[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

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种正弦信号四参数检测方法和虚拟仪器信号检测装置，尤其是指一种高精度的测量正弦信号幅值、频率、相位(差)及直流分量的方法，以及一种虚拟仪器信号检测装置，属于数字信号处理及分析领域。

二、背景技术

在传感器信号检测及分析、电工测量和电力系统监测等工业领域中，经常需要对正弦信号的各参数进行高精度测量。

正弦信号测量方法一般分为模拟式测量和数字式测量。传统的模拟式测量方法主要通过硬件电路实现，其测量精度主要取决于测量电路的性能。数字式测量也称软件测量法，是国内外信号检测发展的主流，其测量精度和性能主要依赖于数字信号处理算法。

1、目前主要的正弦信号检测算法及其存在的问题

目前主要的正弦信号检测算法有过零鉴相法、最小二乘法(LSM方法)、时频分析法、数字相关法和频率分析检测法。

过零鉴相法是用模拟电路和数字电路将正弦信号转换成脉冲方波，通过计数测算频率，通过脉宽测算相位，通过交流整形测算幅值。由于过零鉴相法易于用硬件电路实现，它曾经是测量正弦信号时经常采用的一种方法。如美国专利数据库中，专利号为US005262714A，名称为SINEWAVE FREQUENCY MEASURING APPARATUS(正弦波频率测量装置)，欧洲专利数据库中，专利号为EP1255196，名称为DIGITAL PHASE METER(数字相位计)以及文献《FPGA在数字相位差检测仪中的应用》，【马文华，甘达.[J].广西师范大学学报(自然科学版)，2005，3：102-105】都采用的是过零鉴相法。但其有以下几方面缺点：第一，由于采用了过零检测方法，在信号存在零点漂移和受到随机噪声干扰情况下测量误差较大，抗干扰能力较差。第二，由于测量结果是通过脉冲计数得到的，测量精度受时钟的精确度和时钟频率的限制。第三，由于全部采用硬件实现，测量过程难免引入新的干扰。另外，名称为“振幅检测装置”，申请号为97114060.X的中国发明专利，提出通过延迟四分之一周期后求平方根的方法测量正弦信号的幅值，此方法抗噪声干扰能力差，且延迟参数的确定需要预知正弦信号频率的精确值。

LSM方法即最小二乘法。文献《Phase Angle Measurement Between Two SinusoidalSignals》Roberto Micheletti.[J].IEEE Transactions on Instrumentation andMeasurement，1991，40(1)：40-42.和美国专利数据库中，专利号为US20040228390A1，名称为METHOD OF FREQUENCY AND PHASE OFFSET ESTIMATION USING LEAST SQUARE METHODIN A BURST RECEIVER(在突发接收机中采用最小二乘法的频率和相位偏移估计方法)都采用了LSM方法，但是前者需要预先知道已知被测信号频率的精确值，后者无法给出正弦信号的幅值。

文献《小波变换在振动信号分析中的工程解释与应用》【沈松，应怀樵，刘进明.[J].振动、测试与诊断，2000，20(4)：259-263.】提出的基于小波变换的时频分析法可以实现对信号各频率分量的高精度测量。但小波函数具有不唯一确定性，小波变换的结果不如傅立叶变换那样直观明了，时频分析对工程人员理论要求较高，这限制了时频分析的系统工程应用。

文献《基于数字相关原理的相位差测量新方法》【刘灿涛，赵伟，袁俊.[J].计量学报，2002，23(3)：219-223.】所采用的数字相关法有较好的噪声抑制能力，但要求实行严格整周期采样。在非整周期采样条件下数字相关法检测精度会大大降低。

本发明中的信号处理算法属于频谱分析法的范畴。频谱分析法最基本的原理是对信号进行快速傅立叶变换(FFT)，以得到信号的频域信息。FFT方法一般也需要严格整周期采样，否则其测量精度受频谱泄漏的影响。如图9所示。对此文献《周期信号相位差的高精度数字测量》【江亚群，何怡刚.[J].电工技术学报，2006，21(11)：116-120.】提出采用加窗截取的办法校正频谱。但是运用这种方法的校正效果主要取决于窗函数，当待测信号参数变化时，窗函数的参数也需要随之变化，需要根据信号参数确定窗函数的参数，实现方法较复杂。