一種電信號相位差的測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種電信號相位差的測量方法，也可以用于其它低頻率信號的相位差 測量，屬于信號檢測的技術領域。
【背景技術】
[0002] 在日常生活、生產過程中常常需要測量交流電信號的相位差，測量的相位差越準 確，應用的效果往往更好。在現有的相位差測量方法中，大多數采用將信號轉變成方波，然 后測量兩個方波之間上升沿的時間差，從而得出兩個信號的相位差，但這種算法易于實現 但需要額外的硬件，且容易受到干擾的影響。
【發明內容】
[0003] 本發明所要解決的技術問題是針對現有技術中電信號的相位差測量精度不夠準 確，提出了一種電信號相位差的測量方法。
[0004] 本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：
[0005] -種電信號相位差的測量方法，包括以下步驟：
[0006] 步驟1)，以模擬或數字方法獲取至少兩個周波過負峰值后的過零點時間序列 Tzl，Tz2，…，Tzk，k為大于1的自然數；
[0007] 步驟2)，確定用于計算第i過零點時間的起始積分點時間Tsi，其計算公式為 Tsi=TzMfTXf,其中T是根據過零點，…，Tz(i_k)計算得出的平均周期，參數 fe (〇. 5，l)，i為自然數且i>k;
[0008] 步驟3)，初始化積分器使積分器輸出電壓回到零，在起始積分點時間Tsi開始模擬 積分；
[0009] 步驟4)，當積分器輸出電壓再次回到零時結束積分，記錄積分結束時間Tei ;
[0010] 步驟5 ),計算第i過零點時間：= ^ ;
[0011] 步驟6)，重復步驟2)至步驟5)得到第i+1過零點時間Tz(i+1);則被測電信號的周 期表示為：T pi=Tz(i+1)_Tzi ;
[0012] 步驟7)，對于兩個頻率相同的被測電信號，根據步驟1)至步驟6)分別得到兩個被 測電信號的過零點時間；再根據兩個被測電信號的過零點時間的差異，以及兩個被測電信 號的周期，計算得到兩個被測電信號之間的相位差。
[0013] 作為所述測量方法的進一步優化方案，所述模擬積分是采用普通的運算放大器或 者其他具有積分功能的器件來實現。
[0014] 作為所述測量方法的進一步優化方案，所述步驟7)的具體步驟如下：
[0015] 設由步驟6)模擬積分計算得到的第一路被測電信號的過零點時間為Tlzi、第 二路被測電信號的過零點時間為T2 zi，則兩路被測電信號的相位差的值以度數表示為： T2 -T\ . Τ2 -Τ\ . Pr-^r~~ix36G°，或者以弧度表示為：/>r= 3χ2χττ，其中，Tp是依步驟6)計 1P 1P 算得出的被測電信號周期，或者是依步驟6)計算得出的被測電信號的前若干個周期值的平 均值。
[0016] 本發明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：
[0017] 1)傳統的零交法采用符號相反的兩個連續點來確定零點，雖然算法物理概念清 晰，但是容易受諧波、測量誤差等的干擾，測量精度低。只有準確定位零點，才能計算出精確 的相位差。針對電信號大多數是對稱的特點，根據計算得到的積分開始時間進行模擬積分， 模擬積分輸出零時停止積分，由積分開始時間和積分結束時間計算電信號的零點。確定了 信號的過零點之后，可以計算出電信號的周期。最后根據不同信號的過零點時間的差異和 信號周期，計算獲取信號之間的相位差。相比較傳統的零交法而言，運算量有所增加，但測 量的精度、抗干擾性得到了很大的提高。
[0018] 2)相比較傳統的零交法而言，系統的抗干擾能力有極大的提高，頻率測量的準確 度也大大提高。實驗表明即使電信號中混入了較大的諧波、白噪聲，測量的精確度也非常之 高。可能的干擾源來自于工頻干擾，但如果測量對象是交流電的話，則工頻干擾也可以忽略 不計。
[0019] 3)該方法在進行計算時非常方便簡捷，適合嵌入式系統下使用。
【附圖說明】
[0020] 圖1是在電信號的某一個零點進行積分并計算過零點的示意圖；
[0021] 圖2是采用傳統的過零點比較法獲取了兩個過零點后，采用本文所述方法獲取第 3個過零點的示意圖；
[0022] 圖3是計算信號周期的示意圖；
[0023] 圖4是計算兩路信號相位差的不意圖。
【具體實施方式】
[0024] 下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明：
[0025] 本發明的方法是首先初始化積分器，使積分器輸出電壓回到零，根據計算得到的 積分開始時間進行模擬積分，，記錄積分開始時間，在積分器輸出電壓再次回到零時停止 積分，記錄積分結束時間，由積分開始時間和積分結束時間計算電信號的過零點，由一系 列電信號的過零點計算電信號的周期。最后根據不同信號的過零點時間的差異和信號周 期，計算獲取信號之間的相位差。
[0026] 為獲得較為精確的測量結果，建議的開始積分點的選取方案是：不宜過于接近零 點。
[0027] 本發明的特點和優點將通過實例結合附圖進行詳細說明。本發明的原理通過測量 兩路交流電信號的相位差來進行說明。本發明的具體實施過程如下：
