COINV超高精度頻率幅值測量技術

2015-02-01 18:14:46 閱讀次數:5996

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摘要:本技術是一項用于動态信号的精确頻率和幅值測量的技術,突破了一般動态信号分析儀受FFT精度的限制,軟件算法精度可達十進制15~16位精度,軟硬件結合的實際測量系統的頻率精度可達十進制8位精度,處于國際領先水平。

關鍵詞:高精度,頻率測量,幅值測量



一、簡介 

本技術是一項用于動态信号的精确頻率和幅值測量的技術,突破了一般動态信号分析儀受FFT精度的限制,軟件算法精度可達十進制15~16位精度,軟硬件結合的實際測量系統的頻率精度可達十進制8位精度,處于國際領先水平。


二、常規算法存在的問題

一般虛拟儀器都是基于FFT方法進行頻譜分析,若信号采樣頻率為SF,FFT計算點數為N,則頻率分辨率為df=SF/N,其頻率誤差範圍為±0.5df,當實際信号頻率不為頻率分辨率的整數倍時,将産生頻譜洩露,其幅值誤差範圍為 0~36.3%。

為提高幅值精度,常常使用加窗或平滑的方法,但這些方法僅僅能夠一定程度提高幅值精度,同時卻以犧牲頻率精度為代價。

為提高頻率精度,常常使用增加分析點數N或者ZoomFFT等細化方法,這些方法都需要更多的分析點數而難以實時運算,并且不能保證提高幅值精度。

因此使虛拟儀器實時獲得頻率和幅值的高精度,是一項國際性難題。

從具體精度指标上看,一般的VI的頻率、幅值精度也就達到十進制3位、4位或5位,最好的也隻能達到6位精度,而且計算分析十分麻煩、費時。


三、高精度計算的YLS算法

本技術創新的高精度頻率計和幅值計方法,是一種時域計算和頻域計算相結合的特殊方法,基于FFT計算結果再次進行優化和疊代計算,可以對頻譜中的若幹譜峰點的頻率、幅值和初相位進行精确的計算。

在不考慮硬件采集誤差的情況下,僅僅利用1024點的數據進行快速實時計算,即可達到十進制12~14位數字精度,而國外如NI、LMS和B&K等儀器由于使用常規方法,隻能達到6-7位十進制數字精度。可見該方法使精度提高6~7個數量級。

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圖1  YLS法與常規FFT法的比較


四、YLS算法提高硬件系統測量精度

高精度的頻率計和幅值計的YLS算法的計算誤差,和硬件引起的誤差相比,可以完全忽略不計。因此可使硬件的性能指标發揮到極至。

在通過硬件進行實際測量時的精度就完全不受算法精度的影響而主要由硬件的精度決定。本技術對頻率計算采用晶振校準方法,對幅值計算采用網格校準方法,使得普通硬件測量的頻率和幅值精度得到大大的提高。實現流程如下所示。

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對于頻率而言,其精度主要受晶振精度影響,普通晶振隻能達到十進制5~6位的精度,并且随溫度變化而變化,這也是當前國内外同類儀器的精度水平。本項目中首先采用恒溫晶振避免了溫度變化的問題,其次使用高精度算法對晶振頻率誤差進行測量,得到晶振誤差系數後,對實時測量的頻率結果進行校正,使得頻率的硬件測量精度達到十進制8位。

對于幅值而言,數據采集儀的ADC動态範圍和元器件的幅頻特性決定了儀器高精度幅值計的精度,130dB動态範圍24位4階Δ-Σ方式ADC,可達到6位半的數字精度,和Agilent 34401A相當,120dB動态範圍24位Δ-Σ方式的ADC可達到5位半或六位的數字精度。此外由于元器件的幅頻特性使得幅值測量誤差存在非線性的特征。因此本技術針對不同頻率下幅值非線性的校正,采用了獨創的二維表格校正法。可通過不同頻率和幅值設定一個二維表格,在表格的每個交叉點上存入校正系數,任意頻率幅值的非線形校正系數可通過所在矩形四個頂點的校正系數插值得到。隻要表格的網格劃分足夠細,可以達到很高的校正精度,幅值的非線性可以忽略不計。

按照上述方法,結合硬件采集時,采用基于YLS的硬件校準技術,仍可獲得十進制8位精度,已經可以相當于并可替代頻率計和電壓表等硬件設備,目前已經在中國計量院等單位推廣使用。

目前包括國外BK、LMS、NI等公司由于使用常規方法,其頻率和幅值精度隻能達到6~8位數字精度。本技術将計算精度提高3~4個量級,達到國際先進水平。

本技術不僅對東方所生産的采集儀器有效,對其他廠商生産的儀器同樣有效。


五、計量測試結果

在2012年11月25日,由中航工業304研究所、中國計量科學研究院和北京計量檢測科學研究院的六名專家組成的測試組進行的測試報告中表明(以下為測試報告中的摘錄):


1.YLS法高精度頻率測量技術:

軟件算法誤差範圍為1×1E-12~1×1E-14,典型值為4×1E-14;硬件系統測量誤差範圍為1×1E-8, 典型值為6×1E-10。  而常規FFT方法測量誤差範圍為1×1E-4 ~ 4×1E-3。

2.YLS法高精度幅值測量技術:

軟件算法誤差範圍為1×1E-12~1×1E-14,典型值為5×1E-14;硬件系統測量誤差範圍為1×1E-3, 典型值為7×1E-4。而常規FFT方法測量誤差範圍為 8×1E-2  ~  3×1E-1。

3.頻率幅值校準技術用于國外NI采集儀:

頻率誤差由6×1E-7~2×1E-5提高到9×1E-8以内,最大提高1105倍;幅值誤差由3×1E-3提高到2×1E-4以内,最大提高73倍。

4.頻率幅值校準技術用于國内INV采集儀:

頻率誤差由3×1E-7~4×1E-6提高到4×1E-8以内,最大提高99倍;幅值誤差由5×1E-3 提高到7×1E-4以内,最大提高368倍。


六、對比測試結果

1. 軟件算法精度的對比

使用美國NI公司的LabVIEW系統與本技術進行對比,其結果下所示:

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2. 軟硬件系統的測量精度對比

對LMS、BK、HP和本技術應用的COINV的三家儀器進行對比測試,結果如下圖所示:

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