Sıfır geçiş tespit yöntemine dayalı iyileştirme araştırması
Chen Cheng, Dale Han, Ma Yanan
(Otomasyon Okulu, Nanjing Posta ve Telekomünikasyon Üniversitesi, Nanjing, Jiangsu 210023)
Geleneksel sıfır geçiş algılama yöntemi ile karşılaştırılarak, öngörülen fazın ikinci ortalama yöntemine (öngörülen faz entegrasyon yöntemi) dayalı olarak sinyal periyodunun ölçülmesi için bir yöntem tasarlanmıştır.Ana bileşenleri, Miller entegratörü, karşılaştırıcı ve sayacı aracılığıyla, Her periyodik sinyal için, entegrasyonu mümkün olduğu kadar doğru bir şekilde aynı faz noktasından başlatın, standart zaman içerisinde ölçülecek sinyalin darbe sayısını biriktirin ve frekans ölçümünü gerçekleştirin. Bu yöntemin iyi bir girişim yeteneği, basit yapısı, yüksek ölçüm doğruluğu, düşük maliyeti ve iyi mühendislik uygulama değeri vardır.
Sıfır geçiş tespiti; frekans ölçümü; faz entegrasyonu
: TP353: ADOI: 10.19358 / j.issn.1674-7720.2016.20.022
: Chen Cheng, Dale Han, Ma Yanan Sıfır geçiş tespit yöntemine dayalı iyileştirme araştırması J. Mikrobilgisayar ve Uygulama, 2016,35 (20): 7981.
0 Önsöz
Modern elektronik ölçüm teknolojisi [1], temel olarak ölçüm hızının iyileştirilmesini ve ölçüm gürültüsünün azaltılmasını gerçekleştirir. Mikroelektronik teknolojisinin ilerlemesiyle, ölçüm hızı önemli ölçüde artmıştır. Bununla birlikte, gürültü nedeniyle, özellikle zaman-frekans ölçümü alanında ölçümün doğruluğu iyileştirilmemiştir.
Son birkaç on yılda, zaman ölçüm teknolojisi hızla gelişti. Sayma frekansı ve zaman ölçümü prensibinde, çekirdek bileşen karşılaştırıcısı ve zamanlayıcısı aracılığıyla, ölçülecek bilinmeyen sinyalin darbe sayısı, frekans ölçümü elde etmek için bilinen standart bir zamanda toplanır; bilinmeyen zaman aralığında ölçülecektir Bilinen standart zaman darbelerinin sayısını içeride biriktirerek, dönem veya zaman aralığı ölçümü gerçekleştirilir [2-3]. Piyasada bulunan frekans ölçerin standart zaman darbe aralığı 20 pm'ye ulaşabilse de, laboratuvarda uzak ultraviyole ışık teknolojisi ile gerçekleştirilen standart zaman darbe aralığı (1 as = 10-18 sn) seviyesine kadar ulaşabilmekte ancak Sinyalin zaman aralığı veya periyot ölçümünün hatası hala büyüktür, bunun nedeni ölçülen sinyalin bir geçit sinyali olarak şekillendirilmesidir.
1 Sıfır geçiş algılama teknolojisi
Sıfır geçiş tespiti, periyodik sinyallerin frekansını ve periyodunu ölçmek için en yaygın yöntemdir [4-5]. Sıfır geçiş noktası, faz ve frekansı ölçmek için seçilen noktadır. Bir sinyalin frekansı ölçülürken, genellikle referans sinyalin birden çok döngüsünün bir veya daha fazla zaman periyodu ölçülür. Birden fazla zaman diliminin ölçülmesi, faz gürültüsünün neden olduğu hataları azaltmaya yardımcı olur. Faz gürültüsü, sıfır geçiş algılama noktasının toplam ölçüm süresinde küçük bir bozulmaya sahip olmasını sağlar ve nihai sonuç, yavaş bir ölçüm hızı pahasına doğru bir sonuçtur.
