正弦信号的幅度与相位的.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,.,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,测量装置,被测信号,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器件分别对幅度和相位进行测量,幅度测量装置,相位测量装置,被测信号,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,幅度和相位,测量装置,被测信号,输出,1.2,国内外研究现状,软件法,:,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值。,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,统一测量,的方法得到更新和发展。,硬件法,:,通过高性能硬件设备实现对幅度和相位的统一测量。,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,的正弦信号幅度和相位的,自适应测量,算法是一种新型的,统一测量,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,.,基于多点采样的幅度和相位的 自适应测量原理,2.1,正交采样法,用,sr,(,t,),和,s,(,t,),分别表示基准信号和被测信号,T/4,T/4,2.1,正交采样法,P,1,P,2,P,1,P,2,T,T,0,t,2.1,正交采样法,2.2,四分采样法,令,f,s,=4,f,，即每周期采样,4,次,P,1,T,0,t,T/4,2T/4,3T/4,P,1,P,4,P,3,P,2,T/4,2T/4,P,4,P,3,P,2,3T/4,T,2.2,四分采样法,2.2,四分采样法,由,P1,P2,可得,由,P3,P4,可得,对上述公式求均值,P,11,0,t,T/4N,(N-1)T/4N,P,12,4/T,P,1N,(2N-1)T/4N,P,22,P,2N,(3N-1)T/4N,P,32,P,3N,(4N-1)T/4N,P,42,P,4N,4/T,4/T,4/T,2.3,多点采样法,把每周期采样的点数进行扩展为,K,，,K=4N,（,N,为正整数，,N1,）,P,21,P,31,P,41,2.3,多点采样法,在第一个,T/4,内：,同理，在第二个,T/4,有：,2.3,多点采样法,在第三个,T/4,有：,2.3,多点采样法,在第四个,T/4,有：,2.3,多点采样法,由上述公式可得幅度,2.3,多点采样法,同理得到相位,有,2.3,多点采样法,这种以每周期采样,K,点（,K=4N,，,N,为正整数）的测量幅度和相位的方,法即,多点采样法,。由于增加了采样点,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,度也更高。,2.3,多点采样法,问题,:,1.,多点采样法是否意味每周期采样,K,点数据越多越好,?K,取多大能保证幅度和相位的测量精度和测量速度的平衡,?,2.,当被测信号的频率变化时,如何获得最佳,K,值,?,2.4,多点采样法的仿真实验,设被测信号,s(t,),受噪声影响，被测正,弦信号的频率为,f,=1000Hz,幅度为,1V,，,初相为（,45,度）,采样频率为,f,s,，,randn,是均值为,0,，方差为,1,的高斯白噪声，,Anoise,是白噪声的幅度系数,2.4,多点采样法的仿真实验,根据多点采样法的原理编写相关,M,函数,asd1,如下：,function m0,m1=asd1(f,fs,r,anoise),k=,fs/f;n,=1:k;,x0=cos(2*pi*f*(n-1)/fs+r)+anoise*randn(1,k);,for i=1:k/4,q1(i)=2/k*(sqrt(x0(i).2+x0(i+k/4).2)+sqrt(x0(i+k/2).2+x0(i+(3/4)*k).2);,end,m0=sum(q1);,for i=1:k/4,p1(i)=(2/k)*(atan2(-x0(i+k/4),x0(i)+atan2(x0(i+(3/4)*k),-x0(i+k/2)-(4*pi/k)*(i-1);,end,m1=sum(p1);,m0,m1,为函数,asd1,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,多点采样法的仿真实验,如上表所示，随着每周期采样点数,K,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,K,大于,52,时，,多点采样法比正交采样法的测量精确度,提高,80%,以上,;,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,确度非常高，随着,K,值的不断增大，测,量误差几乎为,0,。,2.4,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,多点采样法的仿真实验,噪声干扰增大，,Anoise,=0.2;,2.4,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所示。,2.4,多点采样法的仿真实验,综上所述，采用多点采样法测量正弦,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,一定数目后，幅度和相位的测量精度不,再显著增加。如当,Anoise,=0.2,时采样点数,在,84,点后测量误差并没有随着采样点数,的增加而显著变小。,2.5,自适应测量原理,最大采样频率应不大于系统额定最大采样频率,2.5,自适应测量原理,采样频率,f,s,和输入信号频率,f,之间存在,f,s,=4,Nf,的关系,，,当,N,为常数时，则有,当每周期采样点数（,4N,点）为常数时，,输入信号的最大频率,fmax,应小于等于系统额定最大采样频率,fclk,与,4N,的比值。,2.5,自适应测量原理,当输入信号频率,f,为常数时，有,2.5,自适应测量原理,对于测量系统而言，每次输入信号的,频率在本次测量过程中始终是常数值。在,此前提下，根据上述公式可知,N,值的最大,化即采样频率最大化，根据多点采样法可,知此时可测量出精度很高的幅度和相位值,。,2.5,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，幅度和相位的测量,精度不再显著增加,”,的原则,问题,:,如何获得最大,N,值,?,2.5,自适应测量原理,因此本文选择最优化的,N,值的方法是：,根据被测信号频宽确定,fclk,，,fclk,应,至少大于被测信号频率上限的,8,倍；,调用公式,Nmax,=mod(fclk/4f),计算,Nmax,；,当,Nmax,=24,时，取,N=24,；,当,Nmax,24,时，取,N=,Nmax,2.5,自适应测量原理,可见，在测量不同输入信号的频率的,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,N,值。以每周期,采样,4,N,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,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,的正弦信号的幅度和相位的自适应测量算,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,三,.,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,，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,三,.,自适应测量系统设计方案,三,.,自适应测量系统设计方案,三,.,自适应测量系统设计方案,四,.,系统测试,测试实验通过,Agilent33220A,产生,预期的参考信号和被测信号，通过,DM1661,型白噪声信号发生器产生幅,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声,干扰的情况。此时信号源为,Agilent,33220A,函数,/,任意波形发生器。,四,.,系统测试,四,.,系统测试,再将,Agilent33220A,信号发生器和,DM1661,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测,量实验。根据测量点选择合适的白噪声发,生器输出（输出白噪声最大幅度略小于信,号发生器输出幅度的,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,AD,转换器，,以及更高运算性能的处理器如高端,DSP,等可,以实现正弦信号幅度和相位的更高精度和更,广频宽的测量。,采用,HVDA,（,High Voltage Difference,Amplifier,）将被测信号的电压范围进一步增,大（,HVDA,最高能接受,60V,的差动电压和,60V,的共模电压）。,致 谢,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。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年来的关怀和培养！,