本發(fā)明涉及電信號測量領(lǐng)域中的時間檢測技術(shù)，尤其涉及一種工頻正弦交流電信號的過零時刻檢測系統(tǒng)及其方法；具體地說，本發(fā)明涉及正弦交流電信號幅度經(jīng)過零點的時刻檢測，主要用于正弦交流信號中相位與時間量值的轉(zhuǎn)換。

背景技術(shù)：

近年來，隨著電網(wǎng)數(shù)字化改造工作的推進，電子式互感器、模擬量輸入合并單元等設(shè)備在電網(wǎng)中大量應(yīng)用，用于將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。上述設(shè)備的測試可使用電子式互感器校驗儀與合并單元測試儀，電子式互感器校驗儀和合并單元測試儀需要用電子式互感器校驗儀整檢裝置來校準，而電子式互感器校驗儀整檢裝置的相位特性可以溯源到時間標準，而溯源到時間標準的過程中，需要利用工頻正弦交流電信號過零時刻檢測裝置來輔助實現(xiàn)。

當前，工頻正弦交流電信號過零時刻的檢測大都用于電力系統(tǒng)中的并網(wǎng)檢測，所需相位準確度的誤差限通常在3°左右，換算成時間約為167ms，因此，使用簡單的比較電路等方式即可滿足要求。然而電力系統(tǒng)的相位測量及計量的要求是10′，需要用誤差限為2′的標準器來校準，則要求工頻正弦交流電信號過零時刻的檢測誤差不大于1′，約0.926μs。因此，現(xiàn)有簡單的比較電路等方式無法滿足準確度的要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就在于解決工頻正弦交流電信號過零時刻的高準確度檢測問題，提供一種基于參數(shù)估計的工頻正弦交流電信號的過零時刻檢測系統(tǒng)及其方法。

本系統(tǒng)可作為輔助標準器，檢測電子式互感器校驗儀整檢裝置輸出的工頻正弦交流電信號的過零時刻，并轉(zhuǎn)換成脈沖輸出。通過此方式，可將其相位誤差準確度溯源到時間標準。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一、工頻正弦交流電信號過零時刻檢測系統(tǒng)(簡稱系統(tǒng))

本系統(tǒng)包括被測對象——工頻正弦交流信號源；

設(shè)置有檢測裝置；

檢測裝置包括ad采樣電路、主處理器、脈沖發(fā)生電路和脈沖驅(qū)動電路；

主處理器包括邏輯與計算電路和控制器；

其連接關(guān)系是：

工頻正弦交流信號源、ad采樣電路、邏輯與計算電路和脈沖驅(qū)動電路依次連接，實現(xiàn)被測工頻交流信號的ad采樣、過零時刻分析計算及輸出；

脈沖發(fā)生電路和控制器分別與邏輯與計算電路連接，為系統(tǒng)提供的流程控制，以及生成采樣及計算所需的中頻脈沖和高頻脈沖。

二、工頻正弦交流電信號過零時刻檢測方法(簡稱方法)

具體地說，本方法包括以下步驟：

①初始化

將被測工頻正弦交流模擬信號接入ad采樣電路，在邏輯與計算電路的控制下開始連續(xù)采樣，并實時判斷每一個采樣值，當檢測到采樣值發(fā)生由負到正(或由正到負)的過零跳變時，輸出第一個過零時刻；

②頻率參數(shù)估計

存儲一定長度的采樣值并對其進行峰值檢測及計數(shù)，通過計算緩存中峰值的數(shù)量，來估算信號的相對頻率參數(shù)；

③相位參數(shù)估計

建立模型并代入相對頻率參數(shù)，用梯度估計的方法，通過迭代，估算信號的相位參數(shù)；

④過零時刻推算及輸出

根據(jù)相對頻率參數(shù)及相位參數(shù)，推算過零時刻對應(yīng)的采樣脈沖計數(shù)，并輸出脈沖信號。

本發(fā)明具有下列優(yōu)點和積極效果：

①通過相對頻率概念，可有效避免信號頻率及采樣頻率的微小偏差對估計結(jié)果造成的影響；

②利用被測信號頻率及采樣頻率的短時穩(wěn)定性，通過對大量歷史數(shù)據(jù)的峰值檢測，可在有效提高頻率估計準確率的同時，減少計算開銷；

③通過模型參數(shù)初始值的合理選取可有效減少迭代次數(shù)，降低運算開銷，從而將過零時刻檢測的誤差控制在1μs以內(nèi)，對應(yīng)工頻頻率下1′左右。