Sıfır geçiş algılamanın işlevi, AC sistemindeki ana yonga için bir standart sağlamak olarak anlaşılabilir.Bu standardın başlangıç noktası sıfır voltajdır ve tristörün iletim açısı bu standarda dayanmaktadır. Yani, plastik paket motorun yüksek, orta, düşük ve mikro hızları bir iletim açısına karşılık gelir ve her iletim açısının iletim süresi sıfır voltajdan hesaplanır.İletim süresi farklıdır ve iletim açısı Aynı değil, bu nedenle motorun hızı farklıdır [6]. Devre şeması Şekil 1'de gösterilmiştir.
D5 ve D6'nın gerilimleri, trafonun sekonderindeki A ve B iki noktasından alınır.D5 ve D6 tam dalga düzeltmesinden sonra, atımlı bir DC dalga biçimi oluşur.Direnç bölündükten sonra, C noktasında bir gerilim dalga biçimi oluşturmak için yüksek frekanslı bileşenleri filtrelemek için bir kapasitör tarafından filtrelenir; C noktasındaki voltaj 0,7 V'den büyük olduğunda, transistör Q2 açılır ve transistörün kollektöründe düşük bir seviye oluşur; C noktasındaki voltaj 0,7 V'den düşük olduğunda, transistör kapatılır ve transistörün toplayıcısı, yüksek bir seviye oluşturmak için çekme direnci R4'ten geçer. Bu şekilde, triodun tekrarlanan iletimi ve kesilmesi yoluyla çipin sıfır geçiş saptama çıkış portunda 100 Hz'lik bir darbe dalga formu oluşturulur Çip, yargıdan geçer ve voltajın sıfır noktasını tespit eder.
Giriş frekansı değişikliği çıktıya yansıtıldığında, büyük bir zaman gecikmesi gerçekleştirmek için çok sayıda işleme yöntemi gerekir. Genel tetikleme hatası şu şekilde ifade edilebilir:
Tetik hatası =
X, sayaç giriş kanalı tarafından getirilen gürültü olduğunda (bazı sayaçlarda yüzlerce mikrovolttan azdır, bazı sayaçlarda yüzlerce milivolta ulaşabilir), en, test edilen sinyal kaynağının sayaç bant genişliğinde getirdiği gürültüyü temsil eder. Etkin değer, V / T, tetikleme noktasındaki sinyalin eğimidir.
Ve tüm ders kitapları ve elektronik sayaçlar, tek bir döngünün ölçüm hatasını şu şekilde tanımlar:
± sayma hatası ± tetikleme hatası ± standart frekans hatası
İdeal olarak, ölçülen sinyalin sonsuz eğimli bir tetikleme noktası konumu varsa, ölçülen sinyalin periyot ölçümü çok doğru olacaktır; ancak gerçekte, çoğu sinyalin bunun yerine formül (1) nedeniyle böyle bir tetikleme noktası yoktur. Ölçülen sinyalin, gerçek tetikleme noktası ile ideal tetikleme noktası arasındaki düz bir çizgiden türetildiği varsayılır, bu da daha büyük tetikleme hatasına yol açabilir [7].
2 Geliştirilmiş sıfır geçiş algılama araştırması
Ortalama alma yöntemi uzun süredir ölçüm alanında kullanılmaktadır.Günümüzde en doğru temel elektriksel parametre ölçüm yöntemi, integral yöntemle gerçekleştirilen DC gerilim ölçümüdür ve çok periyotlu ortalama ölçüm tekniği de periyot ölçüm hatasını azaltmak için kullanılmaktadır [8-9]. Periyodu, frekansı veya fazı ölçüyor olsun, hatanın kaynağı aynıdır. Senkronizasyon için bir sinyali ölçerken, hızlı ve doğru ölçüm gereklidir. Bu aynı zamanda, düşük frekanslı faz distorsiyonunun, frekans filtreleme ve ölçüm gecikmesi yoluyla sağlanabileceği anlamına gelir. Bu yazının amacı, birden fazla sıfır geçişinin (iki zaman periyodundan fazla) neden olduğu frekans hatasını azaltmak ve sıfır geçişi ilerleterek veya geciktirerek faz hatasını azaltmaktır [10-12].
