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毕业设计 电参数非同步采样算法的研究.doc

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毕业设计 电参数非同步采样算法的研究.doc

毕业论文电参数非同步采样算法的研究-1-目录摘要...................................................................................................................................3ABSTRACT.........................................................................................................................41绪论...................................................................................................................................51.1研究本文的目的和意义............................................................................................51.2国内外研究概况........................................................................................................61.3本文研究的内容........................................................................................................62非同步采样法的算法推导和误差分析..........................................................................82.1采样计算测量法的一般表达式................................................................................82.2采样测量算法截断误差ΔF与同步误差δT的关系..........................................122.3非同步采样法的误差分析......................................................................................142.3.1采用复化矩形算法..........................................................................................142.3.2采用复化梯形算法..........................................................................................152.4周期非正弦信号的测量..........................................................................................162.4.1采用复化矩形算法..........................................................................................162.4.2采用复化梯形算法..........................................................................................193电力系统中非同步采样误差的研究............................................................................203.1绪论..........................................................................................................................203.2离散傅立叶变换的泄漏现象和栅栏效应..............................................................203.3从硬件角度考虑......................................................................................................213.3.1同时优化N1和TS,使ΔT最小................................................................213.3.2固定N1,优化TS,使ΔT最小.................................................................213.3.3固定TS,优化N1,使ΔT最小.................................................................213.4从软件角度考虑......................................................................................................223.4.1准同步DFT法..................................................................................................223.4.2加窗插值FFT法..............................................................................................233.4.3改进FFT法......................................................................................................243.4.4基于相位差的相位校正..................................................................................253.4.5非同步采样数据的同步化..............................................................................264硬件电路和软件程序的设计........................................................................................274.1硬件电路的设计与功能实现..................................................................................274.2主要芯片功能简介..................................................................................................274.2.1主要性能..........................................................................................................28毕业论文电参数非同步采样算法的研究-2-4.2.2主要引脚功能..................................................................................................284.3软件的设计..............................................