畢業(yè)設(shè)計(jì) 電參數(shù)非同步采樣算法的研究.doc

畢業(yè)論文電參數(shù)非同步采樣算法的研究1目錄摘要.3ABSTRACT.41緒論.51.1研究本文的目的和意義.51.2國(guó)內(nèi)外研究概況.61.3本文研究的內(nèi)容.62非同步采樣法的算法推導(dǎo)和誤差分析.82.1采樣計(jì)算測(cè)量法的一般表達(dá)式.82.2采樣測(cè)量算法截?cái)嗾`差F與同步誤差T的關(guān)系.122.3非同步采樣法的誤差分析.142.3.1采用復(fù)化矩形算法.142.3.2采用復(fù)化梯形算法.152.4周期非正弦信號(hào)的測(cè)量.162.4.1采用復(fù)化矩形算法.162.4.2采用復(fù)化梯形算法.193電力系統(tǒng)中非同步采樣誤差的研究.203.1緒論.203.2離散傅立葉變換的泄漏現(xiàn)象和柵欄效應(yīng).203.3從硬件角度考慮.213.3.1同時(shí)優(yōu)化N+1和TS，使T最小.213.3.2固定N+1，優(yōu)化TS，使T最小.213.3.3固定TS，優(yōu)化N+1，使T最小.213.4從軟件角度考慮.223.4.1準(zhǔn)同步DFT法.223.4.2加窗插值FFT法.233.4.3改進(jìn)FFT法.243.4.4基于相位差的相位校正.253.4.5非同步采樣數(shù)據(jù)的同步化.264硬件電路和軟件程序的設(shè)計(jì).274.1硬件電路的設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn).274.2主要芯片功能簡(jiǎn)介.274.2.1主要性能.28畢業(yè)論文電參數(shù)非同步采樣算法的研究24.2.2主要引腳功能.284.3軟件的設(shè)計(jì).294.3.1測(cè)量主程序.294.3.2測(cè)量被測(cè)信號(hào)周期子程序.304.3.3采樣、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)子程序.315總結(jié)和展望.32鳴謝.33參考文獻(xiàn).34畢業(yè)論文電參數(shù)非同步采樣算法的研究3摘要由于實(shí)際電網(wǎng)信號(hào)的頻率通常會(huì)在額定頻率附近波動(dòng)，很難保證對(duì)信號(hào)的同步采樣，F(xiàn)FT算法的泄漏現(xiàn)象和柵欄效應(yīng)將會(huì)導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差。本論文對(duì)電參數(shù)在非同步采樣時(shí)的測(cè)量誤差進(jìn)行了分析，得出一般情況下的誤差估計(jì)；針對(duì)典型算法（復(fù)化矩形算法和復(fù)化梯形算法）給出準(zhǔn)確的誤差公式，并由此得到減小誤差的方法，從軟、硬件兩個(gè)方面綜合分析了幾種常用的預(yù)防、補(bǔ)償措施的優(yōu)缺點(diǎn)，表明這些方法提高了信號(hào)的分析精度和測(cè)量參數(shù)的可信度，這些結(jié)論可為交流采樣技術(shù)的電力參數(shù)測(cè)量?jī)x表在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行誤差分析提供參考。關(guān)鍵詞：FFT算法；測(cè)量誤差；復(fù)化矩形算法；復(fù)化梯形算法。畢業(yè)論文電參數(shù)非同步采樣算法的研究4ABSTRACTKEYWORDS:畢業(yè)論文電參數(shù)非同步采樣算法的研究51緒論1.1研究本文的目的和意義隨著科學(xué)的進(jìn)步、工農(nóng)業(yè)的發(fā)展、人均生活水平的不斷提高，用電量也在不斷地增大。如何提高對(duì)電參量的準(zhǔn)確測(cè)量一直是科研工作者冥思苦想的課題之一。由于傳感器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、微處理器(mP&P)、存儲(chǔ)器(RAM&ROM)等器件不斷地微型化、高度集成化，測(cè)量電參量的電子式儀表因其便攜、微型、高精度而倍受青睞。測(cè)量電參量的方法可分為模擬電路測(cè)量法和采樣計(jì)算測(cè)量法。模擬電路測(cè)量法準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好，但不適用于多參數(shù)測(cè)量；采樣計(jì)算測(cè)量法不僅適用于多參數(shù)測(cè)量，且其優(yōu)點(diǎn)與核心技術(shù)之一是誤差的補(bǔ)償。