[0028] 1、以模擬或數字方法獲取至少兩個周波過負峰值后的過零點時間序列 Tzi，Tz2, Tz3...；
[0029] 2、確定用于計算第i過零點時間的起始積分點時間Tsi，其計算公式為 HhD+TXf，其中T是根據過零點Tz(H), Tz(i_2)，Tz(i_3). · ·計算得出的平均周期， f e (〇. 5, 1)；
[0030] 3、初始化積分器使積分器輸出電壓回到零，在起始積分點時間Tsi開始模擬積分；
[0031] 4、當積分器輸出電壓再次回到零時結束積分，記錄積分結束時間Tei ;
[0032] 5、計算第i過零點時間：設積分開始時間為Tsi，積分結束時間為Tei ;在積分開始 時間和積分結束時間之間存在一個過零點，將該過零點時間表示為：乙
[0033] 6、具體操作可以參見圖1，圖1分成上下兩個部分，上部分是被測電信號(橫坐標T 為時間，縱坐標voltage為被測電信號電壓)，下部分是對被測信號的積分波形。圖中的Tsi 是積分開始時間，Tei是積分結束時間，Tzi是經過計算得到的過零點。Tsi是計算得到的積分 開始時間，其計算公式是 Τη=Τζ(η)+(Τζ(η廠Tz(i_2)) X0. 89,即 f=0. 89, Τ=(Τζ(η廠Tz(i_2))，推 薦采用也可以采用如下方式：在計算積分開始時間時，對之前獲取的 過零點個數進行判斷，如果之前獲取的過零點只有兩個，采用T=(I^j-T zIa);如果之前 獲取的過零點大于兩個，采用圖2是在采用傳統的過零點比較法得到 了兩個過零點T Z1、Tz2，由TZ1、Tz2計算獲得Ts3，之后在T s3開始一次積分，在Te3結束積分，最 后由Ts3、Te3計算得出T z3。
[0034] 7、得到若干個過零點時間后可進行信號周期的計算，圖3中的低頻信號一共存在 3個負峰值，因此在負峰值出現后一共進行了 3次積分并計算，水平軸上時間分別為Τζ1(ι、 Τζ11、Τζ12的黑點是計算得出的3個過零點，由于被測信號的周期可表示為：Tpi=T z(i+1)-Tzi，因 此圖3中信號周期可表示為：TplQ=T zll-TzlQ、Tpll=Tzl2-Tzll。
[0035] 8、相位差的計算可參見圖4,圖4中正弦波I在負峰值出現后有兩個過零點， 這兩個過零點的時間分別為Tl zi和Tlz(i+1)，正弦波II在負峰值出現后也有兩個過零點， 這兩個過零點的時間分別為T2 zi和T2z(i+1)，則正弦波I和正弦波II的相位差可表示為：
【主權項】
1. 一種電信號相位差的測量方法，其特征在于：包括以下步驟： 步驟1)，以模擬或數字方法獲取至少兩個周波過負峰值后的過零點時間序列Tzl，Tz2，…，Tzk，k為大于1的自然數； 步驟2)，確定用于計算第i過零點時間的起始積分點時間Tsi，其計算公式為Kmd+TXf，其中T是根據過零點，…，TzU_k)計算得出的平均周期，參數 fG(〇. 5，l)，i為自然數且i>k; 步驟3)，初始化積分器使積分器輸出電壓回到零，在起始積分點時間Tsi開始模擬積 分； 步驟4)，當積分器輸出電壓再次回到零時結束積分，記錄積分結束時間Tei ; 步驟5)，計算第i過零點時間
步驟6)，重復步驟2)至步驟5)得到第i+1過零點時間TzU+1);則被測電信號的周期表 示為：Tpi=Tz(i+1)-Tzi ; 步驟7)，對于兩個頻率相同的被測電信號，根據步驟1)至步驟6)分別得到兩個被測電 信號的過零點時間；再根據兩個被測電信號的過零點時間的差異，以及兩個被測電信號的 周期，計算得到兩個被測電信號之間的相位差。
2. 根據權利要求1中所述的一種電信號相位差的測量方法，其特征在于：所述模擬積 分是采用普通的運算放大器或者其他具有積分功能的器件來實現。
3. 根據權利要求1所述的一種電信號相位差的測量方法，其特征在于：所述步驟7)的 具體步驟如下： 設由步驟6)模擬積分計算得到的第一路被測電信號的過零點時間為Tlzi、第二 路被測電信號的過零點時間為T2zi，則兩路被測電信號的相位差的值以度數表示為：
或者以弧度表示為：
T，其中，Tp是依步驟6)計 算得出的被測電信號周期，或者是依步驟6)計算得出的被測電信號的前若干個周期值的平 均值。
【專利摘要】本發明公開了一種電信號相位差的測量方法，首先初始化積分器，使積分器輸出電壓回到零，根據計算得到的積分開始時間進行模擬積分，記錄積分開始時間，在積分器輸出電壓再次回到零時停止積分，記錄積分結束時間，由積分開始時間和積分結束時間計算電信號的過零點，由一系列電信號的過零點計算電信號的周期。最后根據不同信號的過零點時間的差異和信號周期，計算獲取信號之間的相位差。本發明不需要將低頻信號轉換成方波，克服了傳統的過零點檢測抗干擾能力差的缺點，尤其適合于低頻信號的相位差測量，系統檢測方便，硬件開銷小；系統的抗干擾能力較強；實現起來簡單合理，數據準確、可靠、有較廣泛的應用前景。
【IPC分類】G01R25-00
【公開號】CN104808061
【申請號】CN201410037914
【發明人】戴爾晗
【申請人】南京郵電大學
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2014年1月26日