一种低频率信号的频率测量方法

摘要

本发明提供了一种低频率信号的频率测量方法。该方法的特征在于包括以下步骤：对被测电信号进行采样；根据采样值，在信号零点附近选择若干个采样点去拟合一条直线，该直线与时间轴的交点为过零点；根据过零点，计算被测信号的周期或频率。本发明不需要将低频信号转换成方波，尤其适合于低频正弦信号的频率测量，系统检测方便，硬件开销小；系统的抗干扰能力较强；实现起来简单合理，数据准确、可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及一种低频率信号的频率测量技术，低频率的信号包含但不仅限于民用交流电。

背景技术

在日常生活、生产过程中常常需要监测信号的频率，测量的频率越准确，应用的效果往往更好。在现有的低频信号的频率测量方法中，多是将低频信号先通过整形电路形成方波，检测方波相邻两个上升沿或者下降沿的时间间隔T，求倒数得出频率。除此之外还有一些软件测量频率的方法，比如：零交法、解析法、误差最小化原理类算法、DFT类算法、正交去调制法等等。但是这些算法有些易于实现但精度较低，有些算法的运算量过大。

现有技术一：申请号为02107167的中国专利公开了一种三相交流电频率的测量方法和装置，通过采样电压或电流信号，求取电压或电流旋转矢量的角速度，然后再利用旋转矢量角速度折算频率。该测量装置虽然抗干扰能力强，但是缺点是利用旋转矢量角速度折算频率时需要大量复杂的运算，并且该测量装置专用于三相交流电频率测量，不能用于民用单相交流电的频率测量，更不能用于普通非三相低频信号的频率测量。

现有技术二：申请号200510009292的中国专利公开了一种交流电频率检测方法，其实质是传统的过零点检测方法，但这种方法的抗干扰能力弱。

发明内容

发明目的：

本发明的主要目的就是解决现有技术中低频信号的频率测量精度不够准确，提出了一种低频率信号的频率测量方法，相比较传统的零交法而言，测量的精度、抗干扰性得到了很大的提高。

技术方案：

为实现上述发明目的，本发明提出了一种低频率信号的频率测量方法，包括以下步骤：

步骤1)，对被测电信号进行采样，得到一段时间内被测电信号的采样值；

步骤2)，根据步骤1)得到的采样值，在信号的零点附近选择n个采样点，拟合一条直线，设该直线与时间轴的交点为过零点，n≥2；

步骤3)，根据过零点，计算得出被测信号的周期或频率。

进一步的，本发明的低频率信号的频率测量方法中步骤1)所述的采样是等时间间隔采样或者是不等时间间隔采样。

进一步的，本发明的低频率信号的频率测量方法中步骤1)所述的采样为对信号的整周波进行采样。

进一步的，本发明的低频率信号的频率测量方法中步骤2)所述过零点的确定步骤如下：

2-1)在零点附近选择任意组合的若干个采样点，选出的采样点的采样值或全部为正，或全部为负，或者根据需要选择若干个采样值为正、若干个采样值为负的采样点；

2-2)根据选出的若干个采样点拟合一条直线，该直线与时间轴的交点为过零点。

进一步的，本发明的低频率信号的频率测量方法中步骤3)中所述的根据过零点计算被测信号的周期或频率具体包括以下步骤：

3-1)在信号的第j个零点附近选择若干个采样点之后，假设选取的采样点数为n，每个采样点的采样时间为t_i，采样值为y_i，则

令$C_{1j}=\underset{1}{\overset{n}{\Sigma }}{t}_i,$$C_{2j}=\underset{1}{\overset{n}{\Sigma }}{y}_i,$$C_{3j}=\underset{1}{\overset{n}{\Sigma }}{t_i}^2,$$C_{4j}=\underset{1}{\overset{n}{\Sigma }}{t}_i{y}_i;$

再令：$B_j=\frac{C_{2j}{C}_{1j}-n{C}_{4j}}{C_{1j}{C}_{1j}-n{C}_{3j}},$$A_j=\frac{C_{2j}-C_{1j}{B}_j}{n};$

则拟合的直线方程式为：y＝A_j*t+B_j；

则对应的过零点时间：

上式中，n≥2，i、j均为自然数；

3-2)重复步骤3-1)可以得到若干个过零点时间T₁，T₂，T₃...T_j，T_j+1，T_j+2...T_n...，则被测低频率信号的周期：T_pj＝T_j+2-T_j，被测低频率信号的频率：

进一步的，本发明的低频率信号的频率测量方法，在一个信号周期内可以进行多次频率测量。

进一步的，本发明的低频率信号的频率测量方法中还包括以下步骤：重复步骤1)到步骤3)，测量出多个周期或频率值，对多个周期或频率值可以采用平均法计算出最终频率。

有益效果：

1)传统的零交法采用符号相反的两个连续点来确定零点，虽然算法物理概念清晰，但是容易受谐波、测量误差等的干扰，测量精度低。只有准确定位零点，才能计算出精确的频率，对于低频的信号而言(特别是民用交流电)，零点附近的波形近似为直线。随着数据采集速度的提高，可以在零点附近任意选择若干个采样点。由选取的若干个采样点去拟合直线，该直线与时间轴的交点为过零点。确定了信号的零点之后，可以精确计算出低频信号的频率和周期。相比较传统的零交法而言，运算量有所增加，但测量的精度、抗干扰性得到了很大的提高。

