CN110632387B - 一种基于交流量子电压的谐波电压测量方法 - Google Patents

一种基于交流量子电压的谐波电压测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于交流量子电压的谐波电压测量方法，属于计量领域。该方法首先产生含有谐波的周期信号，确定采样频率以及台阶数。其中采样频率应根据基波频率确定，以实现整周期采样为目标。台阶数应根据每周期的采样点数确定。接着产生阶梯交流量子电压信号，该阶梯交流量子电压信号应根据被测信号产生。然后对换向前和换向后的差分信号进行采样，分别处理，即进行数据筛选、恢复，对信号数据进行加权傅里叶变换，计算得到被测信号所包含的基波及谐波的幅值和相位，最后求取换向前和换向后所得结果的均值。

Description

一种基于交流量子电压的谐波电压测量方法
技术领域
本发明属于计量领域，具体涉及一种基于交流量子电压的谐波电压测量方法。
背景技术
目前国内是基于交流采样及傅里叶变换的方法实现对谐波的测量，该方法为全波形采样。由于采用全波形采样的方法，在使用模拟数字转换器(ADC)时测量误差较大，信号噪声未经衰减全部进入采样***中。且电路易受到外界环境的影响，随时间和环境的变化而改变。可编程约瑟夫森量子电压基准(PJVS)建立在自然常数的基础上，可以产生具有量子精度的任意电压。该电压值不受时间和外界环境的影响而保持恒定。可编程约瑟夫森量子电压基准已应用于正弦信号的测量，并未应用于谐波的测量。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种基于交流量子电压的谐波电压测量方法，为谐波电压的溯源提供一条新路径。通过差分采样，实现以交流量子电压为参考的谐波电压精密测量，从而实现交流量子电压向被测谐波电压的直接量值传递，提高了量值传递的稳定性和可靠性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于交流量子电压的谐波电压测量方法，包括：
步骤1，信号源产生含有指定基波及谐波成分的被测信号y，根据基波频率f，确定采样频率fs以及台阶数N；
步骤2，根据该被测信号产生相应的阶梯交流量子电压信号s；
步骤3，在信号调相后，对被测信号和阶梯交流量子电压信号进行差分采样；
步骤4，通过差分信号的采样数据d，恢复得到被测信号数据；
步骤5，对被测信号数据进行加权傅里叶变换，得到信号的基波及所含谐波的幅值、相位。
步骤6，将被测信号和阶梯波信号作换向处理，重复上述步骤3、4、5，求取两次结果的平均值。
所述步骤1是这样实现的：
所述被测信号，指定其基波分量，及所包含的谐波分量；
所述采样频率fs，根据基波频率f确定，以实现整周期采样为目标；
所述台阶数N，应根据每周期的采样点数确定，保证每个台阶上的采样点个数S为整数。
所述步骤2是这样实现的：
基于被测信号，以及确定的台阶数N，将被测信号离散化，得到各台阶相对应的电压值，驱动可编程约瑟夫森结阵产生相应的阶梯交流量子电压信号；阶梯波交流量子电压的合成是通过软件编程的方式，采用模数变换输出偏置电流，控制不同约瑟夫森结阵的偏置状态，实现随时间变化的量子电压台阶输出。
所述步骤3是这样实现的：
所述调相，是通过调节两路电压信号的相位，使得被测信号和阶梯交流量子电压信号的相位相等；阶梯交流量子电压等待输出，采样***对被测信号进行采样，分析被测信号的采样初始相位，台阶长度，软件延时以及硬件延时，确定阶梯交流量子电压的等待时间；使得阶梯交流量子电压输出时，与被测信号相交于台阶中心位置。
所述差分采样，是对被测信号和交流量子电压信号的差值进行采样。
所述步骤4是这样实现的：
当被测信号输入正输入端，阶梯波信号输入负输入端时，将采样得到的差分信号，加上相应的量子电压台阶值，得到被测信号数据；当被测信号输入负输入端，阶梯波信号输入正输入端时，将采样得到的差分信号取反，加上相应的量子电压台阶值，得到被测信号数据；
所述步骤5是这样实现的：
(51)分析台阶与台阶之间的过渡过程，根据3σ准则，判断台阶上处于过渡过程的采样点个数，以及差分信号幅值较大的采样数据点；
