绍
在测试计量
，测量低频弦波信号的相位差在工程中有着重要地位。例如，电网电能计量中高精度功率参数的分析和计算就涉及50Hz工频电压弦波信号与相应电流信号间相位差的准确测量。在时频基准计量领域，目前被中国计量研究院、美国喷气推进实验室等国内外研究机构和GPS导航卫星等重大工程装置广泛采用的双混频时差精密频率测量技术方案中，也是将5MHz或10MHz等标准频率下变频成10Hz或100Hz的低频弦波信号进行相位差比对测量。测量弦波信号的相位差最惯用的方法是使用具备相位差测量功能的通用仪器，例如示波器、计数器等。此类通用仪器通常采用基于脉冲填充计数的相位差测量方法，需要将两路待测弦波信号整形转换为方波信号，然后利用方波信号上升沿或下降沿开关闸门，利用脉冲填充计数的方式实现两路信号的相位差测量。这种测量方式必须有非常高的填充频率才能获得好的测量精度，而且不可避免存在±个字的计数误差，测量精度一般较低。测量弦波信号的相位差也可以使用专用的比相仪，例如HP/Agilent公司的K34-59991(100KHz-10MHz)、Microsemi公司的MMS多通道测试仪(1MHz-20MHz)等。但是，这些专用的相位差测量仪器的可测量对象的频率范围一般较高，不能满足某些领域低频信号相位差的测量需求。例如，电网电能计量中待测信号频率为50Hz。综上所述，现有的相位差测量仪器存在电路结构复杂，体积较大，且测量精度低的问题。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种低频弦波信号相位差测量方法，用以解决现有相位差测量仪器存在电路结构复杂，体积较大，且测量精度低的问题。本专利技术实施例提供一种低频弦波信号相位差测量方法包括：将同步采集到的两路同频弦波信号进行数字化处理，将数字化处理的所述两路同频弦波信号进行无符号化处理，获取如公式(1)所述的FPGA中待处理的第一信号和第二信号；通过下列公式(2)依次确定所述第一信号的自相关测量值，所述第二信号的自相关测量值和所述第一信号与所述第二信号的互相关测量值；根据噪声和信号不相关特性，获取如公式(3)所示的第一信号的自相关理论值，所述第二信号的自相关理论值和所述第一信号与所述第二信号的互相关理论值；根据所述两路同频弦波信号的幅度，所述第一信号的自相关理论值，所述第二信号的自相关理论值和所述第一信号与所述第二信号的互相关理论值以及任意角度函数关系式，通过公式(4)确定所述两路同频弦波信号之间的相位差；公式(1)如下所示：x(n)＝x0(n)+My(n)＝y0(n)+M公式(2)如下所示：Rxx_measured(0)=1NΣn=0N-1(x(n))2]]>Ryy_measured(0)=1NΣn=0N-1(y(n))2]]>Rxy_measured(0)=1NΣn=0N-1x(n)·y(n)]]>公式(3)如下所示：Rxx_theoretical(0)=A22+M2]]>Ryy_theoretical(0)=B22+M2]]>公式(4)如下所示：其中，x(n)为FPGA中待处理的第一信号，y(n)为FPGA中待处理的第二信号，x0(n)为采集到第一弦波信号，y0(n)为采集到的第二弦波信号，M为正向偏移量，Rxx_measured(0)为第一信号的自相关测量值，Ryy_measured(0)为第二信号的自相关测量值，Rxy_measured(0)为第一信号与第二信号的互相关测量值，Rxx_theoretical(0)为第一信号的自相关理论值，Ryy_theoretical(0)为第二信号的自相关理论值，Rxy_theoretical(0)为第一信号与第二信号的互相关理论值，N为数据采样点数，A和B分别两路同频弦波信号的幅度，为两路同频弦波信号之间的相位差。优选地，所述无符号化处理包括，将所述数字化处理的第一信号和所述数字化处理的第二信号同时叠加一个相同的正向偏移量，其中所述正向偏移量大于所述两路同频弦波信号的幅度。本专利技术实施例中，提供的本专利技术实施例提供一种低频弦波信号相位差测量方法，包括：将同步采集到的两路同频弦波信号进行数字化处理，将数字化处理的所述两路同频弦波信号进行无符号化处理，获取如公式x(n)＝x0(n)+M，y(n)＝y0(n)+M所述的FPGA中待处理的第一信号和第二信号；通过下列公式依次确定所述第一信号的自相关测量值，所述第二信号的自相关测量值和所述第一信号与所述第二信号的互相关测量值；根据噪声和信号不相关特性，获取如公式所示的第一信号的自相关理论值，所述第二信号的自相关理论值和所述第一信号与所述第二信号的互相关理论值；根据所述两路同频弦波信号的幅度，所述第一信号的自相关理论值，所述第二信号的自相关理论值和所述第一信号与所述第二信号的互相关理论值以及任意角度函数关系式，通过公式确定所述两路同频弦波信号之间的相位差；其中，x(n)为FPGA中待处理的第一信号，y(n)为FPGA中待处理的第二信号，x0(n)为采集到第一弦波信号，y0(n)为采集到的第二弦波信号，M为正向偏移量，Rxx_measured(0)为第一信号的自相关测量值，Ryy_measured(0)为第二信号的自相关测量值，Rxy_measured(0)为第一信号与第二信号的互相关测量值，Rxx_theoretical(0)为第一信号的自相关理论值，Ryy_theoretical(0)为第二信号的自相关理论值，Rxy_theoretical(0)为第一信号与第二信号的互相关理论值，N为数据采样点数，A和B分别两路同频弦波信号的幅度，为两路同频弦波信号之间的相位差。