正弦信号的幅度与相位的.ppt

1、正弦信号的幅度与相位的自适应测量系统研究研 究 生：王 剑指导教师：熊晓东 教授一一.前言前言 1.1 幅度和相位测量的意义 幅度和相位是信号的两种主要特性,在数学上定义为正弦或余弦的幅度和幅角。通常所指的相位测量就是对两个同频信号的相位差进行测量。1.1 幅度和相位测量的意义电气部门机械部门航空航天地质勘探海底资源 相位差和幅度的测量技术的应用已深入到许多领域和部门,如:1.2 国内外研究现状幅度和相位幅度和相位测量装置测量装置被测信号被测信号输出输出1.2 国内外研究现状传统的幅度和相位测量一般是采用分立传统的幅度和相位测量一般是采用分立器件分别对幅度和相位进行测量器件分别对幅度和相位进行

2、测量幅度测量装置幅度测量装置相位测量装置相位测量装置被测信号被测信号输出输出1.2 国内外研究现状正弦信号幅度和相位的统一测量统一测量幅度和相位幅度和相位测量装置测量装置被测信号被测信号输出输出1.2 国内外研究现状 软件法软件法:通过发明新型算法实现对信号采样通过发明新型算法实现对信号采样后进行数据处理计算得到幅度和相位的测量后进行数据处理计算得到幅度和相位的测量值。值。随着计算机技术和测量算法的不断进步，正随着计算机技术和测量算法的不断进步，正弦信号幅度和相位弦信号幅度和相位统一测量统一测量的方法得到更新的方法得到更新和发展。和发展。硬件法硬件法:通过高性能硬件设备实现对幅度和通过高性能硬

3、件设备实现对幅度和相位的统一测量。相位的统一测量。按照实现途径可以分为按照实现途径可以分为 1.2 国内外研究现状基于多点采样基于多点采样的正弦信号幅度和相位的的正弦信号幅度和相位的 自适应测量自适应测量算法是一种新型的算法是一种新型的统一测量统一测量 正弦信号的幅度和相位的高精度算法。正弦信号的幅度和相位的高精度算法。1.3 系统设计指标幅度测量误差0.01V相位测量误差0.05度测量频宽为30Hz1.5kHz最大幅度测量值为5V 二二.基于多点采样的幅度和相位的基于多点采样的幅度和相位的 自适应测量原理自适应测量原理 2.1 2.1 正交采样法正交采样法用用srsr(t t)和和s s(t

4、 t)分别表示基准信号和被测分别表示基准信号和被测信号信号T/4T/42.1 2.1 正交采样法正交采样法P1P2P1P2TT0t2.1 2.1 正交采样法正交采样法2.2 2.2 四分采样法四分采样法令fs=4f，即每周期采样4次P1T0tT/4 2T/4 3T/4P1P4P3P2T/4 2T/4P4P3P23T/4T2.2 2.2 四分采样法四分采样法2.2 2.2 四分采样法四分采样法由由P1,P2P1,P2可得可得由由P3,P4P3,P4可得可得对上述公式求均值对上述公式求均值P110tT/4N(N-1)T/4NP124/TP1N(2N-1)T/4NP22P2N(3N-1)T/4NP3

5、2P3N(4N-1)T/4NP42P4N4/T4/T4/T2.3 2.3 多点采样法多点采样法 把每周期采样的点数进行扩展为把每周期采样的点数进行扩展为K K，K=4NK=4N（N N为正整数，为正整数，N1N1）P21P31P412.3 2.3 多点采样法多点采样法在第一个在第一个T/4T/4内：内：同理，在第二个同理，在第二个T/4T/4有：有：2.3 2.3 多点采样法多点采样法在第三个在第三个T/4T/4有：有：2.3 2.3 多点采样法多点采样法在第四个在第四个T/4T/4有：有：2.3 2.3 多点采样法多点采样法由上述公式可得幅度由上述公式可得幅度2.3 2.3 多点采样法多点采