(52)确定被测信号的数据权重矩阵P，将处于过渡过程以及差分信号幅值较大的采样数据点权重置零，其他数据点权重为1；权重矩阵为对角矩阵，对角元素即为对应位置的数据权重，权重值为0或1；
(53)根据采样频率确定时间离散矩阵T，即采样数据的实际离散状态；根据参与傅里叶变换的数据个数，确定离散傅里叶变换系数矩阵F；计算修正矩阵D，D＝(TPF)-1；由于使用数据权重矩阵对信号数据进行加权，此时傅里叶变换后的信号幅值及相位发生了扭曲，该扭曲程度与数据权重矩阵P有关，可以使用修正矩阵D重构准确的信号幅值及相位；
(54)对信号数据进行加权傅里叶变换，计算得到被测信号的基波及谐波的幅值、相位；将信号数据向量乘上权重矩阵后，进行离散傅里叶变换；此时计算得到的傅里叶系数是失真的，因此使用修正矩阵，对其进行修正，消除由于加权方式的不同，所造成的影响。
所述步骤6是这样实现的：
所述换向处理，是交换被测信号和阶梯交流量子电压信号的位置，将被测信号输入负输入端，阶梯波信号输入正输入端，重复上述步骤3、4、5，得到换向后，计算所得的基波及谐波的幅值、相位；
所述求取两次结果的平均值，是将换向前计算所得的基波及谐波的幅值
Figure BDA0002210780830000031
相位
Figure BDA0002210780830000032
与换向后计算所得的基波及谐波的幅值
Figure BDA0002210780830000033
相位
Figure BDA0002210780830000034
分别取平均，
Figure BDA0002210780830000035
i为谐波次数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
通过将模拟电压信号与阶梯交流量子电压信号进行差分采样，从而准确地获得了模拟电压信号中含有的谐波分量，推动谐波检测向量子电压基准溯源，实现交流量子电压量值的准确传递。同时采用换向测量，极大的削弱了由运算放大器引入的增益误差，提高了测量精度以及测量装置的抗干扰能力。加权傅里叶变换的方法实现了对数据的多元化处理，在充分利用采样信息的基础上，确保了准确重构被测信号的幅值及相位，从而提高了电压幅值和相位测量的准确度。
附图说明
图1基于交流量子电压的谐波电压测量方法总体框图
图2被测信号及阶梯交流量子电压信号
图3被测信号与交流量子电压信号的台阶中心相交示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
利用基于交流量子电压的工频谐波电压测量方法，包括：
(1)设置被测信号：产生基波频率在45Hz～65Hz的工频谐波信号，设定基波频率、幅值及初始相位，所含各次谐波的幅值及初始相位，且最高谐波次数M≤50；采样频率fs根据基波频率f选定，以实现整周期采样为目标，即每周期采样点个数L＝fs/f为整数。
(2)交流量子电压产生部分设置：台阶数N应根据每周期的采样点数确定，保证每个台阶上的采样点个数S为整数，即L＝N×S；将被测信号从起始位置开始等间隔离散成N点，计算得到各点的电压值，该组电压值即为各台阶相对应的电压值，驱动PJVS产生相应的阶梯交流量子电压信号(如图2所示)。
(3)不断调节两路电压信号的相位，直到被测信号和阶梯交流量子电压信号的相位相等，即被测信号与阶梯交流量子电压信号的台阶中心相交(如图3所示)，此时差分信号幅值最小，可实现精确测量；将被测信号输入正输入端，阶梯交流量子电压信号输入负输入端，对被测信号和阶梯交流量子电压信号所得的差分信号进行采样。
(4)分析每一个台阶上的采样数据，判断处于过渡过程的数据点个数与位置；以及差分信号较大的采样数据，差分信号大于基波有效值的10％的采样数据点的位置；将处于这些位置的数据权重设置为0，其他位置的数据权重为1。
(5)通过差分信号和量子电压台阶值，恢复得到信号数据；将采样得到的差分信号，加上相应的量子电压台阶值，得到被测信号数据；对信号数据进行加权傅里叶变换，计算得到被测信号所包含的基波及谐波的幅值和相位。
