一種測量正弦電壓信號的方法及其系統的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種測量正弦電壓信號的方法及其系統，該方法包括步驟：S1、根據預設的階梯波臺階的電壓值產生階梯波信號，將被測的正弦波信號與階梯波信號做等間隔差分采樣，得出差分值；S2、將差分值與階梯波臺階的電壓值相加，將每個階梯波臺階中間部分的采樣點作為保留點，對每個階梯波臺階上相同位置的保留點進行離散傅立葉變換計算，再將所有保留點上的離散傅立葉變換計算的結果進行平均計算；S3、根據步驟S2中平均計算的結果得出被測的正弦波信號的幅值和相角。采用本發(fā)明的技術方案，克服了階梯波起始階段的過渡過程，可以提高交流電壓測量的準確度，其應用工頻功率可以擴展到10kHz至20kHz。
【專利說明】一種測量正弦電壓信號的方法及其系統
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及交流電壓測量【技術領域】，尤其涉及一種測量正弦電壓信號的方法及其 系統。
【背景技術】
[0002] 眾所周知，直流電壓已經有了較好的測量技術，高準確的有約瑟夫森電壓基準，可 達10-10以上；一般有齊納管，其年穩(wěn)定性達2X10_ 6。至于交流電壓，有熱電比較方法，有 采樣方法等，但一般都低于直流電壓的測量水平。
[0003] 美國國家計量院（NIST)于2008年提出以可編程約瑟夫森電壓基準為參考，采用 差分測量方法，測量交流電壓，并已經應用于工頻功率的測量，在60至400Hz范圍內，達到 了 ΚΓ7的水平。
[0004] 上述可編程約瑟夫森電壓基準，實際上是用直流量子電壓組成的階梯波，以此來 接近正弦波，讓采樣測量的對象是一個相對小量，從而減低對采樣器件的要求。正弦波的測 量準確度主要由量子電壓來確定。
[0005] 但是階梯波，包括可編程約瑟夫森電壓基準形成的階梯波，在階梯的開始階段存 在過渡過程，經過一段時間才能到達穩(wěn)定的臺階值。NIST提出了解決這個問題的方法，包 括：在一個臺階上采兩個樣，其中一個位于開始階段，一個位于平坦階段，由于開始階段存 在過渡過程，因此將這個采樣丟棄不用，而把位于平坦階段的采樣用于計算，給出測量結 果。他們使用的采樣器件是數字電壓表Agilent3458A，其目的是為了在一個波形的片段上 積分，以減少噪聲影響。如圖1所示，正弦信號10與階梯波信號20之間存在一定的差值， 該差值可以用數字電壓表DVM測量到，可見，積分的值往往不能對應于中間的那個實際值， 例如在正弦波1/4周期的地方，積分值會小于最高的那個值。一般情況下是忽略了二階小 量。同時由于Agilent3458A的采樣率不高，較高的要求下，最高頻率一般不超過1. 3kHz。
【發(fā)明內容】
[0006] 本發(fā)明的特征和優(yōu)點在下文的描述中部分地陳述，或者可從該描述顯而易見，或 者可通過實踐本發(fā)明而學習。
[0007] 為克服現有技術的問題，本發(fā)明提供一種測量正弦電壓信號的方法及其系統，從 而提高交流電壓測量的準確度，更能應用于頻率為10kHz至20kHz的測量。
[0008] 本發(fā)明解決上述技術問題所采用的技術方案如下：
[0009] 根據本發(fā)明的一個方面，提供一種測量正弦電壓信號的方法，其特征在于，包括步 驟：
[0010] S1、根據預設的階梯波臺階的電壓值產生階梯波信號，將被測的正弦波信號與該 階梯波信號做等間隔差分采樣，得出差分值；
[0011] S2、將該差分值與該階梯波臺階的電壓值相加，將每個階梯波臺階中間部分的采 樣點作為保留點，對每個所述階梯波臺階上相同位置的保留點進行離散傅立葉變換計算， 再將所有保留點上的離散傅立葉變換計算的結果進行平均計算；