目前采樣計(jì)算測(cè)量法包括直流采樣法和交流采樣法。直流采樣法是先將交流量整流為直流量，測(cè)量其直流量后，通過(guò)固定公式換算為有效值。這種方法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、計(jì)算方便，但也存在整流電路參數(shù)難于調(diào)整及被測(cè)波形的影響很大的缺點(diǎn)。當(dāng)被測(cè)信號(hào)為工頻正弦量、諧波污染較嚴(yán)重時(shí)，誤差可達(dá)10%以上。因此，這種方法已經(jīng)逐漸被交流采樣法所代替。交流采樣法是按照采樣定理對(duì)被測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)值進(jìn)行時(shí)間上的離散和幅值上的量化，再應(yīng)用某種數(shù)值計(jì)算方法求得被測(cè)量。因此應(yīng)用交流采樣法產(chǎn)生的誤差主要是由數(shù)值計(jì)算方法本身的算法誤差、ADC的速度、位數(shù)以及微處理器的速度來(lái)決定。當(dāng)今，微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，使微處理器和ADC無(wú)論在速度與位數(shù)上都有很大的提高，因此在硬件一定的前提下，如何尋求好的采樣方法或與硬件相配合來(lái)減小誤差，是十分必要的。采樣計(jì)算測(cè)量法一般來(lái)說(shuō)分為等間隔同步采樣法、等間隔非同步采樣法、準(zhǔn)同步采樣法。等間隔同步采樣法是1974年由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)的Raymond.S.Tungel首先提出的，主要采用鎖相環(huán)路技術(shù)，雖然硬件同步電路具有速度高、誤差小等特點(diǎn)，但當(dāng)采樣路數(shù)的增加時(shí)會(huì)使設(shè)計(jì)成本成倍上升。1982年M.F.Matouka采用非同步采樣法研制出用于測(cè)量非正弦系統(tǒng)的功率、電能表，其準(zhǔn)確度優(yōu)于0.5%，所以等間隔非同步采樣法很難達(dá)到較高的準(zhǔn)確度。等間隔準(zhǔn)同步采樣法是清華大學(xué)戴先中于1984年提出的，其優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)適當(dāng)增加算法的迭代次數(shù)和采樣數(shù)據(jù)量，可以達(dá)到較高的準(zhǔn)確度。然而，是以更多的采樣周期和采樣點(diǎn)數(shù)、更大的數(shù)據(jù)量和更長(zhǎng)的運(yùn)算時(shí)間為代價(jià)的。綜上所述，針對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際情況，合理選擇采樣方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理是提高測(cè)量準(zhǔn)確度的重要環(huán)節(jié)。研究一種所需硬件成本較低、準(zhǔn)確度更高、運(yùn)算時(shí)間較短的采樣計(jì)算測(cè)量法對(duì)對(duì)指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、提供參數(shù)、解決生產(chǎn)中出現(xiàn)的問(wèn)題和對(duì)提高數(shù)字測(cè)量理論水平、進(jìn)而指導(dǎo)高精度電子式智能儀器的研制具有十分重要的理論和實(shí)際意義。畢業(yè)論文電參數(shù)非同步采樣算法的研究61.2國(guó)內(nèi)外研究概況一般地，設(shè)對(duì)周期為T的被測(cè)信號(hào)f(t)，在m個(gè)周期上采n個(gè)點(diǎn)，且采樣周期為ts，令T=nts-mT，T稱作周期偏差。在理想情況下，當(dāng)T=0時(shí)，稱為等間隔同步采樣法；當(dāng)T0時(shí)，稱為等間隔非同步采樣法。一般地，除硬件鎖相同步技術(shù)外，都是非同步的。因此非同步采樣法在采樣計(jì)算測(cè)量理論中有著重要地位。1982年M.F.Matouka應(yīng)用非同步采樣法，并研制出用于測(cè)量非正弦系統(tǒng)的功率、電能表，其準(zhǔn)確度優(yōu)于0.5%。