2)本发明所涉及的采样可以是等时间间隔采样，也可以是不等时间间隔采样，如果是等时间间隔采样的话，则运算量可以经过优化而进一步减少。

3)本发明还可以实现有限的频率预测，具体可以参见图2，图2中的四个采样点S0，S1，S2，S3都是正电平，在S4采样结束之后(此时信号还没有到达零点)，可以根据S0，S1，S2，S3四个采样点预测出信号的下一个零点T0，因此采用此种方法可以实现有限的频率预测。

附图说明：

图1是在零点附近进行等时间间隔采样而获取的8个采样点的示意图(采样点的电平由高到低)。

图2是由4个正电平采样点进行计算所获得的信号零点的示意图。

图3是由3个正电平和1个负电平采样点进行计算所获得的信号零点的示意图。

图4是由2个正电平和2个负电平采样点进行计算所获得的信号零点的示意图。

图5是在零点附近进行等时间间隔进行采样而获取的8个采样点的示意图(采样点的电平由低到高)。

图6是在不等时间间隔采样情形下，由3个正电平和1个负电平采样点进行计算所获得的信号零点的示意图。

图7是对低频信号进行采样后在每一个零点附近进行直线拟合后获得的图形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的实质是由若干个采样点去拟合一条直线，选取的采样点不宜过多，选取的采样点如果较多的话，计算就会复杂一些；选取得采样点也不宜过少，选取的采样点如果较少的话，容易受到干扰的影响。因此用户可以根据需要选取合理的采样点组合和个数来进行计算。

为获得较为精确的测量结果，建议的采样点的选取方案是：正的采样点的数量和负的采样点的数量相等或者大致相等，采样点的个数则可根据具体实际情况来确定。

本发明的原理通过测量低频信号的两个周波的频率来进行说明，随着采样速度的提高，在每个周波内的采样点也越来越多，当采样次数足够多时，可以利用过零点附近的若干个点来拟合直线，该直线与时间轴的交点为过零点。后续的具体实施方式中都采用了四个采样点来计算零点，实际应用中可以根据需要适当增加或者减少采样点的个数。

本发明的具体实施过程如下：

1.对被测电信号进行采样，这里所述的采样为对整周波进行的采样。可以是等时间间隔采样，也可以是不等时间间隔采样。

2.在信号的每一个零点附近选择任意组合的若干个采样点。选出的采样点的采样值可以全部为正；也可以是全部为负；也可以根据需要选择若干个采样值为正、若干个采样值为负的采样点。

3.得到过零点的过程如下：在第j个零点附近选出了若干个采样点之后，假设选取的采样点数为n，每个采样点的采样时间为t_i，采样值为y_i，则

令$C_{1j}=\underset{1}{\overset{n}{\Sigma }}{t}_i,$$C_{2j}=\underset{1}{\overset{n}{\Sigma }}{y}_i,$$C_{3j}=\underset{1}{\overset{n}{\Sigma }}{t_i}^2,$$C_{4j}=\underset{1}{\overset{n}{\Sigma }}{t}_i{y}_i;$

再令：$B_j=\frac{C_{2j}{C}_{1j}-n{C}_{4j}}{C_{1j}{C}_{1j}-n{C}_{3j}},$$A_j=\frac{C_{2j}-C_{1j}{B}_j}{n};$

则拟合的直线方程式为：y＝A_j*t+B_j；

则对应的过零点时间：

上式中，n≥2，i、j均为自然数；

4.具体操作可以参见图1、图2、图3和图4。图1上的S0，S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7是在零点附近进行等时间间隔采样而获取的8个采样点。图2中的直线是由图1中的采样点S0，S1，S2，S3进行直线拟合而获得的，直线和时间轴的交点T0可以认为是过零点；图3中的直线是由图1中的采样点S1，S2，S3，S4进行直线拟合而获得的，直线和时间轴的交点T1也可以认为是过零点；图4中的直线是由图1中的采样点S2，S3，S4，S5进行直线拟合而获得的，直线和时间轴的交点T2也可以认为是过零点。图2到图4说明了信号由高到低穿越零点时的情形。当信号由低向高穿越零点时(此种情况可以参见图5)计算的方法相同。图2、图3、图4的例子是等时间间隔采样，图6是不等时间间隔采样情形下，进行的直线拟合，拟合直线和时间轴的交点T3也可以认为是过零点。

5.重复上述步骤，可以得到若干个过零点时间T₁，T₂，T₃...T_j，T_j+1，T_j+2...T_n...，则被测低频率信号的周期：T_pj＝T_j+2-T_j，被测低频率信号的频率：对低频信号进行采样后在每一个零点附近进行直线拟合后获得的图形如图7。图中的低频电信号有4个零点，因此拟合了4条直线L0、L1、L2、L3(拟合直线时都采用了零点附近的2个正电平、2个负电平采样点)，L0、L1、L2、L3与时间轴的交点分别是T_i-1，T_i，T_i+1，T_i+2。则该信号的周期可以表示为T_p＝T_i+1-T_i-1或者T_p＝T_i+2-T_i。频率F则是T_p的倒数。

优选方案是步骤1)所述的采样为等时间间隔采样。采用此方法可以在一个信号周期内可以进行多次频率测量。

综上所述，本发明所涉及的一种低频率信号的频率测量方法，不需要将低频信号转换成方波，尤其适合于低频正弦信号的频率测量，系统检测方便，硬件开销小；系统的抗干扰能力较强；实现起来简单合理，数据准确、可靠；有较广泛的应用前景。