(6)进行换向处理，交换被测信号和阶梯交流量子电压信号的位置，将阶梯交流量子电压信号输入正输入端，被测信号输入负输入端，重新进行差分采样；通过差分信号和量子电压台阶值，恢复得到信号数据；将采样得到的差分信号取反，加上相应的量子电压台阶值，得到被测信号数据；对信号数据进行加权傅里叶变换，使用相同的权重矩阵和修正矩阵对信号数据进行处理，计算得到换向后的基波及谐波的幅值、相位，将换向前与换向后计算所得的基波及谐波的幅值、相位分别取平均。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (2)

1.一种基于交流量子电压的谐波电压测量方法，包括：
步骤1，信号源产生含有指定基波及谐波成分的被测信号y，根据基波频率f，确定采样频率fs以及台阶数N；所述被测信号，指定其基波分量，及所包含的谐波分量；所述采样频率fs，根据基波频率f确定，以实现整周期采样为目标；所述台阶数N，应根据每周期的采样点数确定，保证每个台阶上的采样点个数S为整数；
步骤2，根据该被测信号产生相应的阶梯交流量子电压信号s，具体为：基于被测信号，以及确定的台阶数N，将被测信号离散化，得到各台阶相对应的电压值，驱动可编程约瑟夫森结阵产生相应的阶梯交流量子电压信号；阶梯交流量子电压的合成是通过软件编程的方式，采用模数变换输出偏置电流，控制不同约瑟夫森结阵的偏置状态，实现随时间变化的量子电压台阶输出；
步骤3，在信号调相后，对被测信号和阶梯交流量子电压信号进行差分采样；所述调相，是通过调节两路电压信号的相位，使得被测信号和阶梯交流量子电压信号的相位相等；阶梯交流量子电压等待输出，采样***进行差分采样，分析被测信号的采样初始相位，台阶长度，软件延时以及硬件延时，确定阶梯交流量子电压的等待时间；使得阶梯交流量子电压输出时，与被测信号相交于台阶中心位置；所述差分采样，是对被测信号和交流量子电压信号的差值进行采样；
步骤4，通过差分信号的采样数据d，恢复得到被测信号数据，具体为：当被测信号输入正输入端，阶梯交流量子电压信号输入负输入端时，将采样得到的差分信号，加上相应的量子电压台阶值，得到被测信号数据；当被测信号输入负输入端，阶梯交流量子电压信号输入正输入端时，将采样得到的差分信号取反，加上相应的量子电压台阶值，得到被测信号数据；
步骤5，对被测信号数据进行加权傅里叶变换，得到信号的基波及所含谐波的幅值、相位；
步骤6，将被测信号和阶梯交流量子电压信号作换向处理，重复上述步骤3、4、5，求取两次结果的平均值，所述换向处理，是交换被测信号和阶梯交流量子电压信号的位置，将被测信号输入负输入端，阶梯交流量子电压信号输入正输入端，重复上述步骤3、4、5，得到换向后，计算所得的基波及谐波的幅值、相位；所述求取两次结果的平均值，是将换向前计算所得的基波及谐波的幅值相位与换向后计算所得的基波及谐波的幅值相位分别取平均，其中i为谐波次数。
2.根据权利要求1所述的一种基于交流量子电压的谐波电压测量方法，其中所述步骤5是这样实现的：
(51)分析台阶与台阶之间的过渡过程，根据3σ准则，判断台阶上处于过渡过程的采样点个数，以及差分信号幅值较大的采样数据点；
(52)确定被测信号的数据权重矩阵P，将处于过渡过程以及差分信号幅值较大的采样数据点权重置零，其他数据点权重为1；权重矩阵为对角矩阵，对角元素即为对应位置的数据权重，权重值为0或1；
(53)根据采样频率确定时间离散矩阵T，即采样数据的实际离散状态；根据参与傅里叶变换的数据个数，确定离散傅里叶变换系数矩阵F；计算修正矩阵D，D＝(TPF)-1；由于使用数据权重矩阵对信号数据进行加权，此时傅里叶变换后的信号幅值及相位发生了扭曲，该扭曲程度与数据权重矩阵P有关，可以使用修正矩阵D重构准确的信号幅值及相位；
(54)对信号数据进行加权傅里叶变换，计算得到被测信号的基波及谐波的幅值、相位；将信号数据向量乘上权重矩阵后，进行离散傅里叶变换；此时计算得到的傅里叶系数是失真的，因此使用修正矩阵，对其进行修正，消除由于加权方式的不同，所造成的影响。
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