................................................................294.3.1测量主程序......................................................................................................294.3.2测量被测信号周期子程序..............................................................................304.3.3采样、转换、存储子程序..............................................................................315总结和展望.....................................................................................................................32鸣谢.................................................................................................................................33参考文献.............................................................................................................................34毕业论文电参数非同步采样算法的研究-3-摘要由于实际电网信号的频率通常会在额定频率附近波动,很难保证对信号的同步采样,FFT算法的泄漏现象和栅栏效应将会导致较大的测量误差。本论文对电参数在非同步采样时的测量误差进行了分析,得出一般情况下的误差估计针对典型算法(复化矩形算法和复化梯形算法)给出准确的误差公式,并由此得到减小误差的方法,从软、硬件两个方面综合分析了几种常用的预防、补偿措施的优缺点,表明这些方法提高了信号的分析精度和测量参数的可信度,这些结论可为交流采样技术的电力参数测量仪表在设计时进行误差分析提供参考。关键词FFT算法测量误差复化矩形算法复化梯形算法。毕业论文电参数非同步采样算法的研究-4-ABSTRACTKEYWORDS毕业论文电参数非同步采样算法的研究-5-1绪论1.1研究本文的目的和意义随着科学的进步、工农业的发展、人均生活水平的不断提高,用电量也在不断地增大。如何提高对电参量的准确测量一直是科研工作者冥思苦想的课题之一。由于传感器、模拟数字转换器ADC、微处理器mPμP、存储器RAMROM等器件不断地微型化、高度集成化,测量电参量的电子式仪表因其便携、微型、高精度而倍受青睐。测量电参量的方法可分为模拟电路测量法和采样计算测量法。模拟电路测量法准确度高、稳定性好,但不适用于多参数测量采样计算测量法不仅适用于多参数测量,且其优点与核心技术之一是误差的补偿。目前采样计算测量法包括直流采样法和交流采样法。直流采样法是先将交流量整流为直流量,测量其直流量后,通过固定公式换算为有效值。这种方法设计简单、计算方便,但也存在整流电路参数难于调整及被测波形的影响很大的缺点。当被测信号为工频正弦量、谐波污染较严重时,误差可达10以上。因此,这种方法已经逐渐被交流采样法所代替。交流采样法是按照采样定理对被测信号的瞬时值进行时间上的离散和幅值上的量化,再应用某种数值计算方法求得被测量。因此应用交流采样法产生的误差主要是由数值计算方法本身的算法误差、ADC的速度、位数以及微处理器的速度来决定。当今,微电子技术的飞速发展,使微处理器和ADC无论在速度与位数上都有很大的提高,因此在硬件一定的前提下,如何寻求好的采样方法或与硬件相配合来减小误差,是十分必要的。采样计算测量法一般来说分为等间隔同步采样法、等间隔非同步采样法、准同步采样法。等间隔同步采样法是1974年由美国国家标准局NBS的Raymond.S.Tungel首先提出的,主要采用锁相环路技术,虽然硬件同步电路具有速度高、误差小等特点,但当采样路数的增加时会使设计成本成倍上升。1982年M.F.Matouka采用非同步采样法研制出用于测量非正弦系统的功率、电能表,其准确度优于0.5,所以等间隔非同步采样法很难达到较高的准确度。等间隔准同步采样法是清华大学戴先中于1984年提出的,其优点是通过适当增加算法的迭代次数和采样数据量,可以达到较高的准确度。然而,是以更多的采样周期和采样点数、更大的数据量和更长的运算时间为代价的。综上所述,针对系统的实际情况,合理选择采样方法进行数据处理是提高测量准确度的重要环节。研究一种所需硬件成本较低、准确度更高、运算时间较短的采样计算测量法对对指导产品设计、提供参数、解决生产中出现的问题和对提高数字测量理论水平、进而指导高精度电子式智能仪器的研制具有十分重要的理论和实际意义。毕业论文电参数非同步采样算法的研究-6-1.2国内外研究概况一般地,设对周期为T的被测信号ft,在m个周期上采n个点,且采样周期为ts,令ΔTntsmT,ΔT称作周期偏差。在理想情况下,当ΔT0时,称为等间隔同步采样法当ΔT≠0时,称为等间隔非同步采样法。一般地,除硬件锁相同步技术外,都是非同步的。因此非同步采样法在采样计算测量理论中有着重要地位。1982年M.F.Matouka应用非同步采样法,并研制出用于测量非正弦系统的功率、电能表,其准确度优于0.5。1984年美国NBS的GerardN.Stenbakken等研究了等间隔非同步采法的误差并在其基础上设计了数字功率表,其准确度优于0.1。1987年新西兰的AndrewC.Corney采用非同步采样法研制的数字功率表在工频范围内准确度达0.015。在非同步采样法中又分为过零起始点采样法和非过零起始点采样法。一般地,非过零起始点采样法的误差要比过零起始点采样法减少1~2个数量级。1.3本文研究的内容九十年代随着电力工业的发展,用于电力计量领域的采样计算测量式仪表的研制与开发及批量生产均较为成功,取得了明显的社会经济效益。这极大地促进了对采样计算式测量仪表的分析与研究。对各种采样方法的改进有所涉及,虽各有所长,但也有其各自的缺点。为此,本文的主要研究内容为分析非同步采样法的误差,确定影响误差的各种参数从软、硬件两个方面综合分析了几种常用的预防、补偿措施的优缺点应用参数自适应的快速准同步算法,进行电路硬件及软件设计。毕业论文电参数非同步采样算法的研究-7-毕业论文电参数非同步采样算法的研究-8-2非同步采样法的算法推导和误差分析一般地,除硬件锁相同步技术外,都是非同步的。因此非同步采样法在采样计算测量理论中有着重要地位。在非同步采样法中又分为过零起始点采样法和非过零起始点采样法。一般地,非过零起始点采样法的误差要比过零起始点采样法减少12个数量级。非同步采样法是使用固定的采样间隔,通过调整采样值,使采样周期与信号周期或信号周期的整数倍的差值小于一个采样间隔的测量方法。2.1采样计算测量法的一般表达式周期为T的交流电压ut在一个无源一端口网络产生电流it,则电压ut、电流it的有效值U和I与该网络消耗的有功功率P可分别表示为(21)(22)(23)式中,ptutit为瞬时功率。为研究方便,如果把u2t,i2t和utit视为一个函数ft,不考虑开方运算,则式21,(22)和(23)可以表示为(24)式中,F0表示周期信号ft在一个周期T中的平均值电压测量时F0U2,ftu2t,电流测量时F0I2,fti2t功率测量时F0P,ftutit。因此,对于电压和电流的测量以及有功功率的测量,采样计算测量法都可以归结为研究式24形式的平均值积分运算的算法、算法误差及电路实现问题另一个目的是为了采用同一种方法研究电压、电流、有功功率和谐波分析等各种积分平均值测量问题毕业论文电参数非同步采样算法的研究-9-图21被测信号ft在一个周期内等分如图21,对被测信号ft在一个周期T内,进行n等分,将得到n1个时间分割点ti及时间ti所对应的被测信号值fti,并且考虑到采样不一定从t00开始,可令tiitsta,其中tsT/ni0,1,,n,称为采样间隔i0,1,,n,称为采样步长ta称为采样起始点。在每个等分区间ti,ti1i0,1,,n1上,应用数值求积公式,可分别得到被测量在每个等分区间上的梯形算法的值(25)由于被测信号ft在一个周期T上的积分值等于每个等分区间上积分值的累加和,所以(26)由式24,(25)和(26)可得(27)

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