一种谐波分析中的整周期采样电路及整周期采样方法

技术领域

本发明涉及一种模拟周期信号的整周期采样电路及整周期采样方法，尤其是一种谐波分析中的整周期采样电路及整周期采样方法。

背景技术

在谐波分析技术领域，一种主要的技术手段就是将被测波形进行ADC采样，转换为一系列的数字量，然后在控制处理模块中进行快速傅里叶变换，从而得到被测模拟周期信号的基波和各次谐波分量，但使用快速傅里叶变换技术进行分析时，如果不能保证采样点数与被测模拟周期信号频率成整数倍关系，则会出现频谱泄露，造成分析误差。

为此，已有大量的文献、专利介绍了谐波分析中的整周期采样技术，大多采用的是数字锁相倍频技术，首先完成对被测模拟周期信号的倍频，然后用倍频后的信号对被测模拟周期信号进行整周期采样；这些文献、专利均用自己的手段实现了整周期采样的目的，但这些技术有的实现相对复杂，需要较为复杂的实现电路，有的因在进行数字倍频时，基本采用有限字长进行计算，存在较大的截断误差，造成倍频精度不够高，不能在整个模拟信号周期内实现完整的整数倍频。

为实现对被测模拟周期信号的整周期采样，还有一种技术，通过测量被测模拟周期信号频率或一个周期的时间，采用直接数字频率合成芯片产生整数倍频信号，以产生被测模拟周期信号频率整数倍的采样脉冲，该方法需要外接专门的直接数字频率合成芯片，且不便控制所产生采样脉冲的相位。

因同步采样实现相对困难，也有大量的文章采用非同步采样技术，通过高速ADC获得采样序列，在后期的处理中运用各种不同的数据处理算法完成谐波分析，很明显,这类技术要求高速的ADC采样，而且算法复杂，对控制处理模块的要求较高，不易实现实时分析。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、能够准确实现所要求的整周期采样功能的谐波分析中的整周期采样电路及整周期采样方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种谐波分析中的整周期采样电路，包括第一定时器、第二定时器、第一波形整形模块、边沿检测模块、设置有波形查找表的控制处理模块、数模转换器、低通滤波器、第二波形整形模块和模数转换器模块，所述的第一波形整形模块用于将被测模拟周期信号的模拟波形整形为方波信号，所述的边沿检测模块用于检测所述的第一波形整形模块输出的方波信号的上升沿和下降沿并发送检测结果信号至所述的控制处理模块，所述的控制处理模块用于根据检测结果信号控制所述的第一定时器对方波信号的周期进行测量，再由所述的控制模块根据测量得到的方波信号的周期得到所述的第二定时器产生定时中断信号的中断频率、合成信号的频率和波形索引步长，所述的第二定时器用于根据测量得到的方波信号的周期产生定时中断信号并发送至所述的控制处理模块，所述的波形查找表中预设有一个周期的合成信号波形采样值，所述的控制处理模块用于在接收到定时中断信号时以当前波形查找表的地址索引为准，发送合成信号波形采样值至所述的数模转换器，当前波形查找表的地址索引具有一个初值，并以波形索引步长为单位逐次递加，直至所述的边沿检测模块检测到所述的第一定时器完成周期测量后的被测模拟周期信号的第二个上升沿时停止，所述的数模转换器用于将合成信号波形采样值转换为波形样点逐次输出最终得到合成波形，所述的低通滤波器用于将合成波形进行平滑滤波后发送至所述的第二波形整形模块，所述的第二波形整形模块用于将平滑滤波后的合成波形转换为所述的模数转换器的采样触发脉冲，所述的模数转换器用于根据采样触发脉冲对被测波形进行采样得到采样波形，并将采样波形输入所述的控制处理模块，所述的控制处理模块用于对接收到的采样波形进行谐波分析。

使用上述的一种谐波分析中的整周期采样电路的整周期采样方法，包括以下步骤：

1）控制处理模块对第一定时器的时间基准和第二定时器的定时中断信号的中断时间进行初始化设置，并将波形查找表的地址索引index初始化为初值index0，index0=0；

