同步采樣

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發(fā)布時(shí)間：2013/9/21 13:17:19
作者：量值溯源

一、概述

　　同步采樣（synchronizing sample）在《DLZ 1194-2012　電能質(zhì)量術(shù)語(yǔ)》中定義如下：

　　為保證在被測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期T內(nèi)等間隔采樣N點(diǎn)，采樣器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)脈沖頻率必須跟蹤系統(tǒng)頻率變化的方法。

　　同步采樣是指采樣頻率跟信號(hào)基波頻率的變化而變化，使采樣頻率fs與基波頻率f1的比值N=fs/f1為一固定的整數(shù)。因此，同步采樣也稱跟蹤采樣，即為了使采樣頻率fs始終與系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的頻率f1保持固定的比例關(guān)系N=fs/f1，必須使采樣頻率隨系統(tǒng)運(yùn)行的頻率的變化而實(shí)時(shí)地調(diào)整。這種同步采樣方式實(shí)施的技術(shù)保障可利用硬件測(cè)頻設(shè)備或軟件計(jì)算頻率的方法來(lái)配合實(shí)現(xiàn)。同步測(cè)量與同步采樣兩個(gè)概念，經(jīng)常被混淆。

　　同步測(cè)量與多參量測(cè)量有關(guān)，而同步采樣與交流周期信號(hào)采樣有關(guān)。

　　同步測(cè)量是指多個(gè)參量在同一時(shí)刻進(jìn)行采樣；在功率測(cè)量中，參與功率計(jì)算的電壓和電流信號(hào)需要嚴(yán)格同步，進(jìn)行某些動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí)，輸入功率與輸出功率需要較準(zhǔn)確的同步。

二、同步采樣原理

　　根據(jù)奈奎斯特采樣定律，當(dāng)采樣頻率fs.max大于信號(hào)中最高頻率fmax的2倍時(shí)(fs.max>=2fmax)，采樣之后的數(shù)字信號(hào)完整地保留了原始信號(hào)中的信息，這樣才能還原信號(hào)的真實(shí)狀況，達(dá)到測(cè)量準(zhǔn)確的目的，任何數(shù)字采樣的測(cè)量?jī)x器都必須遵循采樣定律。

　　對(duì)于同步采樣，主要有下述三點(diǎn)要求：

　　1、為了對(duì)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的傅里葉變換，要求一個(gè)信號(hào)周期包含整數(shù)個(gè)采樣周期。

　　2、對(duì)于采用FFT（快速傅里葉變換）的分析儀而言，還要求一個(gè)信號(hào)周期包含2的N次冪個(gè)采樣周期。

　　對(duì)于第一點(diǎn)要求，當(dāng)采樣周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于信號(hào)周期，也就是采樣頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號(hào)頻率時(shí)，整數(shù)倍的影響可以忽略。

　　對(duì)于第二點(diǎn)要求，若采用FFT變換，為了保持2的N次冪倍，采樣頻率必須根據(jù)基波頻率進(jìn)行變化，在采樣前應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確的知道基波頻率。這一點(diǎn)，實(shí)際上是不可能的，因此，采用FFT變換的分析儀，實(shí)際上是將上一個(gè)信號(hào)周期應(yīng)該采取的采樣頻率應(yīng)用于下一個(gè)信號(hào)周期。

三、AnyWay變頻功率分析儀的采樣控制原理

　　考慮到客觀世界不存在嚴(yán)格的周期信號(hào)，也就是說(shuō)，兩個(gè)相鄰周期，總是存在一定的差異。而同步采樣將已經(jīng)發(fā)生的信號(hào)的周期作為尚未發(fā)生信號(hào)的周期，會(huì)在一定程度上影響傅里葉變換的準(zhǔn)確度，并且，信號(hào)越不穩(wěn)定，這種影響也越大。

　　為了解決同步采樣的這一局限，湖南銀河電氣有限公司研制的AnyWay系列變頻電量測(cè)量?jī)x器，采取了更為簡(jiǎn)單的采樣控制方式——定頻采樣，也稱異步采樣。由于定頻采樣的采樣頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號(hào)頻率，也無(wú)需受fs/f1必須為整數(shù)的限制。由于定頻采樣不能保證fs/f1為2的N次冪，因此付出的代價(jià)是必須放棄高效快速的FFT算法，而采用速度較慢的DFT算法。

　　采樣頻率越高，基波頻率越低，參與DFT的點(diǎn)數(shù)越多，要求高速緩存的數(shù)據(jù)量越大，DFT的運(yùn)算量也越大。

　　為此，WP4000變頻功率分析儀采用高性能的雙核嵌入式CPU模塊（酷睿2，2G主頻），強(qiáng)大的運(yùn)算能力可實(shí)現(xiàn)0.1Hz甚低頻，250kHz高采樣率下的超大數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)DFT變換。

　　AnyWay系列變頻電量測(cè)量?jī)x器代表——WP4000變頻功率分析儀：

WP4000變頻功率分析儀