6、样法同理得到相位同理得到相位,有有2.3 2.3 多点采样法多点采样法 这种以每周期采样这种以每周期采样K K点（点（K=4NK=4N，N N为正整数）的测量幅度和相位的方为正整数）的测量幅度和相位的方 法即法即多点采样法多点采样法。由于增加了采样由于增加了采样点点 数，多点采样法对噪声的抑制比四分数，多点采样法对噪声的抑制比四分 采样法更出色，幅度和相位的测量精采样法更出色，幅度和相位的测量精 度也更高。度也更高。2.3 2.3 多点采样法多点采样法问题问题:1.1.多点采样法是否意味每周期采样多点采样法是否意味每周期采样K K点数据越多越好点数据越多越好?K?K取多大能保证幅取多大能保证幅

7、度和相位的测量精度和测量速度的度和相位的测量精度和测量速度的平衡平衡?2.2.当被测信号的频率变化时当被测信号的频率变化时,如何获如何获得最佳得最佳K K值值?2.4 2.4 多点采样法的仿真实验多点采样法的仿真实验 设被测信号设被测信号s(ts(t)受噪声影响，被测受噪声影响，被测正正弦信号的频率为弦信号的频率为f f=1000Hz,=1000Hz,幅度为幅度为1V1V，初相为（初相为（4545度）度）,采样频率为采样频率为f fs s，randnrandn是均值为是均值为0 0，方差为，方差为1 1的高斯白噪声，的高斯白噪声，AnoiseAnoise是白噪声的幅度系数是白噪声的幅度系数2.

8、4 2.4 多点采样法的仿真实验多点采样法的仿真实验根据多点采样法的原理编写相关根据多点采样法的原理编写相关M M函数函数asd1asd1如下：如下：function m0,m1=asd1(f,fs,r,anoise)function m0,m1=asd1(f,fs,r,anoise)k=k=fs/f;nfs/f;n=1:k;=1:k;x0=cos(2*pi*f*(n-1)/fs+r)+anoise*randn(1,k);x0=cos(2*pi*f*(n-1)/fs+r)+anoise*randn(1,k);for i=1:k/4for i=1:k/4q1(i)=2/k*(sqrt(x0(i)

9、2+x0(i+k/4).2)+sqrt(x0(i+k/2).2q1(i)=2/k*(sqrt(x0(i).2+x0(i+k/4).2)+sqrt(x0(i+k/2).2+x0(i+(3/4)*k).2);+x0(i+(3/4)*k).2);endendm0=sum(q1);m0=sum(q1);for i=1:k/4for i=1:k/4p1(i)=(2/k)*(atan2(-p1(i)=(2/k)*(atan2(-x0(i+k/4),x0(i)+atan2(x0(i+(3/4)*k),-x0(i+k/2)-x0(i+k/4),x0(i)+atan2(x0(i+(3/4)*k),-x0(i+

10、k/2)-(4*pi/k)*(i-1);(4*pi/k)*(i-1);endendm1=sum(p1);m1=sum(p1);m0,m1m0,m1为函数为函数asd1asd1的返回值，即幅度和相位的测量值的返回值，即幅度和相位的测量值 2.4 多点采样法的仿真实验噪声干扰较小，Anoise=0.01;2.4 2.4 多点采样法的仿真实验多点采样法的仿真实验 如上表所示，随着每周期采样如上表所示，随着每周期采样点数点数 K K的不断增大，幅度和相位的测量值的的不断增大，幅度和相位的测量值的 精确度不断得到改善，当精确度不断得到改善，当K K大于大于5252时，时，多点采样法比正交采样法的测量精确

11、度多点采样法比正交采样法的测量精确度 提高提高80%80%以上以上;同时，在噪声影响相对较同时，在噪声影响相对较 小的情况下，采用多点采样法测量的精小的情况下，采用多点采样法测量的精 确度非常高，随着确度非常高，随着K K值的不断增大，测值的不断增大，测 量误差几乎为量误差几乎为0 0。2.4 2.4 多点采样法的仿真实验多点采样法的仿真实验从下图中更能直观发现多点采样法相对正交采样法的测量改善情况。2.4 2.4 多点采样法的仿真实验多点采样法的仿真实验噪声干扰增大，Anoise=0.2;2.4 2.4 多点采样法的仿真实验多点采样法的仿真实验 当Anoise=0.2时的测量绝对误差结果如图

