CN102809687B - 一种交流电频率的数字化测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流电频率的数字化测量方法，针对连续的数字采样信号，在信号过正负峰值之后选取一个采样点P1，在后续的采样点中选取连续的两个点P2和P3，P2和P3的选取条件是P1采样值的负值在区间[P2采样值，P3采样值]内。则可以通过插值的方法在P2和P3所组成的线段上求取一点P4，使得P4的数值等于P1采样值的负值，同时可获取P4点的虚拟发生时间。由P1的采样发生时间和P4的虚拟发生时间计算电信号的零点，由一系列电信号的过零点计算电信号的频率或周期。本发明不需要将低频信号转换成方波，尤其适合于低频正弦信号的频率测量，***检测方便，硬件开销小；***的抗干扰能力较强；实现起来简单合理，数据准确、可靠。

Description

一种交流电频率的数字化测量方法

技术领域

本发明涉及一种交流电频率的数字化测量方法，也可以用于固定频率或频率变化不大的低频正弦信号、三角波信号等的频率测量。

背景技术

在日常生活、生产过程中常常需要监测信号的频率，测量的频率越准确，应用的效果往往更好。在现有的低频信号的频率测量方法中，多是将低频信号先通过整形电路形成方波，检测方波相邻两个上升沿或者下降沿的时间间隔T，求倒数得出频率。除此之外还有一些软件测量频率的方法，比如：零交法、解析法、误差最小化原理类算法、DFT类算法、正交去调制法等等。但是这些算法有些易于实现但精度较低，有些算法的运算量过大。

现有技术一：申请号为02107167的中国专利公开了一种三相交流电频率的测量方法和装置，通过采样电压或电流信号，求取电压或电流旋转矢量的角速度，然后再利用旋转矢量角速度折算频率。该测量装置虽然抗干扰能力强，但是缺点是利用旋转矢量角速度折算频率时需要大量复杂的运算，并且该测量装置专用于三相交流电频率测量，不能用于民用单相交流电的频率测量，更不能用于普通非三相低频信号的频率测量。

现有技术二：申请号201010150157的中国专利公开了一种低频率信号的频率测量方法，其实质也是一种过零点检测方法，但这种方法可能存在运算量较大的情形。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中交流信号的频率测量精度不够准确或者是测量过程中运算量过大的缺点，提出一种交流电频率的数字化测量方法，该方法也可以用于固定频率或频率变化不大的低频正弦信号的频率测量。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种交流电频率的数字化测量方法，包括以下步骤：

步骤1），对被测电信号进行采样，得到被测电信号的采样值，然后生成采样信号；

步骤2），在被测电信号的采样信号中，当被测电信号的周波过任意一个峰值后未到达零点时选择一个采样点作为第一采样点P1_i，设该第一采样点P1_i的采样时间为T1_i，采样值为S1_i；

步骤3），当采样信号越过零点后未到达下一个峰值时，在该段采样信号中选取连续的两个采样点，即第二采样点P2_i和第三采样点P3_i，设这两个点的采样时间分别是T2_i和T3_i，采样值分别为S2_i和S3_i，其中采样值S2_i和S3_i需满足|S2_i|≤|S1_i|≤|S3_i|；

步骤4），将第一采样点P1_i采样值的相反值所对应的点作为虚拟采样点P4_i,计算虚拟采样点P4_i的虚拟发生时间 ${T4}_i={T2}_i+\frac{({T3}_i-{T2}_i)\×({S1}_i+{S2}_i)}{{S2}_i-{S3}_i};$

步骤5），计算过零点时间：

步骤6），重复步骤2）至步骤5）得到若干个过零点时间，T_z1,T_z2,T_z3...T_zi,T_zi+1，T_zi+2...T_zn，其中，i＝1、2、…n，n为正整数；则被测电信号的周期：T_pi=T_zi+2-T_zi或者T_pi=2×(T_zi+1-T_zi)，被测电信号的频率： $F_i=\frac{1}{T_{\mathrm{pi}}}=\frac{1}{T_{\mathrm{zi}+2}-T_{\mathrm{zi}}}$ 或者： $F_i=\frac{1}{T_{\mathrm{pi}}}=\frac{1}{2\×(T_{\mathrm{zi}+1}-T_{\mathrm{zi}})}.$

进一步的，本发明的一种交流电频率的数字化测量方法，步骤1）所述对被测电信号进行采样是等时间间隔采样或者是不等时间间隔采样。

进一步的，本发明的一种交流电频率的数字化测量方法，步骤1）所述的采样为对被测电信号的整周波进行采样。

进一步的，本发明的一种交流电频率的数字化测量方法，还包括依步骤2）的原则分别选取采样值不同的采样点作为第一采样点P1_i，然后重复步骤3）至步骤5）进行若干次过零点计算后取平均值，得到过零点时间。

进一步的，本发明的一种交流电频率的数字化测量方法，还包括以下步骤：重复步骤1）到步骤6），测量出被测电信号的若干个周期或频率值，然后对得到的若干个周期或频率值采用平均法计算出最终频率。

