本發(fā)明涉及一種波形信號幅值采集技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種固定頻率與波形信號的快速幅值采集測量方法。

背景技術(shù)：

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，或儀器裝備制造領(lǐng)域，經(jīng)常需要對已知固定頻率和波形的信號進(jìn)行幅值測量、采集。通常的方法是連續(xù)快速的幅值測量、采集，且持續(xù)一個(gè)周期以上的時(shí)間，按照測量精度要求，在一個(gè)完整周期時(shí)間內(nèi)需要包含足夠的采樣點(diǎn)數(shù)。這種方法的一個(gè)主要缺點(diǎn)是，完成一次幅值測量、采集，需要大于等于一個(gè)周期的時(shí)間，極大限制了信號幅值測量與采集的速率。對于短時(shí)間內(nèi)要求較大量數(shù)據(jù)點(diǎn)的檢查與采樣，該問題尤為突出，例如，針對50赫茲交變磁場的測量，采用10×10電感單元矩陣感應(yīng)傳感裝置，完成一次逐點(diǎn)掃描檢查、采樣，需要對100個(gè)傳感單元器件逐一進(jìn)行檢測、采樣，按照上述方法每單元需要不少于一個(gè)周期時(shí)間20ms，100個(gè)單元合計(jì)需要不少于100×5＝5000ms時(shí)間，即一次完整掃描、采集時(shí)間不低于5s，如果單元數(shù)量更多或信號周期更長，則會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性指標(biāo)，甚至造成不能滿足工程需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種固定頻率與波形信號的快速幅值采集測量方法，能夠不依賴于被測信號周期長短，針對已知固定頻率和波形信號進(jìn)行幅值的快速檢測與采集。

本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種固定頻率與波形信號的快速幅值采集測量方法，包括如下步驟：

步驟A：設(shè)N個(gè)采樣點(diǎn)1～N，對應(yīng)的采樣時(shí)間記作t₁，t₂，t₃，…，t_N，

步驟B：每個(gè)采樣點(diǎn)采樣5次，對應(yīng)的采樣時(shí)間記作t_i1＝t_i-2Δt，t_i2＝t_i-Δt，t_i3＝t_i，t_i4＝t_i+Δt，t_i5＝t+2Δt，(i＝1,2,3,…N)

步驟C:去除5次采樣數(shù)據(jù)中的最小值和最大值，將剩余的三個(gè)數(shù)據(jù)取平均值記作Y_i，對應(yīng)于t_i，實(shí)際是將5次采樣的中間時(shí)刻作為本點(diǎn)的采樣時(shí)間；重復(fù)操作N次，得到N組采樣數(shù)據(jù)(Y_i，t_i)；

步驟D：依據(jù)匹配擬合算法原理對得到N組采樣數(shù)據(jù)(Y_i，t_i)進(jìn)行匹配擬合計(jì)算，從而獲得真實(shí)曲線表達(dá)式，進(jìn)而提取幅值。

所述步驟D中所述的匹配擬合算法具體包括如下步驟：

設(shè)理想信號曲線：

N個(gè)采樣點(diǎn)的值表示為：

理想曲線與每一采樣點(diǎn)的偏差記為：

根據(jù)最小二乘法擬合原理，使得為最小值，也即使對A_m和的一階偏導(dǎo)數(shù)等于零，得到兩個(gè)方程式為：

其中ω、t_i和Y_i是已知量，求解上述方程，即可得到A_m和即得到幅值。

本發(fā)明根據(jù)采集精度需要，對被測信號進(jìn)行多點(diǎn)采樣，即為N針對每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行采樣5次，由于被測信號的頻率和波形為已知，所以，利用采樣所得的N組數(shù)據(jù)(對應(yīng)N個(gè)采樣點(diǎn))進(jìn)行曲線匹配擬合計(jì)算，從而得到被測信號的幅值信息。在實(shí)際應(yīng)用中，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣速率為10MH_Z，即周期為1/10微秒，針對50H_Z正弦信號連續(xù)進(jìn)行10點(diǎn)采樣(依據(jù)數(shù)字濾波理論，采樣點(diǎn)數(shù)由測量精度決定，取10～15)，每個(gè)點(diǎn)采樣5次(實(shí)際是在該采樣點(diǎn)的周圍采樣，該次數(shù)不能太大)，則耗時(shí)約(10點(diǎn)×5次×1/10)＝5微秒，考慮到曲線匹配擬合計(jì)算所花費(fèi)的時(shí)間，加上150次連續(xù)采樣時(shí)間，50H_Z正弦信號幅值檢測與采樣共計(jì)耗時(shí)約10微秒，將傳統(tǒng)方法需要耗時(shí)一個(gè)周期約20毫秒，壓縮到了約十微妙，使得采樣速率提高了一個(gè)數(shù)量級，完全滿足巡線無人機(jī)對線路或設(shè)備跟蹤和壁障的飛控要求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的流程圖。