2）将被测模拟周期信号输入第一波形整形模块，开始本次谐波分析周期，第一波形整形模块对被测模拟周期信号进行整形得到方波信号，并将方波信号分别发送至边沿检测模块和第一定时器，当边沿检测模块检测到方波信号的第一个下降沿时，控制处理模块控制第一定时器开始对方波信号的周期进行测量，当边沿检测模块检测到方波信号的第二个下降沿时，控制处理模块控制第一定时器停止测量工作，此时控制处理模块读取第一定时器的测量值并作为被测模拟周期信号的周期T0；

3）控制处理模块根据被测模拟周期信号的周期获取采样频率FN：FN=N/T0，其中N表示根据需要预设的对被测模拟周期信号的一个周期内的波形进行整周期采样所包括的合成信号的周期的总数，控制处理模块再根据FN获取第二定时器的中断频率Fs：Fs=k×FN，100≤k≤200，最后，控制处理模块根据FN和Fs获取波形索引步长step：step=FN×tablesize/Fs，其中，tablesize表示波形查找表的大小；

4）当边沿检测模块检测到第一定时器完成周期测量后的被测模拟周期信号的第一个上升沿时，控制处理模块控制第二定时器以中断频率产生定时中断信号，当第二定时器产生一次定时中断信号时，控制处理模块以当前的index为准，将波形查找表内存储的第一个合成信号波形采样值送往数模转换器并输出第一个波形样点；

然后根据step对下一次地址索引进行更新：index=index+step，其中符合“=”为更新符号，并以更新后的地址索引为准，当第二定时器产生下一次定时中断信号时，控制处理模块将波形查找表内存储的下一个合成信号波形采样值送往数模转换器并输出下一个波形样点；

重复执行上述过程，同时判断index的值是否大于tablesize，如果大于tablesize，则当前一次index更新为：index= index- tablesize+step，其中符合“=”为更新符号；

当边沿检测模块检测到第一定时器完成周期测量后的被测模拟周期信号的第二个上升沿时，控制处理模块控制第二定时器停止工作；

5）低通滤波器将合成波形进行平滑滤波后发送至第二波形整形模块；

6）第二波形整形模块将平滑滤波后的合成波形转换为模数转换器的采样触发脉冲，模数转换器根据采样触发脉冲对被测波形进行整周期采样得到整周期采样波形，完成整周期采样过程，并将采样波形输入控制处理模块。

与现有技术相比，本发明的优点在于利用数字频率合成技术，以波形查找表配合数模转换器，根据测得的由信号发生器发出的被测模拟周期信号的周期来输出整数倍频后的模拟合成波形，再经过简单的低通滤波器和第二波形整形模块获得整周期采样脉冲，模数转换器根据采样触发脉冲对被测波形进行整周期采样得到整周期采样波形，完成整周期采样过程，并将采样波形输入控制处理模块进行后续的谐波分析处理；其中，对被测模拟周期信号进行整数倍频处理，以产生整数倍采样脉冲，只需一片较高性能的通用控制处理模块，如32位单片机STM32F407，外加简单的辅助电路，即可实现所要求的整周期采样功能，电路结构较为简单；由实际实验结果可得，整周期采样功能准确，且在处理器性能允许范围内，任意改变被测模拟周期信号频率，合成波形频率依然与被测模拟周期信号波形保持稳定的整数倍关系；

其中，地址索引和索引步长的计算，采用浮点计算，基本消除了计算时的累计误差，确保了合成波形的频率精度；在根据索引地址索引波形查找表数据时，对索引地址进行取整操作，由此会产生合成波形幅度方面的噪声，但不会影响输出频率，而合成波形的频率是最关键的，这可以通过后级的低通滤波器滤除。

