[发明专利]一种频率和相位的数字测量方法

摘要

本发明涉及一种频率和相位的数字测量方法，属电路参数测量技术领域。本发明方法对交流输入信号进行采样，借助两组预处理获得相位相差90°的两个信号，然后基于这两个信号大小计算出被锁相位数据，并进一步基于锁相结构实现频率和相位的测量。这样，能够充分利用信号波形本身包含的相位信息，并按照采样速度更新被锁相位数据，提高了相位鉴别的分析精度，同时也能够提高锁相跟踪的速度，减少测量时间。此外，本发明方法的相位鉴别环节是通过对被锁相位和锁相相位取差的方式获得的。所以当锁相基本稳定时，锁相相位能够以零均值偏差逼近被锁相位，这就从根本上克服了单纯依据过零点计算相位，严重受到噪声干扰的不足，使得相位测量精度大大提高。

主权项

1、一种频率和相位的数字测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤：(1)设需要测量频率和相位的交流输入信号为u(t)＝U_msin(2πft+θ)，对该信号同时进行第一组采样预处理和第二组采样预处理，在采样预处理过程中，两组离散信号的采样频率相同，且应大于3f_max，分别得到离散信号u1(n)=k1(f)Umsin(2πfFsn+θ+θ1(f)),u2(n)=k2(f)Umsin(2πfFsn+θ+θ2(f));]]>其中F_s是采样频率，f是该交流信号的频率，且满足f_min＜f＜f_max，f_min是被测交流信号的频率下限，f_max是被测交流信号的频率上限，θ是该交流信号的初相位，增益函数k₁(f)、增益函数k₂(f)、相移函数θ₁(f)、相移函数θ₂(f)为与输入信号频率f有关的满足如下关系式的任意函数：(2)将上述第(1)步得到的离散数字信号u₁(n)和u₂(n)组合成原点为O的笛卡儿坐标系中点A的坐标(u₂(n)，u₁(n))，由此获得的矢量与横轴正方向的夹角作为被锁相位数据α₀(n)；(3)将上述第(2)步得到的被锁相位数据α₀(n)与从输出频率f(n)反馈回来、并经积分和下述第(7)步的相位跳变调整处理后的锁相相位数据α′(n)取差，得到相位误差Δα(n)；(4)将上述第(3)步求出的相位误差Δα(n)经过环路滤波处理，从而获得被测信号的频率f(n)；上述环路滤波处理过程中，其复频域传递函数H_LP(s)的形式为：HLP(s)=H0(s)s,]]>同时使测量过程的传递函数H(s)=s·H0(s)s2+2π·H0(s)]]>稳定，并且使H′(s)=H(s)s=H0(s)s2+2π·H0(s)]]>具有低通滤波性能，H′(s)的通带截止频率f_LF小于被锁信号频率的下限f_min；(5)将上述第(4)步得到的被测信号的频率f(n)与下述第(7)步得到的锁相相位数据α′(n)按照如下公式进行积分累加，得到中间相位数据α₁(n)：α1(n)=α′(n-1)+2π·f(n)Fs]]>(6)对上述第(2)步得到的被锁相位数据α₀(n)进行象限跳变检测，获得跳变检测数据J(n)，该跳变检测的判断阈值常数设为J_TH，常数J_TH满足2π·fmaxFs<JTH<2π·(1-fmaxFs),]]>于是跳变检测数据J(n)与被锁相位α₀(n)的关系表示为：(7)对上述第(5)步得到的中间相位数据α₁(n)与上述第(6)步得到的跳变检测数据J(n)相加，即α′(n)＝α₁(n)+J(n)，将其输入到上述第(3)步处理以构成锁相环路的锁相相位数据α′(n)；(8)对上述第(6)步得到的中间相位数据α₁(n)进行相位补偿和数据调整处理，得到所需测量的信号相位α(n)＝α₁(n)-θ₁(f(n))+K·2π，其中，函数θ₁(f)为上述第(1)步中对输入信号进行第一组采样预处理后产生的相移函数，K为调整系数，其取值为使α(n)满足0≤α(n)＜2π的整数。