COINV超高精度频率幅值测量技术

2015-02-01 18:14:46 阅读次数:4499

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摘要:本技术是一项用于动态信号的精确频率和幅值测量的技术,突破了一般动态信号分析仪受FFT精度的限制,软件算法精度可达十进制15~16位精度,软硬件结合的实际测量系统的频率精度可达十进制8位精度,处于国际领先水平。

关键词:高精度,频率测量,幅值测量



一、简介 

本技术是一项用于动态信号的精确频率和幅值测量的技术,突破了一般动态信号分析仪受FFT精度的限制,软件算法精度可达十进制15~16位精度,软硬件结合的实际测量系统的频率精度可达十进制8位精度,处于国际领先水平。


二、常规算法存在的问题

一般虚拟仪器都是基于FFT方法进行频谱分析,若信号采样频率为SF,FFT计算点数为N,则频率分辨率为df=SF/N,其频率误差范围为±0.5df,当实际信号频率不为频率分辨率的整数倍时,将产生频谱泄露,其幅值误差范围为 0~36.3%。

为提高幅值精度,常常使用加窗或平滑的方法,但这些方法仅仅能够一定程度提高幅值精度,同时却以牺牲频率精度为代价。

为提高频率精度,常常使用增加分析点数N或者ZoomFFT等细化方法,这些方法都需要更多的分析点数而难以实时运算,并且不能保证提高幅值精度。

因此使虚拟仪器实时获得频率和幅值的高精度,是一项国际性难题。

从具体精度指标上看,一般的VI的频率、幅值精度也就达到十进制3位、4位或5位,最好的也只能达到6位精度,而且计算分析十分麻烦、费时。


三、高精度计算的YLS算法

本技术创新的高精度频率计和幅值计方法,是一种时域计算和频域计算相结合的特殊方法,基于FFT计算结果再次进行优化和迭代计算,可以对频谱中的若干谱峰点的频率、幅值和初相位进行精确的计算。

在不考虑硬件采集误差的情况下,仅仅利用1024点的数据进行快速实时计算,即可达到十进制12~14位数字精度,而国外如NI、LMS和B&K等仪器由于使用常规方法,只能达到6-7位十进制数字精度。可见该方法使精度提高6~7个数量级。

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图1  YLS法与常规FFT法的比较


四、YLS算法提高硬件系统测量精度

高精度的频率计和幅值计的YLS算法的计算误差,和硬件引起的误差相比,可以完全忽略不计。因此可使硬件的性能指标发挥到极至。

在通过硬件进行实际测量时的精度就完全不受算法精度的影响而主要由硬件的精度决定。本技术对频率计算采用晶振校准方法,对幅值计算采用网格校准方法,使得普通硬件测量的频率和幅值精度得到大大的提高。实现流程如下所示。

FreqMeter-2.JPG


对于频率而言,其精度主要受晶振精度影响,普通晶振只能达到十进制5~6位的精度,并且随温度变化而变化,这也是当前国内外同类仪器的精度水平。本项目中首先采用恒温晶振避免了温度变化的问题,其次使用高精度算法对晶振频率误差进行测量,得到晶振误差系数后,对实时测量的频率结果进行校正,使得频率的硬件测量精度达到十进制8位。

对于幅值而言,数据采集仪的ADC动态范围和元器件的幅频特性决定了仪器高精度幅值计的精度,130dB动态范围24位4阶Δ-Σ方式ADC,可达到6位半的数字精度,和Agilent 34401A相当,120dB动态范围24位Δ-Σ方式的ADC可达到5位半或六位的数字精度。此外由于元器件的幅频特性使得幅值测量误差存在非线性的特征。因此本技术针对不同频率下幅值非线性的校正,采用了独创的二维表格校正法。可通过不同频率和幅值设定一个二维表格,在表格的每个交叉点上存入校正系数,任意频率幅值的非线形校正系数可通过所在矩形四个顶点的校正系数插值得到。只要表格的网格划分足够细,可以达到很高的校正精度,幅值的非线性可以忽略不计。

按照上述方法,结合硬件采集时,采用基于YLS的硬件校准技术,仍可获得十进制8位精度,已经可以相当于并可替代频率计和电压表等硬件设备,目前已经在中国计量院等单位推广使用。

目前包括国外BK、LMS、NI等公司由于使用常规方法,其频率和幅值精度只能达到6~8位数字精度。本技术将计算精度提高3~4个量级,达到国际先进水平。

本技术不仅对东方所生产的采集仪器有效,对其他厂商生产的仪器同样有效。


五、计量测试结果

在2012年11月25日,由中航工业304研究所、中国计量科学研究院和北京计量检测科学研究院的六名专家组成的测试组进行的测试报告中表明(以下为测试报告中的摘录):


1.YLS法高精度频率测量技术:

软件算法误差范围为1×1E-12~1×1E-14,典型值为4×1E-14;硬件系统测量误差范围为1×1E-8, 典型值为6×1E-10。  而常规FFT方法测量误差范围为1×1E-4 ~ 4×1E-3。

2.YLS法高精度幅值测量技术:

软件算法误差范围为1×1E-12~1×1E-14,典型值为5×1E-14;硬件系统测量误差范围为1×1E-3, 典型值为7×1E-4。而常规FFT方法测量误差范围为 8×1E-2  ~  3×1E-1。

3.频率幅值校准技术用于国外NI采集仪:

频率误差由6×1E-7~2×1E-5提高到9×1E-8以内,最大提高1105倍;幅值误差由3×1E-3提高到2×1E-4以内,最大提高73倍。

4.频率幅值校准技术用于国内INV采集仪:

频率误差由3×1E-7~4×1E-6提高到4×1E-8以内,最大提高99倍;幅值误差由5×1E-3 提高到7×1E-4以内,最大提高368倍。


六、对比测试结果

1. 软件算法精度的对比

使用美国NI公司的LabVIEW系统与本技术进行对比,其结果下所示:

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2. 软硬件系统的测量精度对比

对LMS、BK、HP和本技术应用的COINV的三家仪器进行对比测试,结果如下图所示:

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