附圖說明

圖1是本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖；

圖2是本方法參數(shù)估計的時序圖；

圖3是本方法脈沖輸出的時序圖；

圖4是本方法檢測工作流程圖。

圖中：

100—工頻正弦交流信號源；

210—檢測裝置，

210—ad采樣電路；

220—主處理器，

221—邏輯與計算電路，

222—控制器；

230—脈沖發(fā)生電路；

240—脈沖驅(qū)動電路。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例詳細說明：

一、系統(tǒng)

1、總體

如圖1，本系統(tǒng)包括被測對象——工頻正弦交流信號源100；

設(shè)置有檢測裝置200；

檢測裝置200包括ad采樣電路210、主處理器220、脈沖發(fā)生電路230和脈沖驅(qū)動電路240；

主處理器220包括邏輯與計算電路221和控制器222；

其連接關(guān)系是：

工頻正弦交流信號源100、ad采樣電路210、邏輯與計算電路221和脈沖驅(qū)動電路240依次連接，實現(xiàn)被測工頻交流信號的ad采樣、過零時刻分析計算及輸出；

脈沖發(fā)生電路230和控制器222分別與邏輯與計算電路221連接，為系統(tǒng)提供的流程控制，以及生成采樣及計算所需的中頻脈沖和高頻脈沖。

2、功能塊

1)工頻正弦交流信號源100

工頻正弦交流信號源100可產(chǎn)生幅值為2-15v，頻率與電網(wǎng)頻率一致(為50hz左右)的正弦交流信號，產(chǎn)生原理包括直接數(shù)字合成(dds)、模擬信號調(diào)理和變壓器變換等。在工頻正弦交流信號源100中，包含有一定幅度的諧波和噪聲信號，且允許有不超過0.1％的相對頻率偏差。

2)檢測裝置200

檢測裝置200包括ad采樣電路210、主處理器220、脈沖發(fā)生電路230和脈沖驅(qū)動電路240。

ad采樣電路210、脈沖發(fā)生電路230和脈沖驅(qū)動電路240分別與主處理器220連接。

1)ad采樣電路210

ad采樣電路210可選用如adi公司的ad7606等單通道采樣芯片加外圍電路實現(xiàn)，也可以購買如ni公司的compactrio系列模擬數(shù)字采樣模塊等成熟產(chǎn)品實現(xiàn)。

ad采樣電路210的作用是在控制器222和邏輯與計算電路221的控制下，將工頻正弦交流信號源100采樣成數(shù)字采樣值序列，以供邏輯與計算電路221計算處理；ad采樣電路210的采樣頻率范圍在100k-1msps之間，采樣頻率允許有0.05％的相對偏差。

2)主處理器220

主處理器220是本系統(tǒng)的主要部件，其作用是將ad采樣電路210采樣得到的采樣值序列進行相對頻率和相位的參數(shù)估計，從而計算出過零點時刻對應(yīng)的脈沖計數(shù)。

主處理器220可選用如microsemi公司的smartfusion2系列芯片實現(xiàn)，該芯片包含fpga門陣列和arm內(nèi)核，也可使用xilinx公司的spartan系列fpga及st公司的stm32m系列微處理器組合實現(xiàn)。

主處理器220包括邏輯與計算電路221和控制器222。

邏輯與計算電路221中通過fpga設(shè)置了可并行執(zhí)行的峰值檢測程序、峰值計數(shù)程序、矩陣計算程序、ad采樣控制邏輯、數(shù)據(jù)存儲控制邏輯，且設(shè)置有深度為np的先入先出緩存。

