本发明专利技术涉及一种正弦信号四参数检测方法和虚拟仪器信号检测装置，该装置由信号调理单元、数据采集单元、微型计算机及信号处理单元组成，传感器和信号源产生的信号经过信号调理，采用数据采集卡将模拟正弦信号采样量化成为数字信号，通过数据接口将数字信号送入计算机，利用本发明专利技术所提出的信号检测方法，对连续采样的两个信号序列分别进行ＦＦＴ变换，运用ＦＦＴ的选频特性，分别提取信号直流量和交流量的频谱峰值，并通过精细的相位校正和频率校正，精确测量出正弦信号的幅值、频率、相位（差）及直流分量参数，再将信号波形、频谱图以及测量结果通过显示器输出，将动态测量结果保存成数据文件。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种正弦信号四参数检测方法和虚拟仪器信号检测装置，尤其是指一种高精度的测量正弦信号幅值、频率、相位(差)及直流分量的方法，以及一种虚拟仪器信号检测装置，属于数字信号处理及分析领域。
技术介绍
在传感器信号检测及分析、电工测量和电力系统监测等工业领域中，经常需要对正弦信号的各参数进行高精度测量。 正弦信号测量方法一般分为模拟式测量和数字式测量。传统的模拟式测量方法主要通过硬件电路实现，其测量精度主要取决于测量电路的性能。数字式测量也称软件测量法，是国内外信号检测发展的主流，其测量精度和性能主要依赖于数字信号处理算法。 1、目前主要的正弦信号检测算法及其存在的问题 目前主要的正弦信号检测算法有过零鉴相法、最小二乘法(LSM方法)、时频分析法、数字相关法和频率分析检测法。 过零鉴相法是用模拟电路和数字电路将正弦信号转换成脉冲方波，通过计数测算频率，通过脉宽测算相位，通过交流整形测算幅值。由于过零鉴相法易于用硬件电路实现，它曾经是测量正弦信号时经常采用的一种方法。如美国专利数据库中，专利号为US005262714A，名称为SINEWAVE FREQUENCY MEASURING APPARATUS(正弦波频率测量装置)，欧洲专利数据库中，专利号为EP1255196，名称为DIGITAL PHASE METER(数字相位计)以及文献《FPGA在数字相位差检测仪中的应用》，马文华，甘达..广西师范大学学报(自然科学版)，2005，3102-105都采用的是过零鉴相法。但其有以下几方面缺点第一，由于采用了过零检测方法，在信号存在零点漂移和受到随机噪声干扰情况下测量误差较大，抗干扰能力较差。第二，由于测量结果是通过脉冲计数得到的，测量精度受时钟的精确度和时钟频率的限制。第三，由于全部采用硬件实现，测量过程难免引入新的干扰。另外，名称为“振幅检测装置”，申请号为97114060.X的中国专利技术专利，提出通过延迟四分之一周期后求平方根的方法测量正弦信号的幅值，此方法抗噪声干扰能力差，且延迟参数的确定需要预知正弦信号频率的精确值。 LSM方法即最小二乘法。文献《Phase Angle Measurement Between Two SinusoidalSignals》Roberto Micheletti..IEEE Transactions on Instrumentation andMeasurement，1991，40(1)40-42.和美国专利数据库中，专利号为US20040228390A1，名称为METHOD OF FREQUENCY AND PHASE OFFSET ESTIMATION USING LEAST SQUARE METHODIN A BURST RECEIVER(在突发接收机中采用最小二乘法的频率和相位偏移估计方法)都采用了LSM方法，但是前者需要预先知道已知被测信号频率的精确值，后者无法给出正弦信号的幅值。 文献《小波变换在振动信号分析中的工程解释与应用》沈松，应怀樵，刘进明..振动、测试与诊断，2000，20(4)259-263.提出的基于小波变换的时频分析法可以实现对信号各频率分量的高精度测量。但小波函数具有不唯一确定性，小波变换的结果不如傅立叶变换那样直观明了，时频分析对工程人员理论要求较高，这限制了时频分析的系统工程应用。 文献《基于数字相关原理的相位差测量新方法》刘灿涛，赵伟，袁俊..计量学报，2002，23(3)219-223.所采用的数字相关法有较好的噪声抑制能力，但要求实行严格整周期采样。在非整周期采样条件下数字相关法检测精度会大大降低。 本专利技术中的信号处理算法属于频谱分析法的范畴。频谱分析法最基本的原理是对信号进行快速傅立叶变换(FFT)，以得到信号的频域信息。FFT方法一般也需要严格整周期采样，否则其测量精度受频谱泄漏的影响。如图9所示。对此文献《周期信号相位差的高精度数字测量》江亚群，何怡刚..电工技术学报，2006，21(11)116-120.提出采用加窗截取的办法校正频谱。