在本专利技术实施例中，采用FPGA芯片，对采集到的两路同频弦波信号进行处理，解决了现有顺序指令执行CPU构架模式不可避免的速度瓶颈问题，确保了测量的实时性，在1Hz-500Hz的频率范围内，采用FPGA芯片的系统测量相对误差小于1.38％，从而提高的测量精度。进一步地，用于FPGA芯片体积比较小，便于携带，从而扩大了该测量工具的应用场合。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供一种低频弦波信号相位差测量测量方法流程图；图2为本专利技术实施例提供的测量电路结构图；图3为本专利技术实施例提供的信号调理电路和数据同步采集电路；图4为本专利技术实施例提供的FPGA与AD芯片之间的时序控制逻辑；图5为本专利技术实施例提供的FPGA电路；图6为本专利技术实施例提供的串口电平转换电路。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。图1为本专利技术实施例提供的一种低频弦波信号相位差测量测本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低频弦波信号相位差测量方法，其特征在于，包括：将同步采集到的两路同频弦波信号进行数字化处理，将数字化处理的所述两路同频弦波信号进行无符号化处理，获取如公式(1)所示的FPGA中待处理的第一信号和第二信号；通过下列公式(2)依次确定所述第一信号的自相关测量值，所述第二信号的自相关测量值和所述第一信号与所述第二信号的互相关测量值；根据噪声和信号不相关特性，获取如公式(3)所示的第一信号的自相关理论值，所述第二信号的自相关理论值和所述第一信号与所述第二信号的互相关理论值；根据所述两路同频弦波信号的幅度，所述第一信号的自相关理论值，所述第二信号的自相关理论值和所述第一信号与所述第二信号的互相关理论值以及任意角度函数关系式，通过公式(4)确定所述两路同频弦波信号之间的相位差；公式(1)如下所示：x(n)＝x0(n)+My(n)＝y0(n)+M公式(2)如下所示：Rxx_measured(0)=1NΣn=0N-1(x(n))2]]>Ryy_measured(0)=1NΣn=0N-1(y(n))2]]>Rxy_measured(0)=1NΣn=0N-1x(n)·y(n)]]>公式(3)如下所示：Rxx_theoretical(0)=A22+M2]]>Ryy_theoretical(0)=B22+M2]]>公式(4)如下所示：其中，x(n)为FPGA中待处理的第一信号，y(n)为FPGA中待处理的第二信号，x0(n)为采集到第一弦波信号，y0(n)为采集到的第二弦波信号，M为正向偏移量，Rxx_measured(0)为第一信号的自相关测量值，Ryy_measured为第二信号的自相关测量值，Rxy_measured(0)为第一信号与第二信号的互相关测量值，Rxx_theoretical(0)为第一信号的自相关理论值，Ryy_theoretical(0)为第二信号的自相关理论值，Rxy_theoretical(0)为第一信号与第二信号的互相关理论值，N为数据采样点数，A和B分别两路同频弦波信号的幅度，为两路同频弦波信号之间的相位差。...

【技术特征摘要】
1.一种低频弦波信号相位差测量方法，其特征在于，包括：将同步采集到的两路同频弦波信号进行数字化处理，将数字化处理的所述两路同频弦波信号进行无符号化处理，获取如公式(1)所示的FPGA中待处理的第一信号和第二信号；通过下列公式(2)依次确定所述第一信号的自相关测量值，所述第二信号的自相关测量值和所述第一信号与所述第二信号的互相关测量值；根据噪声和信号不相关特性，获取如公式(3)所示的第一信号的自相关理论值，所述第二信号的自相关理论值和所述第一信号与所述第二信号的互相关理论值；根据所述两路同频弦波信号的幅度，所述第一信号的自相关理论值，所述第二信号的自相关理论值和所述第一信号与所述第二信号的互相关理论值以及任意角度函数关系式，通过公式(4)确定所述两路同频弦波信号之间的相位差；公式(1)如下所示：x(n)＝x0(n)+My(n)＝y0(n)+M公式(2)如下所示：Rxx_measured(0)=1NΣn=0N-1(x(n))2]]>Ryy_measured(0)=1NΣn=0N-1(y(n))2]]>Rxy_measured(0)=1NΣn=0N-1x(...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐升，王天翔，雷浩丹，邓智峰，杨育婷，王万恒，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61