1984年美國(guó)NBS的GerardN.Stenbakken等研究了等間隔非同步采法的誤差并在其基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了數(shù)字功率表，其準(zhǔn)確度優(yōu)于0.1%。1987年新西蘭的AndrewC.Corney采用非同步采樣法研制的數(shù)字功率表在工頻范圍內(nèi)準(zhǔn)確度達(dá)0.015%。在非同步采樣法中又分為過(guò)零起始點(diǎn)采樣法和非過(guò)零起始點(diǎn)采樣法。一般地，非過(guò)零起始點(diǎn)采樣法的誤差要比過(guò)零起始點(diǎn)采樣法減少12個(gè)數(shù)量級(jí)。1.3本文研究的內(nèi)容九十年代隨著電力工業(yè)的發(fā)展，用于電力計(jì)量領(lǐng)域的采樣計(jì)算測(cè)量式儀表的研制與開(kāi)發(fā)及批量生產(chǎn)均較為成功，取得了明顯的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。這極大地促進(jìn)了對(duì)采樣計(jì)算式測(cè)量?jī)x表的分析與研究。對(duì)各種采樣方法的改進(jìn)有所涉及，雖各有所長(zhǎng)，但也有其各自的缺點(diǎn)。為此，本文的主要研究?jī)?nèi)容為：分析非同步采樣法的誤差，確定影響誤差的各種參數(shù)；從軟、硬件兩個(gè)方面綜合分析了幾種常用的預(yù)防、補(bǔ)償措施的優(yōu)缺點(diǎn)；應(yīng)用參數(shù)自適應(yīng)的快速準(zhǔn)同步算法，進(jìn)行電路硬件及軟件設(shè)計(jì)。畢業(yè)論文電參數(shù)非同步采樣算法的研究7畢業(yè)論文電參數(shù)非同步采樣算法的研究82非同步采樣法的算法推導(dǎo)和誤差分析一般地，除硬件鎖相同步技術(shù)外，都是非同步的。因此非同步采樣法在采樣計(jì)算測(cè)量理論中有著重要地位。在非同步采樣法中又分為過(guò)零起始點(diǎn)采樣法和非過(guò)零起始點(diǎn)采樣法。一般地，非過(guò)零起始點(diǎn)采樣法的誤差要比過(guò)零起始點(diǎn)采樣法減少1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。非同步采樣法是使用固定的采樣間隔，通過(guò)調(diào)整采樣值，使采樣周期與信號(hào)周期(或信號(hào)周期的整數(shù)倍)的差值小于一個(gè)采樣間隔的測(cè)量方法。2.1采樣計(jì)算測(cè)量法的一般表達(dá)式周期為T的交流電壓u(t)在一個(gè)無(wú)源一端口網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生電流i(t)，則電壓u(t)、電流i(t)的有效值U和I與該網(wǎng)絡(luò)消耗的有功功率P可分別表示為（2-1）（2-2）（2-3）式中，p(t)=u(t)i(t)為瞬時(shí)功率。為研究方便，如果把u2(t),i2(t)和u(t)i(t)視為一個(gè)函數(shù)f(t)，不考慮開(kāi)方運(yùn)算，則式(2-1)，（2-2）和（2-3）可以表示為（2-4）式中，F(xiàn)0表示周期信號(hào)f(t)在一個(gè)周期T中的平均值；電壓測(cè)量時(shí)F0=U2，f(t)=u2(t)，電流測(cè)量時(shí)F0=I2，f(t)=i2(t)；功率測(cè)量時(shí)F0=P，f(t)=u(t)i(t)。因此，對(duì)于電壓和電流的測(cè)量以及有功功率的測(cè)量，采樣計(jì)算測(cè)量法都可以歸結(jié)為研究式(2-4)形式的平均值積分運(yùn)算的算法、算法誤差及電路實(shí)現(xiàn)問(wèn)題；另一個(gè)目的是為了采用同一種方法研究電壓、電流、有功功率和諧波分析等各種積分平均值測(cè)量問(wèn)題畢業(yè)論文電參數(shù)非同步采樣算法的研究9圖2-1被測(cè)信號(hào)f(t)在一個(gè)周期內(nèi)等分如圖2-1，對(duì)被測(cè)信號(hào)f(t)在一個(gè)周期T內(nèi)，進(jìn)行n等分，將得到n+1個(gè)時(shí)間分割點(diǎn)ti及時(shí)間ti所對(duì)應(yīng)的被測(cè)信號(hào)值f(ti)，并且考慮到采樣不一定從t0=0開(kāi)始，可令ti=its+ta，其中t