[发明专利]正弦信号四参数检测方法和虚拟仪器信号检测装置

权利要求书

1.一种正弦信号四参数检测方法，其特征在于：该方法是对连续采样的两个信号序列分别进行FFT变换，运用FFT的选频特性，分别提取信号直流量和交流量的频谱峰值，并通过精细的相位校正和频率校正，精确地测量出正弦信号的幅值、频率、相位或相位差及直流分量参数；该方法的具体步骤如下：

步骤1：将待测信号连续采样得到2N-1点数字序列L(序号为0，1，…2N-2)；

设含有直流分量的正弦信号采样后得到数字序列n＝0，1，…，2N-2(N取2的正整数次幂)；f₀为正弦信号频率，fS=1T]]>为采样频率，ω=2πf0fS]]>为归一化数字频率；根据Nyquist采样定理，对于单频信号需满足f_S＞2f₀，即有0<f0fS<12;]]>令f0fS=q+θN,q=0,1,...,N2,-12<θ<12;]]>

步骤2：将L的0～N-1点组成新序列L1，将L的N-1～2N-2点组成新序列L2；

L1：

L2：

步骤3：对序列L1、L2分别进行快速傅立叶变换，分别得到两序列的频谱；

对正弦信号采样值其N点离散傅立叶变换

X(k)=Σn=0N-1x(n)WNnk=Σn=0N-1x(n)·exp(-j2πNnk),k=0,1,..N-1]]>

其中XD(k)=DN,k=0,N-10,k=1,...N-2,]]>为直流分量频谱；

频谱谱值||X(k)||呈对称分布，出现两对峰值谱线；在k＝0和k＝N-1处峰值对应直流分量的谱值；在k＝q和k＝N-q处对应交流分量的谱值最大值；也就是说交流分量的频谱峰值对应的下标即为q；

据(1)式得到序列L1和L2的频谱Y₁(k)和Y₂(k)；

步骤4：提取出两序列交流分量在频谱中谱峰值的幅值和相角信息，经过初步处理消除频谱泄漏误差后得到频率和相位的初步测量值；

若忽略θ，则得到正弦信号频率的初步测量值

f^0=qNfS---(2)]]>

由(1)式得到

ξ是序列初相位的函数；这里为非整周期截断引起的频谱泄漏误差，与序列初相位无关；为因非整周期截断初相位引起的频谱相位误差，与序列初相位密切相关；理论和实践表明一般不超过1°；

先忽略误差项jY₁(k)、jY₂(k)峰值频率点对应相角分别为

由(4)、(5)式得到相位的初步测量值

运用(6)式时，值超出(-π，π]范围，采取先用谱值进行复数运算再取相角的办法将其化简到(-π，π]范围内；以下涉及相角加减及倍乘的运算均采用此方法；

步骤5：经过精细的相位校正和频率校正消除因非整周期截断初相位引起的频谱误差后测得高精度的交流分量的幅值、频率和相位(差)测量值；

由(4)、(5)式得

特别注意，(7)式尤其要使其取值为-12<θ<12,]]>同样采用先复数运算再取相角的办法；交流分量幅值测量值

A=2||X(q)||sinθπsinθπN---(8)]]>

频率的精校准值

f0=q+θNfS---(9)]]>

令α=N-1Nπq]]>β=N-1Nπθ]]>

考虑误差项则jY₁(k)、jY₂(k)峰值频率点对应相角分别为

其中δ₁、δ₂是因非整周期截断初相位引起的频谱相位误差，下面为其具体表达式及简化式；

由(10)～(13)得到相位的精校正值

由于(14)式中最终相位的精校正值表达式

步骤6：提取出直流分量在频谱中谱峰值的的幅值，精确校准换算后得到换算成信号直流分量值；

由(1)式，信号中直流分量值

步骤7：相位差通道延时误差校正

由于数据采集卡各通道之间有延时，给相位差的测量带来了系统误差；由通道间延时引起的相位差测量误差按下式进行校正

Δθ＝2πf₀τ₀    (17)

其中τ₀为通道间延时，f₀为正弦信号的频率；信号的频率越低，通道间延时越小，由通道间延时产生的相位误差就越小。