引言

電網(wǎng)中的超高次諧波是指頻率在2~150kHz內(nèi)的諧波信號(hào),該信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有諧波測量設(shè)備的監(jiān)測范圍。若要實(shí)現(xiàn)超高次諧波的準(zhǔn)確測量,由NyquiSt采樣定理內(nèi)容可知,傳統(tǒng)測量設(shè)備中的抗混疊濾波器截止頻率和ADC采樣頻率都將大幅提高。高速率采樣將導(dǎo)致海量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生,并引發(fā)數(shù)據(jù)錄波困難、數(shù)據(jù)傳輸效率低下等一系列問題。應(yīng)用壓縮感知原理對(duì)信號(hào)進(jìn)行欠采樣測量是一種前沿技術(shù),而模擬信息轉(zhuǎn)換器(AIC)則是實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)的有效手段。因此,本文設(shè)計(jì)了一種基于AIC的超高次諧波數(shù)據(jù)欠采樣系統(tǒng),該系統(tǒng)同時(shí)具有壓縮采樣和數(shù)據(jù)恢復(fù)功能,能有效減少ADC的采樣頻率和采樣數(shù)量。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為提高系統(tǒng)的可操作性、靈活性和擴(kuò)展性,本文選用基于虛擬儀器思想的設(shè)計(jì)方案,并選擇LabVIEW開發(fā)軟件。

1.1硬件設(shè)計(jì)

硬件主要由AIC和PC機(jī)構(gòu)成,并通過USS實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。其中AIC的具體工作原理、結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)過程如下:

1.1.1AIC的工作原理及其結(jié)構(gòu)

AIC壓縮采集信號(hào)的過程包括調(diào)制、低通濾波和低速采樣三部分[5]。信號(hào)x(t)與偽隨機(jī)序列p(t)調(diào)制后,通過低通濾波器,再經(jīng)低速ADC采樣可得壓縮采樣后的信號(hào)x(n)。

1.1.2AIC的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的AIC由混頻調(diào)理板卡和多功能數(shù)據(jù)采集卡共同組成。其中,混頻調(diào)理板卡由混頻器AD.35(四象限電壓輸出模擬乘法器)和低通濾波器UA842(低通、高通和帶通濾波器的通用有源濾波器)級(jí)聯(lián)而成,可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制和低通濾波,多功能數(shù)據(jù)采集卡選擇N1ELV1SF開發(fā)板(集成了12種儀器功能),可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的生成、低速采樣以及A/D和D/A同步。

1.2軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件在LabVIEW2013平臺(tái)開發(fā),該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)硬件參數(shù)配置、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、信號(hào)生成、處理和顯示等多種功能,其中,數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)生成模塊和信號(hào)處理模塊的具體設(shè)計(jì)過程如下:

項(xiàng)目資助:陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃青年項(xiàng)目(2019J0-511):陜西科技大學(xué)2019年大創(chuàng)項(xiàng)目

1.2.1數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊選擇LabVIEW中DA0mx系列函數(shù)中的讀函數(shù),并選擇N1ELV1SI開發(fā)板上的A10通道。

1.2.2信號(hào)生成模塊

信號(hào)生產(chǎn)模塊選擇LabVIEW中的IAMLASSTcirt節(jié)點(diǎn)和DA0mx系列函數(shù)中的寫函數(shù),并選擇N1ELV1SⅡ開發(fā)板上的Ap0和Ap1通道。其中,IAMLAS節(jié)點(diǎn)可編寫超高次諧波和偽隨機(jī)序列生成程序。

1.2.3信號(hào)處理模塊

信號(hào)處理模塊選擇LabVIEW中的IAMLASSTcirt節(jié)點(diǎn)。其中,在IAMLAS節(jié)點(diǎn)中編寫信號(hào)重構(gòu)程序。

2系統(tǒng)測試

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的基于AIC的超高次諧波數(shù)據(jù)欠采樣系統(tǒng)的可行性和有效性,對(duì)超高次諧波信號(hào)進(jìn)行了壓縮采樣和信號(hào)恢復(fù)實(shí)驗(yàn),具體步驟如下:

首先配置信號(hào)生成模塊和數(shù)據(jù)采集模塊中的相關(guān)參數(shù),主要包括采樣模式、頻率、點(diǎn)數(shù)、觸發(fā)模式及物理通道等。其中,信號(hào)生成模塊的采樣頻率設(shè)置為10kHz,觸發(fā)方式為上升沿有效:數(shù)據(jù)采集模塊的低速采樣頻率僅為2kHz,觸發(fā)方式為下降沿有效。從采樣頻率設(shè)置看,本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采樣頻率僅為信號(hào)頻率的1/5,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)儀器的NyquiSt頻率。

其次運(yùn)行信號(hào)生成模塊程序,并利用NI ELVISII的示波器功能觀察各路輸出信號(hào)。其中,經(jīng)信號(hào)生成模塊輸出的2路信號(hào)經(jīng)混頻濾波調(diào)理板卡后的輸出信號(hào)如圖1所示。

最后運(yùn)行數(shù)據(jù)采集模塊和信號(hào)處理模塊程序,并利用LabVIEW的圖形顯示控件,觀察低速采樣后以及重構(gòu)后的信號(hào),如圖2所示。其中,圖2(a)為低速采樣后的信號(hào),由其采樣頻率可知,該信號(hào)的采集數(shù)量僅為200點(diǎn):圖2(b)為重構(gòu)信號(hào)與原始超高次諧波信號(hào)的對(duì)比情況,由對(duì)比結(jié)果可以看出本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)低速采樣,而且具有準(zhǔn)確恢復(fù)信號(hào)的能力。

3結(jié)語

要解決超高次諧波在現(xiàn)代電網(wǎng)中出現(xiàn)的新問題,對(duì)其進(jìn)行高效監(jiān)測意義重大。本文基于模擬信息轉(zhuǎn)換器這一前沿技術(shù),設(shè)計(jì)了一套超高次諧波數(shù)據(jù)欠采樣系統(tǒng),介紹了系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)以及測試過程,測試結(jié)果表明,本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可行,能夠大幅降低采樣頻率和采樣數(shù)量,并具有信號(hào)恢復(fù)和頻率分析等多種信號(hào)處理功能。