附图说明

图1为本发明的电路原理框图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：如图1所示，一种谐波分析中的整周期采样电路，包括第一定时器11、第二定时器12、第一波形整形模块2、边沿检测模块3、设置有波形查找表的控制处理模块4、数模转换器5、低通滤波器6、第二波形整形模块7和模数转换器8，其中，第一波形整形模块2用于将被测模拟周期信号的模拟波形整形为方波信号，边沿检测模块3用于检测第一波形整形模块2输出的方波信号的上升沿和下降沿并发送检测结果信号至控制处理模块4，控制处理模块4用于根据检测结果信号控制第一定时器11对方波信号的周期进行测量，再由控制模块根据测量得到的方波信号的周期得到第二定时器12产生定时中断信号的中断频率、合成信号的频率和波形索引步长，第二定时器12用于根据测量得到的方波信号的周期产生定时中断信号并发送至控制处理模块4，波形查找表中预设有一个周期的合成信号波形采样值，控制处理模块4用于在接收到定时中断信号时以当前波形查找表的地址索引为准，发送合成信号波形采样值至数模转换器5，当前波形查找表的地址索引具有一个初值，并以波形索引步长为单位逐次递加，直至边沿检测模块3检测到第一定时器11完成周期测量后的被测模拟周期信号的第二个上升沿时停止，数模转换器5用于将合成信号波形采样值转换为波形样点逐次输出最终得到合成波形，低通滤波器6用于将合成波形进行平滑滤波后发送至第二波形整形模块7，第二波形整形模块7用于将平滑滤波后的合成波形转换为模数转换器8的采样触发脉冲，模数转换器8用于根据采样触发脉冲对被测波形进行采样得到采样波形，并将采样波形输入控制处理模块4，控制处理模块4用于对接收到的采样波形进行谐波分析。

其中，第一定时器11需要对被测模拟周期信号的周期进行测量，所以定时时钟的频率设得较高才准确，比如定时时钟设为1Mhz、10Mhz等；因第二定时器12用于配合控制处理模块4进行波形合成，其中断时间不宜过高或过低，比如测得被测模拟周期信号频率为50Hz，需要测量其10次谐波，则对其进行采样的频率不应低于FN=20*50Hz=1Khz，也就是说希望系统能产生1Khz的同步采样脉冲，那么第二定时器12的定时中断频率不宜低于10Khz，为使得合成后的波形较为理想，可以设定第二定时器12的定时中断频率等于Fs=100*FN=100Khz或更高；

波形查找表中预设的一个周期的波形采样值对应的波形可以是一般较为常用的正弦波，以及三角波、锯齿波等，为使合成的波形更为细致，波形查找表存储的合成信号波形采样值的点数不宜少于200点。

实施例二：使用如实施例一中的一种谐波分析中的整周期采样电路的整周期采样方法，包括以下步骤：

1）控制处理模块4对第一定时器11的时间基准和第二定时器12的定时中断信号的中断时间进行初始化设置，并将波形查找表的地址索引index初始化为初值index0，index0=0。

2）将被测模拟周期信号输入第一波形整形模块2，开始本次谐波分析周期，第一波形整形模块2对被测模拟周期信号进行整形得到方波信号，并将方波信号分别发送至边沿检测模块3和第一定时器11，当边沿检测模块3检测到方波信号的第一个下降沿时，控制处理模块4控制第一定时器11开始对方波信号的周期进行测量，当边沿检测模块3检测到方波信号的第二个下降沿时，控制处理模块4控制第一定时器11停止测量工作，此时控制处理模块4读取第一定时器11的测量值并作为被测模拟周期信号的周期T0。

3）控制处理模块4根据被测模拟周期信号的周期获取采样频率FN：FN=N/T0，其中N表示根据需要预设的对被测模拟周期信号的一个周期内的波形进行整周期采样所包括的合成信号的周期的总数，控制处理模块4再根据FN获取第二定时器12的中断频率Fs：Fs=k×FN，k=100，最后，控制处理模块4根据FN和Fs获取波形索引步长step：step=FN×tablesize/Fs，其中，tablesize表示波形查找表的大小，k的取值范围为100~200，k取100时获得的合成波形的波形较为连续。N可根据需要取为10、20、30等。