Bu sistemin yapı şeması, esas olarak Miller entegratörü, sıfır geçişli karşılaştırıcı, sayaç ve mantık kontrolü, kristal osilatör devresi, ekran devresi vb. İçeren Şekil 2'de gösterilmektedir.
Ölçüm işlemi, entegratörü entegre çıkış voltajını sıfıra döndürmek, hesaplanan entegrasyon başlangıç zamanına göre analog entegrasyon gerçekleştirmek, entegrasyon başlangıç zamanını kaydetmek, entegratör çıkış voltajı tekrar sıfıra döndüğünde entegrasyonu durdurmak ve entegrasyon bitiş zamanını kaydetmektir. Entegrasyon başlangıç zamanı ve entegrasyon bitiş zamanı, elektrik sinyalinin sıfır noktasını hesaplar ve bir dizi elektrik sinyalinin sıfır noktasından elektrik sinyalinin frekansını hesaplar. Belirli adımlar aşağıdaki gibidir:
(1) En az iki döngü negatif (veya pozitif) piki geçtikten sonra sıfır geçiş zaman serileri TZ1, TZ2, TZ3 ... elde edin;
(2) i'inci sıfır geçiş süresini hesaplamak için kullanılan başlangıç entegrasyon noktası süresini TSi belirleyin. Hesaplama formülü TSi = TZ (i-1) + T × C'dir, burada T, sıfır geçiş noktası TZ (i-1) 'e dayanır. , TZ (i-2), TZ (i-3), ... hesaplanan ortalama süre, C (0.5,1);
(3) İlk entegrasyon noktası süresi TSi'den önce, mantık kontrol devresi entegratörün yerleşik anahtarı açmasını sağlamak için bir kontrol sinyali verir, kapasitör kısa devre yapar ve çıkış voltajı sıfıra döner;
(4) İlk entegrasyon noktası süresi TSi'de mantık kontrol devresi, entegratörün yerleşik S2 anahtarını kapatmasını ve bir entegrasyon sürecini başlatmasını sağlamak için bir kontrol sinyali verir;
(5) Entegratör çıkış voltajı tekrar sıfıra döndüğünde, entegrasyon bitiş zamanı TEi'yi kaydedin;
(6) i'inci sıfır geçiş süresini hesaplayın. Entegrasyon başlangıç zamanı TSi ile entegrasyon bitiş zamanı TEi arasında sıfır geçiş noktası vardır. Sıfır geçiş süresi şu şekilde ifade edilir:
(7) Birkaç sıfır geçiş süresi TZ1, TZ2, TZ3, ..., TZi, TZ (i + 1), TZ (i + 2), ... elde etmek için (2) ~ (6) adımlarını tekrarlayın. , TZn, burada i = 1, 2, ..., n, n pozitif tam sayılardır; ölçülen elektrik sinyalinin periyodu: Tpi = TZ (i + 1) -TZ (i) ve ölçülen elektrik sinyalinin frekansı
İlk entegrasyon süresi sinyalin fazına eşdeğerdir Bu yöntemin ana fikri, entegrasyonu mümkün olduğunca doğru olan bir fazda başlatmaktır.
Spesifik entegrasyon süreci Şekil 3 ve Şekil 4'te görülebilir. Şekil 3, geleneksel sıfır geçiş noktası karşılaştırma yöntemini kullanarak iki sıfır geçiş noktası elde ettikten sonra bu makalede açıklanan yöntemi kullanarak üçüncü sıfır geçiş noktasını elde etmenin şematik bir diyagramıdır. Şekil 4, 7. ve 8. sıfır geçiş noktalarının elde edilmesinin şematik bir diyagramıdır.