进一步的，本发明的一种交流电频率的数字化测量方法，在所述步骤3）中，当选取的第一至第三采样点的采样值符合|S2_i|=|S1_i|=|S3_i|条件时，采取以下两种处理方案中的任意一种：

a），重新选取第二采样点P2_i和第三采样点P3_i，使得第二采样点的采样值S2_i和第三采样点的采样值S3_i须满足|S2_i|<|S3_i|，然后继续步骤4）至步骤6）；

b），在第二采样点P2_i与第三采样点P3_i的采样时间区间[T2_i，T3_i]上任取一点作为虚拟采样点P4_i所对应的虚拟采样时间T4_i,然后继续步骤5）至步骤6）。

进一步的，本发明的一种交流电频率的数字化测量方法，在所述方案b）中，取第二采样点P2_i与第三采样点P3_i的采样时间区间[T2_i，T3_i]上的中点，计算虚拟采样点P4_i的虚拟发生时间 ${T4}_i=\frac{{T3}_i+{T2}_i}{2}.$

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1）传统的零交法采用符号相反的两个连续点来确定过零点，虽然算法物理概念清晰，但是容易受谐波、测量误差等的干扰，测量精度低。由选取的3个采样点可经过计算得出过零点。确定了信号的过零点之后，可以计算出交流信号的频率和周期。相比较传统的零交法而言，运算量大致相同，但***的抗干扰能力有所提高。

2）本发明的计算量较小，适合嵌入式***下使用。

附图说明

图1是在交流电信号的某一个零点附近进行计算并获得过零点的详细示意图；

图2是对交流电信号进行采样后在每一个零点附近进行过零点计算并进一步计算频率的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明的实质是针对连续的数字采样信号，在信号过正负峰值之后选取一个采样点P1，在后续的采样点中选取连续的两个点P2和P3，P2和P3的选取条件是：P1采样值的负值在区间[P2采样值，P3采样值]内。则可以通过插值的方法在P2和P3所组成的线段上求取一点P4，使得P4的数值等于P1采样值的负值，同时可获取P4点的虚拟发生时间。由P1的采样发生时间和P4点的虚拟发生时间计算电信号的零点，由一系列电信号的零点计算电信号的频率或周期。选取的P1不宜过于接近零点，如果过于接近零点，则可能因为噪声的原因使得测量的准确度不够高。本发明的权力要求书中步骤2）和步骤3）在选取P1，P2，P3上采用了一种较上述方法更为严格的方式，该方法具有更强的抗干扰特性。

本发明的原理通过测量交流信号的两个周波的频率来进行说明。

本发明的具体实施过程如下：

1、对被测电信号进行采样,这里所述的采样为对整周波进行的采样。可以是等时间间隔采样，也可以是不等时间间隔采样。

2、在被测电信号过正负峰值后选择一个采样点P1_i，设该采样点的采样时间为T1_i，采样值为S1_i；

3、当采样信号越过零点后，在后续的采样值中选取连续的两个点P2_i和P3_i，设这两个点的采样时间分别是T2_i和T3_i，两个点的采样值分别为S2_i和S3_i，这两个点具有以下特点：如果S1_i为正数，则S2_i和S3_i同为负数；如果S1_i为负数，则S2_i和S3_i同为正数，且满足|S2_i|≤|S1_i|≤|S3_i|且|S2_i|<|S3_i|。

4、计算P4_i点的虚拟发生时间T4_i，由于P4_i的数值等于P1_i采样值的负值,则：T4_i可表示为 ${T4}_i={T2}_i+\frac{({T3}_i-{T2}_i)\&times;({S1}_i+{S2}_i)}{{S2}_i-{S3}_i};$

5、当选取的采样点的采样值符合|S2_i|=|S1_i|=|S3_i|条件时，可以采取两种处理方法：一种方法是重新选取P2_i和P3_i并重新计算；另一种方法是T4_i在区间[T2_i，T3_i]上任取一点，为方便计算，取该区间的中点，则

考虑到交流电信号的上下对称性,过零点时间表示为：

具体操作可以参见图1。图1上空心园点P1_i，P2_i，P3_i是根据要求选择出的三个点，空心三角形点P4_i是经过插值后得到的虚拟点，T1_i是P1_i的采样时间，T4_i是P4_i的虚拟发生时间，水平轴上的空心园点T_zi是计算后获得的过零点。

6、重复上述步骤，可以得到若干个过零点时间，T_z1,T_z2,T_z3...T_zi,T_zi+1,T_zi+2...T_zn，则被测交流电信号的周期：T_pi=T_zi+2-T_zi或者T_pi=2×(T_zi+1-T_zi)，被测交流电信号的频率： $F_i=\frac{1}{T_{\mathrm{pi}}}=\frac{1}{T_{\mathrm{zi}+2}-T_{\mathrm{zi}}}$ 或者： $F_i=\frac{1}{T_{\mathrm{pi}}}=\frac{1}{2\&times;(T_{\mathrm{zi}+1}-T_{\mathrm{zi}})}.$