具體實(shí)施方式

以下將對本發(fā)明的優(yōu)先實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述；應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)先實(shí)施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。如圖1所示，本發(fā)明包括如下步驟：

步驟A：設(shè)N個(gè)采樣點(diǎn)1～N，對應(yīng)的采樣時(shí)間記作t₁，t₂，t₃，…，t_N，

步驟B：每個(gè)采樣點(diǎn)采樣5次，對應(yīng)的采樣時(shí)間記作t_i1＝t_i-2Δt，t_i2＝t_i-Δt，t_i3＝t_i，t_i4＝t_i+Δt，t_i5＝t+2Δt，(i＝1,2,3,…N)實(shí)際是將5次采樣的中間時(shí)刻作為本點(diǎn)的采樣時(shí)間

步驟C:去除5次采樣數(shù)據(jù)中的最小值和最大值，將剩余的三個(gè)數(shù)據(jù)取平均值記作Y_i，對應(yīng)于t_i，得到N組采樣數(shù)據(jù)；

步驟D：依據(jù)匹配擬合算法原理進(jìn)行匹配擬合計(jì)算，從而獲得真實(shí)曲線表達(dá)式，提取幅值。

所述的匹配擬合算法具體包括如下步驟：

設(shè)理想信號曲線：

N個(gè)采樣點(diǎn)的值表示為：

理想曲線與每一采樣點(diǎn)的偏差記為：

根據(jù)最小二乘法擬合原理，使得為最小值，也即使對A_m和的一階偏導(dǎo)數(shù)等于零，得到兩個(gè)方程式為：

其中ω、t_i和Y_i是已知量，求解上述方程，即可得到A_m和即得到幅值。

考慮到曲線匹配擬合計(jì)算所花費(fèi)的時(shí)間，加上150次連續(xù)采樣時(shí)間，50HZ正弦信號幅值檢測與采樣共計(jì)耗時(shí)約10微秒，將傳統(tǒng)方法需要耗時(shí)一個(gè)周期約20毫秒，壓縮到了約十微妙，使得采樣速率提高了一個(gè)數(shù)量級。

由被動式陣列磁感應(yīng)天線裝置、陣列掃描與采集控制電路、采樣與姿態(tài)數(shù)據(jù)處理器組成，其中核心部分是陣列掃描與采集控制電路中的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，以及采樣與姿態(tài)數(shù)據(jù)處理器中的采樣數(shù)據(jù)處理算法。

陣列掃描與采集控制電路中采用采樣速率達(dá)MHZ級的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，對被測信號進(jìn)行多點(diǎn)高速采樣，并將采樣信息傳輸給后面的采樣與姿態(tài)數(shù)據(jù)處理器。

采樣與姿態(tài)數(shù)據(jù)處理器按照特別設(shè)計(jì)的快速數(shù)據(jù)處理算法，包括數(shù)字濾波、曲線匹配擬合計(jì)算、幅值提取等，解算出被采樣信號的幅值。數(shù)字濾波和曲線匹配擬合計(jì)算相輔相成，不可或缺，缺少數(shù)字濾波，幅值提取精度沒有保障，缺少曲線匹配擬合計(jì)算，幅值無法提取。

該方法與裝置適合于對已知頻率和波形的信號幅值的快速檢測，如正弦波、三角波、矩形波等，特別適合于低頻信號的快速檢測應(yīng)用。

設(shè)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣速率為10MH_Z，即周期為1/10微秒，針對50H_Z正弦信號連續(xù)進(jìn)行10點(diǎn)采樣(依據(jù)數(shù)字濾波理論，采樣點(diǎn)數(shù)由測量精度決定，取10～15)，每個(gè)點(diǎn)采樣5次(實(shí)際是在該采樣點(diǎn)的周圍采樣，該次數(shù)不能太大)，則耗時(shí)約(10點(diǎn)×5次×1/10)＝5微秒，由于被測信號的頻率(50H_Z)和波形(正弦)為已知，所以，可以利用采樣所得的10組數(shù)據(jù)(對應(yīng)10個(gè)采樣點(diǎn))進(jìn)行曲線匹配擬合計(jì)算，從而得到被測信號的幅值信息?？紤]到曲線匹配擬合計(jì)算所花費(fèi)的時(shí)間，加上150次連續(xù)采樣時(shí)間，50H_Z正弦信號幅值檢測與采樣共計(jì)耗時(shí)約10微秒，將傳統(tǒng)方法需要耗時(shí)一個(gè)周期約20毫秒，壓縮到了約十微妙，使得采樣速率提高了一個(gè)數(shù)量級，完全滿足巡線無人機(jī)對線路或設(shè)備跟蹤和壁障的飛控要求。