Bu makaledeki yöntemde iki zamanlı ortalama yöntem kullanılmaktadır. İlk sefer, ölçülen sinyalin ortalamasıdır (entegrasyon). Ölçülen sinyalin entegrasyonu, başlangıç entegrasyon süresi ile bitiş entegrasyon süresi arasındaki ortalama değeri sıfır olan gürültüyü filtreleyebilir; başlangıç entegrasyon süresi ile bitiş entegrasyon süresi arasındaki ortalama değeri sıfır olmayan gürültü, orijinaline eşdeğerdir. Sinyalde üst üste binen DC seviyesi, dönem ölçümünün doğruluğunu etkilemez. İkinci zaman, başlangıç entegrasyon süresinin ve bitiş entegrasyon süresinin ortalamasını almaktır. Tahmin edilen entegrasyon süresi Tsi (faz) ile ideal entegrasyon süresi arasında bir miktar sapma olabileceğinden, entegrasyon ideal entegrasyon süresinden önce veya sonra başlayabilir, ancak negatiften pozitife veya pozitiften herhangi biri için Seviyeden negatif seviyeye sinyal entegre edilmiştir ve çıkış sıfır olduğunda entegrasyon durdurulur İşlem için Şekil 3 ve Şekil 4'e bakın. Entegrasyon süresinin çok erken başlatılmasının entegrasyon süresinin uzamasına neden olacağı ve entegrasyon süresinin çok geç başlatılmasının entegrasyon süresini kısaltacağı görülebilir.Bu nedenle, başlangıç entegrasyon süresinin ve bitiş entegrasyon süresinin ortalamasını alma yöntemi, sıfır geçiş noktasını elde etmek için kullanılır. Erken entegrasyon veya geç entegrasyondan kaynaklanan hata. Bunlar arasında, birinci ortalama, gürültü tepe noktalarının etkisini ortadan kaldırır ve periyot ölçüm hatasını gürültü ortalaması ile ilişkilendirir; ikinci ortalama, burada öngörü hatası olarak adlandırılan erken veya geç entegrasyonun neden olduğu hataların bir kısmını ortadan kaldırır. Tahmin hataları her zaman olacaktır, ancak uygun bir başlangıç entegrasyon süresinin seçilmesi tahmin hatalarını azaltabilir.
Sistemin artılarını ve eksilerini ölçmek için, yukarıdaki sorunlar deneylerle doğrulanır ve gürültü ortamı simüle edilir ve ölçülen analog sinyali açıklamak için 50 MHz'lik bir örnekleme frekansı ile örnekleme verileri kullanılır. Sinyalin temel frekansı 50 Hz ve genliği 100 V; ikinci, üçüncü, beşinci ve yedinci harmonikler eklenir ve genlikleri sırasıyla 31 V, 10 V, 32 V, 25 V ve 10 V olur. Harmoniklerin fazı Rastgele oluşturulur; genliği 10 V olan rastgele gürültü eklenir.
Her periyodik sinyalin ideal aynı faz noktasını elde etmek ve gerçek sistemde entegrasyonu başlatmak zor olduğundan, bu simülasyon sisteminde temel dalganın fazı doğrudan bir dijital simülasyon ortamında elde edilebilir, ancak ilk entegrasyon Nokta seviyesinin mutlak değeri ile entegrasyon noktasının sonu arasındaki büyük fark, ölçüm sonucunun yanlış olmasına neden olacaktır.Bu nedenle, bir sonraki çalışma bu yöntemi doğrulamak için büyük miktarda veri gerektirecektir. Optimize edilmiş veriler kullanıldığında faz entegrasyonunun çıkarıldığı ihtiyatlı bir şekilde tahmin edilmektedir. Yöntemle elde edilen periyodik verilerin doğruluğu, geleneksel elektronik sayaçtan 50-100 kat daha yüksektir.
3 sonuç
Faz entegrasyon yöntemi, geleneksel elektronik sayaçların yüksek doğruluğunu elde edebilir ve dönem ölçümünün doğruluğunu büyük ölçüde artırabilir. Daha büyük veya daha küçük gürültünün sistem ölçüm doğruluğu üzerindeki etkisine ilişkin veriler burada listelenmemiştir. Gürültünün ortalama değeri, sabit faz entegrasyon yönteminin ölçüm sonucunu etkileyecektir.Gürültünün büyüklüğüne bakılmaksızın, optimize edilmiş faz entegrasyon yöntemi ile elde edilen ölçüm sonucu doğruluğu Şekil 5'te gösterildiği gibi, sabit fazlı entegrasyon yönteminin ölçüm doğruluğuna çok yakındır.