在一个信号周期内可通过在某一个过零点附近选取不同的P1_i进行多次过零点测量，多次过零点时间经过平均后可获取最终的过零点时间。

对电信号进行采样后在每一个零点附近进行计算并测量频率的图形如图2。图2中的交流电信号存在4个过零点，因此在信号过峰值后进行了四次计算。图中水平轴上的空心圆点是计算得到的过零点，过零点依次是：T_zi-1，T_zi，T_zi+1，T_zi+2。则该信号的周期可以表示为T_p=T_zi+1-T_zi-1或者T_p=T_zi+2-T_zi或者T_p=2×(T_zi-T_zi-1)或者T_p=2×(T_zi+1-T_zi)或者T_p=2×(T_zi+2-T_zi+1)。频率F_p则是T_p的倒数。

测量出被测电信号的若干个周期或频率值后，可对得到的若干个周期或频率值采用平均法计算出最终频率。

优选方案是上述的采样为等时间间隔采样，选取的P1_i不宜过于接近零点也不宜过于接近峰值。

采用本方法可以在一个信号周期内可以进行多次频率测量。

综上所述，本发明所涉及的一种交流电频率的数字化测量方法，不需要将交流电信号转换成方波，尤其适合于低频正弦信号的频率测量，***检测方便，硬件开销小；***的抗干扰能力较强；实现起来简单合理，数据准确、可靠；有较广泛的应用前景。

Claims (7)

1.一种交流电频率的数字化测量方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1)，对被测电信号进行采样，得到被测电信号的采样值，然后生成采样信号；

步骤2)，在被测电信号的采样信号中，当被测电信号的周波过任意一个峰值后未到达零点时选择一个采样点作为第一采样点P1_i，设该第一采样点P1_i的采样时间为T1_i，采样值为S1_i；

步骤3)，当采样信号越过零点后未到达下一个峰值时，在该越过零点后未到达下一个峰值的这段采样信号中选取连续的两个采样点，即第二采样点P2_i和第三采样点P3_i，设这两个点的采样时间分别是T2_i和T3_i，采样值分别为S2_i和S3_i，这两个采样点具有以下特点：如果S1_i为正数，则S2_i和S3_i同为负数；如果S1_i为负数，则S2_i和S3_i同为正数，且满足|S2_i|≤|S1_i|≤|S3_i|且|S2_i|<|S3_i|；

步骤4)，将第一采样点P1_i采样值的相反值所对应的点作为虚拟采样点P4_i,计算虚拟采样点P4_i的虚拟发生时间 ${T4}_i={T2}_i+\frac{({T3}_i-{T2}_i)\&times;({S1}_i+{S2}_i)}{{S2}_i-{S3}_i};$

步骤5)，计算过零点时间：

步骤6)，重复步骤2)至步骤5)得到若干个过零点时间：T_z1,T_z2,T_z3...T_zi,T_zi+1,T_zi+2...T_zn，其中，i＝1、2、…n，n为正整数；则被测电信号的周期：T_pi＝T_zi+2-T_zi或者T_pi＝2×(T_zi+1-T_zi)，被测电信号的频率： $F_i=\frac{1}{T_{\mathrm{pi}}}=\frac{1}{T_{\mathrm{zi}+2}-T_{\mathrm{zi}}}$ 或者： $F_i=\frac{1}{T_{\mathrm{pi}}}=\frac{1}{2\&times;(T_{\mathrm{zi}+1}-T_{\mathrm{zi}})}.$

2.根据权利要求1所述的一种交流电频率的数字化测量方法，其特征在于：步骤1)所述对被测电信号进行采样是等时间间隔采样或者是不等时间间隔采样。

3.根据权利要求1所述的一种交流电频率的数字化测量方法，其特征在于：步骤1)所述的采样为对被测电信号的整周波进行采样。

4.根据权利要求1所述的一种交流电频率的数字化测量方法，其特征在于：还包括依步骤2)的原则分别选取采样值不同的采样点作为第一采样点P1_i，然后重复步骤3)至步骤5)进行若干次过零点计算后取平均值，得到过零点时间。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的一种交流电频率的数字化测量方法，其特征在于：还包括以下步骤：重复步骤1)到步骤6)，测量出被测电信号的若干个周期或频率值，然后对得到的若干个周期或频率值采用平均法计算出最终频率。

6.根据权利要求1所述的一种交流电频率的数字化测量方法，其特征在于：在所述步骤3)中，当选取的第一至第三采样点的采样值符合|S2_i|＝|S1_i|＝|S3_i|条件时，采取以下两种处理方案中的任意一种：

a)，重新选取第二采样点P2_i和第三采样点P3_i，使得第二采样点的采样值S2_i和第三采样点的采样值S3_i须满足|S2_i|<|S3_i|，然后继续步骤4)至步骤6)；

b)，在第二采样点P2_i与第三采样点P3_i的采样时间区间[T2_i，T3_i]上任取一点作为虚拟采样点P4_i所对应的虚拟采样时间T4_i,然后继续步骤5)至步骤6)。

7.根据权利要求6所述的一种交流电频率的数字化测量方法，其特征在于：在所述方案b)中，取第二采样点P2_i与第三采样点P3_i的采样时间区间[T2_i，T3_i]上的中点，计算虚拟采样点P4_i的虚拟发生时间