[0012] S3、根據該步驟S2中平均計算的結果得出該被測的正弦波信號的幅值和相角。
[0013] 根據本發(fā)明的一個實施例，在該步驟S2中，相應的平均計算及其傅立葉變換計算 公式為：
【權利要求】
1. 一種測量正弦電壓信號的方法，其特征在于，包括步驟： 51、 根據預設的階梯波臺階的電壓值產生階梯波信號，將被測的正弦波信號與所述階 梯波信號做等間隔差分采樣，得出差分值； 52、 將所述差分值與所述階梯波臺階的電壓值相加，將每個階梯波臺階中間部分的采 樣點作為保留點，對每個所述階梯波臺階上相同位置的保留點進行離散傅立葉變換計算， 再將所有所述保留點上的離散傅立葉變換計算的結果進行平均計算； 53、 根據所述步驟S2中平均計算的結果得出所述被測的正弦波信號的幅值和相角。
2. 根據權利要求1所述測量正弦電壓信號的方法，其特征在于，在所述步驟S2中，相應 的平均計算及其傅立葉變換計算公式為
其中，i表示第幾個階梯波臺階，j表示每個階梯波臺階上的第幾個采樣點；而一個階 梯波臺階上的采樣為m個，依次表示為0,1，2，…，m-1，只保留從第s到第t個采樣，其中 s^m/2,m/2^t^ m-1 ； 此時，在所述步驟S3中，所述被測的正弦波信號的幅值為
相角為arctanO^/ ￡li) 〇
3. 根據權利要求2所述測量正弦電壓信號的方法，其特征在于，每個所述階梯波臺階 上保留的采樣點約為m/2個。
4. 根據權利要求1所述測量正弦電壓信號的方法，其特征在于，在所述步驟S1中做 所述等間隔差分采樣之前還包括步驟：將所述階梯波信號或被測的正弦波信號進行相位移 動，從而使所述階梯波信號中每個階梯波臺階中間采樣點的信號值與被測的正弦波信號中 相應的采樣點的信號值一致。
5. -種測量正弦電壓信號的系統，其特征在于，包括： 交流電壓源，用于產生被測的正弦波信號； 數模轉換器，用于根據預設的階梯波臺階電壓值產生階梯波信號； 模數轉換器，與所述交流電壓源與數模轉化器相連，用于將所述被測的正弦波信號與 階梯波信號做等間隔差分采樣，得到差分值； 相加模塊，與所述模數轉換器相連，用于將所述差分值與所述階梯波臺階電壓值相 加； 多點離散傅立葉計算模塊，將每個階梯波臺階中間部分的采樣點作為保留點，對每個 階梯波上相同位置的保留點進行離散傅立葉變換計算，再將所有保留點上的離散傅立葉變 換計算的結果進行平均計算，并據此得出所述正弦波信號的幅值和相角。
6. 根據權利要求5所述的測量正弦電壓信號的系統，其特征在于，所述多點離散傅立 葉計算模塊中包括相應的用于進行平均計算及傅立葉變換計算公式：
其中，標號i表示第幾個階梯波臺階，j表示每個階梯波臺階上的第幾個采樣點；而 一個臺階上的采樣為m個，依次表示為0,1，2，…，m-1，只保留從第s到第t個采樣，其中 s^m/2,m/2^t^ m-l〇
7. 根據權利要求5所述的測量正弦電壓信號的系統，其特征在于，還包括數字式電壓 表，與所述數模轉換器相連，用于精準測量每個階梯波臺階在直流輸出模式下的值。
8. 根據權利要求5所述的測量正弦電壓信號的系統，其特征在于，所述數模轉換器還 用于產生同步信號，以控制所述模數轉換器和交流電壓源，使三者具有同步關系，并將被測 的正弦波信號進行相位移動。
【文檔編號】G01R23/12GK104251932SQ201410401168
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年8月15日 優(yōu)先權日:2014年8月15日
【發(fā)明者】陸祖良, 楊雁, 黃璐, 王磊, 賀青 申請人:中國計量科學研究院