12、所示。2.4 2.4 多点采样法的仿真实验多点采样法的仿真实验 综上所述，采用多点采样法测量综上所述，采用多点采样法测量正弦正弦 信号的幅度和相位具有测量精度高、抗信号的幅度和相位具有测量精度高、抗 噪性强特点。当每周期采样点数增加到噪性强特点。当每周期采样点数增加到 一定数目后，幅度和相位的测量精度不一定数目后，幅度和相位的测量精度不 再显著增加。如当再显著增加。如当AnoiseAnoise=0.2=0.2时采样点时采样点数数 在在8484点后测量误差并没有随着采样点数点后测量误差并没有随着采样点数 的增加而显著变小。的增加而显著变小。2.5 2.5 自适应测量原理自适应测量原理 最大采样频

13、率应不大于系统额定最大采最大采样频率应不大于系统额定最大采样频率样频率 2.5 2.5 自适应测量原理自适应测量原理采样频率采样频率f fs s和输入信号频率和输入信号频率f f之间存在之间存在 f fs s=4=4NfNf的关系的关系，当当N N为常数时，则有为常数时，则有当每周期采样点数（当每周期采样点数（4N4N点）为常数时，点）为常数时，输入信号的最大频率输入信号的最大频率fmaxfmax应小于等于系统额应小于等于系统额定最大采样频率定最大采样频率fclkfclk与与4N4N的比值。的比值。2.5 2.5 自适应测量原理自适应测量原理当输入信号频率当输入信号频率f f为常数时，有为常数

14、时，有2.5 2.5 自适应测量原理自适应测量原理 对于测量系统而言，每次输入对于测量系统而言，每次输入信号的信号的 频率在本次测量过程中始终是常数值。频率在本次测量过程中始终是常数值。在在 此前提下，根据上述公式可知此前提下，根据上述公式可知N N值的最值的最大大 化即采样频率最大化，根据多点采样法化即采样频率最大化，根据多点采样法可可 知此时可测量出精度很高的幅度和相位知此时可测量出精度很高的幅度和相位值值。2.5 2.5 自适应测量原理自适应测量原理 我们采用”取模”的方法获得N的最 大值 Nmax Nmax=mod(fclk/4f)同时Nmax应符合“当每周期采样点数 增加到一定数目后

15、幅度和相位的测量 精度不再显著增加”的原则 问题问题:如何获得最大如何获得最大N N值值?2.5 2.5 自适应测量原理自适应测量原理因此本文选择最优化的因此本文选择最优化的N N值的方法是：值的方法是：根据被测信号频宽确定根据被测信号频宽确定fclkfclk，fclkfclk应应 至少大于被测信号频率上限的至少大于被测信号频率上限的8 8倍；倍；调用公式调用公式NmaxNmax=mod(fclk/4f)=mod(fclk/4f)计算计算 NmaxNmax；当当NmaxNmax=24=24时，取时，取N=24N=24；当当NmaxNmax2424时，取时，取N=N=NmaxNmax2.5 2

16、5 自适应测量原理自适应测量原理 可见，在测量不同输入信号的频可见，在测量不同输入信号的频率的率的 情况下，根据上述方法能够根据不同输入情况下，根据上述方法能够根据不同输入 信号的频率产生最优化的信号的频率产生最优化的N N值。以每周期值。以每周期 采样采样4 4N N点的采样频率实现对被测正弦信号点的采样频率实现对被测正弦信号 的采集和转换，再调用多点采样法对采样的采集和转换，再调用多点采样法对采样 数据进行处理和计算即可获得幅度和相位数据进行处理和计算即可获得幅度和相位 值。因此，该算法被定义为基于多点采样值。因此，该算法被定义为基于多点采样 的正弦信号的幅度和相位的自适应测量算的正弦信