Bu yöntemin ölçüm sonucu, gürültünün ortalama değeri ile kabaca orantılıdır, integral yönteminin DC voltaj ölçüm doğruluğu, ortalama değeri sıfır olmayan gürültüden hala etkilenmektedir ve ortalama değeri sıfır olmayan gürültü, orijinal sinyalin orijinal sinyal üzerine bindirilmesine eşdeğerdir. DC seviyesi. Ortalama değeri sıfır olmayan gürültünün ortalama değeri ile belli bir süre içindeki matematiksel beklentisi eşit olmayacağından, ortalama değeri sıfır olmayan gürültü de ölçüm sonucunu etkileyecektir. Şimdiye kadar, sıfır olmayan bir ortalamaya sahip bilinen gürültü esas olarak çok düşük bir frekans bandında dağıtılır ve etkisi neredeyse ihmal edilebilir düzeydedir. DC voltaj ölçümü ile karşılaştırıldığında, bu makalede açıklanan yöntem, ortalama değeri sıfır olmayan gürültüyü bastırmak için hala belirli bir yeteneğe sahiptir, ancak bir sonraki araştırmanın onu daha da iyileştirebileceği umulmaktadır.
Referanslar
[1] Zhang Yongrui, Elektronik Ölçüm Teknolojisinin Temelleri [M] Xi'an: Xidian University Press, 2014.
[2] Jiang Yujie, Chen Chen, Zhou Wei.Yeni bir frekans ölçüm yöntemi üzerine araştırma J. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2004, 25 (1): 30-33.
[3] Ma Xianguo, Jiao Yang.Frekans ölçüm yönteminin iyileştirilmesi J. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2004, 25 (S1): 120-121.
4 Gao Xiaohua, Feng Xian. Düşük gürültülü çok aşamalı amplifikasyon sinyal koşullandırma filtreleme teknolojisi üzerine araştırma J. Mikrobilgisayar ve Uygulama, 2014, 33 (3): 76-78,81.
[5] Zhu Shiming, Liu Zhenqing, Wei Mozhen, vb. Ses ölçümünün doğruluğunu iyileştirmek için "Sıfır geçiş saptama dijital ortalama yöntemi" [J] Akustik Teknolojisi, 1990 (3): 36-40.
[6] Liu Jingzhang, Wang Jinqi, Wang Fengbo, Faz ölçümünde sıfır geçiş algılama teknolojisinin uygulanması J Electronic Elektronik Ölçüm Teknolojisi, 2004 (5): 67-68.
7 Liu Junjun, Liao Xiaosong, Yuan Yanhong Sıfır geçiş tespitinin doğruluğunu iyileştirme yöntemleri üzerine araştırma J. Endüstriyel Kontrol Bilgisayarı, 2009,22 (10): 80-81.
8 AGHAZADEH R, LESANI H, SANAYE PASAND M, ve diğerleri.Güç sistemi sinyallerinin frekans ve genlik tahmini için yeni teknik J .IEE Üretim, İletim ve Dağıtım İşlemleri, 2005, 152 (3): 435-440 .
9 WALL R W. Sıfır geçişi tespit etmek için basit yöntemler C. IEEE'nin Industrial Electronics Society Konferansı, 2003, 3: 2477-2481.
[10] Dale Han. Alternatif akım faz farkının dijital ölçüm yöntemi P. Çin: CN102928666A, 2013-02-13.
[11] Dale Han. Elektrik sinyal frekansının dijital bir ölçüm yöntemi P. Çin: CN104808055A, 2015-07-29.
12 Qi Miao, Guo Jianqiang.Çapraz korelasyon fonksiyonuna dayalı zayıf sinyal detektörü üzerine araştırma J. Mikrobilgisayar ve Uygulama, 2013, 32 (9): 14-17.
AET üyeleri için yıl sonu avantajları!