邏輯與計算電路221主要用來實現(xiàn)算法中并行的采樣控制邏輯、判斷時序及組合邏輯、峰值判別算法及迭代估計算法。

控制器222的主要作用是控制計算流程及特殊情況處理。

3)脈沖發(fā)生電路230

脈沖發(fā)生電路221可選用20-50mhz的tcxo晶振及外圍電路構(gòu)成，高頻脈沖通過分頻得到低頻脈沖。

脈沖發(fā)生電路230的作用是產(chǎn)生用于觸發(fā)ad采樣電路210采樣的信號的中頻脈沖以及用于準確輸出過零時刻的高頻脈沖。

4)脈沖驅(qū)動電路240

脈沖驅(qū)動電路240可選用cmos管及外圍電路組成，也可采購如ti公司的sn74系列驅(qū)動芯片實現(xiàn)。

脈沖驅(qū)動電路240的作用是使輸出的脈沖信號上升及下降時間以及驅(qū)動能力滿足要求。

3、檢測原理

本發(fā)明中，對工頻正弦交流信號源100產(chǎn)生的被測信號的過零時刻進行檢測的原理是：用信號采樣電路210對被測信號進行采樣，通過判別采樣值的符號編號判斷一個初步的過零時刻并輸出；隨后，通過采集大量數(shù)據(jù)，用峰值檢測及峰值計數(shù)的方式估計相對頻率參數(shù)ωn1，并在此基礎(chǔ)上，用levenberg-marquardt等梯度估計的方法，通過迭代計算，估計出相位參數(shù)通過代入相對頻率參數(shù)ωn1和相位參數(shù)求解方程得到過零時刻的采樣計數(shù)n，并進行固定延時修正后，通過脈沖驅(qū)動電路240輸出過零時刻脈沖。

二、方法

1、步驟①：

a、將被測工頻正弦交流信號源100連接到檢測回路的ad采樣電路210中；

b、脈沖發(fā)生電路230連續(xù)產(chǎn)生中頻采樣脈沖，通過邏輯與計算電路221控制ad采樣電路210進行連續(xù)采樣，并實時判斷每一個采樣值，按照公式(1)檢測采樣值的過零跳變，并輸出第一個過零時刻，其中xi為采樣值；

[xi＜0]&[xi*xi+1]＜0(1)。

2、步驟②

a、從每一個過零點輸出開始，繼續(xù)采集p個不完整周期的采樣序列(p取值為0.85～0.90，np＝p+p)存入緩存，并記錄當前采樣計數(shù)值n0，復(fù)制緩存數(shù)據(jù)；

b、對復(fù)制的緩存數(shù)據(jù)進行數(shù)字峰值檢測，計算緩存中峰值的數(shù)量n，并記錄區(qū)間的首尾兩個峰值之間的采樣計數(shù)k-i，其中i和k為分別為第一個和最后一個峰值的采樣計數(shù)值；

c、使用公式(2)來估算信號的相對主頻率ωn1。由于采樣周期τ可能存在偏差，故僅計算主頻率與采樣周期的比值作為相對量，用于后續(xù)相位參數(shù)估計

3、步驟③

i、相對主頻率參數(shù)ωn1估計完成后，取長度為nq的數(shù)據(jù)序列(nq＜np，可根據(jù)計算準確度要求和硬件計算能力選擇nq的取值)，將ωn1代入公式(3)描述的模型；

ii、應(yīng)用levenberg-marquardt估計算法，根據(jù)公式(4)對相位參數(shù)以及a0和a1進行估計。迭代計算的初始值按照公式(5)設(shè)置，其中a0init和a1init分別為a0和a1的迭代初始值，apeak為步驟②中測量的信號單峰值；

市場軟件產(chǎn)品中有成熟的levenberg-marquardt算法可供使用。

4、步驟④

i、完成ωn1和的估計后，求解公式(6)，計算過零點的采樣計數(shù)n，取合適的k值，使n為不小于n0的最小值；

ii、將n分為整數(shù)部分nint和小數(shù)部分km·mfract，如公式(7)所示，其中km為高頻脈沖周期與中頻脈沖周期的倍數(shù)，取值為0.001至0.01之間，mfract為整數(shù)；

iii、當達到計算的采樣計數(shù)值時，檢測裝置200通過脈沖驅(qū)動電路240輸出過零時刻脈沖。