4）当边沿检测模块3检测到第一定时器11完成周期测量后的被测模拟周期信号的第一个上升沿时，控制处理模块4控制第二定时器12以中断频率产生定时中断信号，当第二定时器12产生一次定时中断信号时，控制处理模块4以当前的index为准，将波形查找表内存储的第一个合成信号波形采样值送往数模转换器5并输出第一个波形样点；

然后根据step对下一次地址索引进行更新：index=index+step，其中符合“=”为更新符号，并以更新后的地址索引为准，当第二定时器12产生下一次定时中断信号时，控制处理模块4将波形查找表内存储的下一个合成信号波形采样值送往数模转换器5并输出下一个波形样点；

重复执行上述过程，同时判断index的值是否大于tablesize，如果大于tablesize，则当前一次index更新为：index= index- tablesize+step，其中符合“=”为更新符号；

当边沿检测模块3检测到第一定时器11完成周期测量后的被测模拟周期信号的第二个上升沿时，控制处理模块4控制第二定时器12停止工作；此时，所合成波形的周期正好为被测模拟周期信号周期的1/N，即合成波形的频率正好为被测模拟周期信号频率的N倍，且初始相位与被测模拟周期信号的上升沿一致；这样就形成了对波形查找表的循环索引，每当第二定时器12产生一次中断，数模转换器5就会输出一个新的值，连续工作一定时间后，数模转换器5的输出就形成了频率为FN的合成波形输出。

5）低通滤波器6将合成波形进行平滑滤波后发送至第二波形整形模块7。上一步输出的波形实际为一个个不同幅度的阶梯状信号，含有大量的杂散噪声，不能作为模数转换器8的采样触发信号，所以需要对其进行滤波处理；根据波形合成的工作原理，该杂散噪声的基频为Fs，远大于合成波形的频率FN，所以只需要设计较为简单的常规结构的低通滤波器6，保证低通滤波器6的截止频率设为稍大于FN，即可对Fs进行有效滤除。

6）第二波形整形模块7将平滑滤波后的合成波形转换为模数转换器8的采样触发脉冲，模数转换器8根据采样触发脉冲对被测波形进行整周期采样得到整周期采样波形，完成整周期采样过程，并将采样波形输入控制处理模块4。

具体应用实例如下：

控制处理模块4选用较高性能的32位单片机STM32F407，该单片机拥有14个定时器，定时器具有对外部信号边沿捕捉的功能；而且自带ADC、DAC电路，工作主频可达168Mhz，基本可以满足以上实施例所涉及的几个关键部件的需要；用一个定时器作为第一定时器11对被测模拟周期信号的周期进行测量，其时间基准设为1Mhz，并利用其边沿捕捉功能实现对被测模拟周期信号边沿的检测；用另一个定时器作为第二定时器12实现定时中断功能，中断频率设为100Khz，即Fs=100Khz；波形查找表存放512点的正弦波采样值，为方便测试，利用信号发生器产生几十hz左右的方波信号作为被测模拟周期信号，验证整周期采样功能；

设欲实现被测模拟周期信号一个周期内10个点的整周期采样，通过示波器显示被测模拟周期信号与倍频后信号的波形对应关系，测试时并未对倍频后的合成波形进行滤波和整形处理，由测量结果可得，波形合成后的波形频率正好是被测波形频率的10倍，而且初始相位保持恒定；如果将被测模拟周期信号的频率变大或变小，合成波形的输出与被测模拟周期信号保持稳定的10倍关系，而且初始相位保持不变；如果将该波形进行滤波整形，就可以得到与被测模拟周期信号完全同步的10个点采样脉冲，该采样脉冲用于触发模数转换器8的采样，即可实现10点的整周期采样；改变被测模拟周期信号频率，合成波形依然与被测模拟周期信号波形保持稳定关系。