但是运用这种方法的校正效果主要取决于窗函数，当待测信号参数变化时，窗函数的参数也需要随之变化，需要根据信号参数确定窗函数的参数，实现方法较复杂。 本专利技术采用一种易于实现的校正方法，较好地克服了一般FFT方法因非整周期截断引起频谱泄漏的问题。将连续采样的2N-1点数字序列L(序号为0，1，…，2N-2)分裂为两个新序列L1(0～N-1点)和L2(N-1～2N-2点)，其中L1和L2都含有第N-1点。对L1和L2分别进行FFT之后的频谱峰值处的信息进行校正，不仅通过两序列频谱峰值相角相减校正了非整周期截断带来的频谱泄漏误差，还通过精细的相位校正和频率校正基本消除了因非整周期截断初相位引起的频谱误差，从而实现对正弦信号各参数的高精度测量。本专利技术的信号处理算法最主要的计算量在于FFT，校正处理只是少量的基本代数运算。而FFT早已经是成熟的快速算法，故本信号处理算法可以在一般的微型计算机上进行动态实时测量。 文献《相位差的数字化测量研究》吴俊清..应用基础与工程科学学报，2005，13(1)99-104.和名称为“全相位时移相位差频谱校正方法”，申请号为200610129444.0的中国专利公开了类似的相位校正算法，但是与本专利技术有比较明显的区别。第一，二者也提到将连续采样的信号序列分裂成两个新的序列，但是这两个序列不含公共点，而本专利技术中的两个新序列含有公共点(第N-1点)。第二，二者都只提到了校正非整周期截断带来的频谱泄漏误差的方法，并没有通过精细的相位校正和频率校正消除因非整周期截断初相位引起的频谱误差，因而本专利技术的信号处理算法对频率和相位的检测精度的检测精度高于二者的方法。如图10所示。第三，二者都没有给出正弦信号中的直流分量的检测方法。 2、传统的信号检测装置的主要问题 通常用于检测正弦信号参数的装置主要有模拟或数字的示波器，电子频率计、相位计等。限制传统检测仪器发展的根本因素是硬件依赖性大，这导致了传统仪器以下几方面的缺点。 (1)传统检测仪器的测量过程完全由硬件电路实现，难免会在测量过程中引入新的干扰。因而测量精度较低，不能满足工业领域越来越高的精度要求。 (2)传统检测仪器硬件成本高，尤其是多通道测量仪器成本很高。 (3)传统检测仪器不能实现自动化检测，不具有保存波形数据和测量结果数据的功能，不能同时测量正弦信号的全部参数。 (4)传统测量仪器的性能主要取决于硬件的性能，因而对信号的适应性较差。 目前信号检测仪器正在向虚拟仪器方向发展。虚拟仪器技术主要依靠软件算法来实现测量，它具有硬件成本低、测量精度高、自动化智能化程度高、功能齐全和适应性强等特点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种正弦信号四参数检测方法和虚拟仪器信号检测装置，针对国内外现有正弦信号检测方法和仪器的不足之处，实现对正弦信号的幅值、频率、相位(差)及直流分量的动态实时测量，信号波形、频谱的显示，以及对波形数据和测量结果的保存，便于一般的信号检测工程技术人员轻松使用。 本专利技术一种虚拟仪器信号检测装置，是由信号调理单元、数据采集单元、信号处理单元和微型计算机组成。传感器和信号源产生的信号经过信本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种虚拟仪器信号检测装置，是由信号调理单元、数据采集单元、信号处理单元和微型计算机组成，其特征在于：该装置具体包括如下部分：信号调理单元：通过多路导线与传感器、信号源连接，将传感器、信号源产生的模拟正弦信号传输至信号调理单元，信号调理单元对由传感器和信号源产生的电流电压信号进行调理，信号经过传输后由该单元实现抗干扰滤波、电路隔离，并将其调理到数据采集卡所允许的测量范围内；数据采集单元：通过防电磁干扰的多路导线与信号调理单元连接，经信号调理单元滤波、增益处理后的模拟正弦信号传输至数据采集单元，并通过多功能数据采集卡将调理后的模拟信号转化为数字信号；微型计算机：与数据采集单元之间通过数据接口进行通信，将由数据采集单元采样、量化后的正弦信号数字序列传输至微型计算机的缓存中，并完成数据的读取、运算和测量结果的存储、输出；信号处理单元：与微型计算机之间通过内部数据总线进行数据交换，微型计算机将缓存中的正弦信号数字序列通过内部数据总线传送给信号处理单元；信号处理单元将处理结果通过内部数据总线再传输给微型计算机，以便微型计算机对处理结果进行存储和显示。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：付连锐，王兆仲，张军香，陈伟，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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