17、号的幅度和相位的自适应测量算 法。法。三.自适应测量系统设计方案 三.自适应测量系统设计方案自适应测量系统设计方案三.自适应测量系统设计方案自适应测量系统设计方案三.自适应测量系统设计方案 本系统选择C8051F020的12位AD转换模块ADC子系统作为数据采集的硬件部分。采用ADC0的好处有：ADC0内含一个12位逐次逼近型寄存器型ADC，逐 次逼近寄存器（SAR）型ADC用于将输入的模拟量 转换为数字量，它的转换精度高，速度快，使用十 分广泛。ADC0是C8051F020的片内资源，数据传输速度快，并且无需额外占用I/O口以实现串行或并行数据传 输。ADC0的最大转换速率为100KSPS，

18、完全能够满足 本系统的频宽为30Hz1.5kHz的设计指标要求。三.自适应测量系统设计方案自适应测量系统设计方案三.自适应测量系统设计方案自适应测量系统设计方案三.自适应测量系统设计方案自适应测量系统设计方案三.自适应测量系统设计方案自适应测量系统设计方案四.系统测试 测试实验通过测试实验通过Agilent33220AAgilent33220A产生产生 预期的参考信号和被测信号，通过预期的参考信号和被测信号，通过 DM1661 DM1661型白噪声信号发生器产生幅型白噪声信号发生器产生幅 度分布为高斯分布的白噪声。度分布为高斯分布的白噪声。四.系统测试 首先考虑被测信号未受到白噪首先考虑被测信

19、号未受到白噪声声 干扰的情况。此时信号源为干扰的情况。此时信号源为 AgilentAgilent 33220A 33220A 函数函数/任意波形发生器。任意波形发生器。四.系统测试四.系统测试 再将再将Agilent33220AAgilent33220A信号发生器和信号发生器和 DM1661 DM1661白噪声发生器的输出通过加法白噪声发生器的输出通过加法 器送至本测量系统进行白噪声影响下的器送至本测量系统进行白噪声影响下的测测 量实验。根据测量点选择合适的白噪声量实验。根据测量点选择合适的白噪声发发 生器输出（输出白噪声最大幅度略小于生器输出（输出白噪声最大幅度略小于信信 号发生器输出幅度的

20、号发生器输出幅度的20%20%）。）。四.系统测试五.改进与展望采用更高采样速率和更高位数的采用更高采样速率和更高位数的ADAD转换器，转换器，以及更高运算性能的处理器如高端以及更高运算性能的处理器如高端DSPDSP等可等可 以实现正弦信号幅度和相位的更高精度和以实现正弦信号幅度和相位的更高精度和更更 广频宽的测量。广频宽的测量。采用采用HVDAHVDA（High Voltage Difference High Voltage Difference Amplifier Amplifier）将被测信号的电压范围进一步）将被测信号的电压范围进一步增增 大（大（HVDAHVDA最高能接受最高能接受6

21、0V60V的差动电压和的差动电压和 60V60V的共模电压）。的共模电压）。致 谢 本课题是在导师熊晓东教授的亲本课题是在导师熊晓东教授的亲切关怀和精心指导下完成的。在本课题的研切关怀和精心指导下完成的。在本课题的研究过程中，导师在学习与生活中给予了我热究过程中，导师在学习与生活中给予了我热情的关怀与帮助。他渊博的学识、刻苦的钻情的关怀与帮助。他渊博的学识、刻苦的钻研精神、严谨的治学态度、正直的作风和亲研精神、严谨的治学态度、正直的作风和亲切的为人处事给我留下了深刻的印象，使我切的为人处事给我留下了深刻的印象，使我不仅在科学的道路上受益匪浅，更在人生观不仅在科学的道路上受益匪浅，更在人生观和世界观的培养上受到启迪，并将受益终生。和世界观的培养上受到启迪，并将受益终生。值此论文完成之际，对导师曾经给予的学术值此论文完成之际，对导师曾经给予的学术上的指导，生活上的关心和帮助致以最诚挚上的指导，生活上的关心和帮助致以最诚挚的谢意！感谢所有支持和帮助我的同学和朋的谢意！感谢所有支持和帮助我的同学和朋友们！最后，衷心感谢电信学院全体老师三友们！最后，衷心感谢电信学院全体老师三年来的关怀和培养年来的关怀和培养 ！