基于AIC的超高次谐波数据欠采样系统设计
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引言
电网中的超高次谐波是指频率在2~150kHz内的谐波信号,该信号远远超过现有谐波测量设备的监测范围。若要实现超高次谐波的准确测量,由NyquiSt采样定理内容可知,传统测量设备中的抗混叠滤波器截止频率和ADC采样频率都将大幅提高。高速率采样将导致海量数据的产生,并引发数据录波困难、数据传输效率低下等一系列问题。应用压缩感知原理对信号进行欠采样测量是一种前沿技术,而模拟信息转换器(AIC)则是实现这一技术的有效手段。因此,本文设计了一种基于AIC的超高次谐波数据欠采样系统,该系统同时具有压缩采样和数据恢复功能,能有效减少ADC的采样频率和采样数量。
1系统设计
为提高系统的可操作性、灵活性和扩展性,本文选用基于虚拟仪器思想的设计方案,并选择LabVIEW开发软件。
1.1硬件设计
硬件主要由AIC和PC机构成,并通过USS实现数据通信。其中AIC的具体工作原理、结构和设计过程如下:
1.1.1AIC的工作原理及其结构
AIC压缩采集信号的过程包括调制、低通滤波和低速采样三部分[5]。信号x(t)与伪随机序列p(t)调制后,通过低通滤波器,再经低速ADC采样可得压缩采样后的信号x(n)。
1.1.2AIC的设计
本文设计的AIC由混频调理板卡和多功能数据采集卡共同组成。其中,混频调理板卡由混频器AD.35(四象限电压输出模拟乘法器)和低通滤波器UA842(低通、高通和带通滤波器的通用有源滤波器)级联而成,可实现信号的调制和低通滤波,多功能数据采集卡选择N1ELV1SF开发板(集成了12种仪器功能),可实现信号的生成、低速采样以及A/D和D/A同步。
1.2软件设计
本系统软件在LabVIEW2013平台开发,该软件能够实现系统硬件参数配置、数据自动采集、信号生成、处理和显示等多种功能,其中,数据采集模块、信号生成模块和信号处理模块的具体设计过程如下:
项目资助:陕西省自然科学基础研究计划青年项目(2019J0-511):陕西科技大学2019年大创项目
1.2.1数据采集模块
数据采集模块选择LabVIEW中DA0mx系列函数中的读函数,并选择N1ELV1SI开发板上的A10通道。
1.2.2信号生成模块
信号生产模块选择LabVIEW中的IAMLASSTcirt节点和DA0mx系列函数中的写函数,并选择N1ELV1SⅡ开发板上的Ap0和Ap1通道。其中,IAMLAS节点可编写超高次谐波和伪随机序列生成程序。
1.2.3信号处理模块
信号处理模块选择LabVIEW中的IAMLASSTcirt节点。其中,在IAMLAS节点中编写信号重构程序。
2系统测试
为了验证本文所设计的基于AIC的超高次谐波数据欠采样系统的可行性和有效性,对超高次谐波信号进行了压缩采样和信号恢复实验,具体步骤如下:
首先配置信号生成模块和数据采集模块中的相关参数,主要包括采样模式、频率、点数、触发模式及物理通道等。其中,信号生成模块的采样频率设置为10kHz,触发方式为上升沿有效:数据采集模块的低速采样频率仅为2kHz,触发方式为下降沿有效。从采样频率设置看,本文所设计的系统采样频率仅为信号频率的1/5,远远低于传统仪器的NyquiSt频率。
其次运行信号生成模块程序,并利用NI ELVISII的示波器功能观察各路输出信号。其中,经信号生成模块输出的2路信号经混频滤波调理板卡后的输出信号如图1所示。
最后运行数据采集模块和信号处理模块程序,并利用LabVIEW的图形显示控件,观察低速采样后以及重构后的信号,如图2所示。其中,图2(a)为低速采样后的信号,由其采样频率可知,该信号的采集数量仅为200点:图2(b)为重构信号与原始超高次谐波信号的对比情况,由对比结果可以看出本文所设计的系统不仅能够实现低速采样,而且具有准确恢复信号的能力。
3结语
要解决超高次谐波在现代电网中出现的新问题,对其进行高效监测意义重大。本文基于模拟信息转换器这一前沿技术,设计了一套超高次谐波数据欠采样系统,介绍了系统的软硬件结构以及测试过程,测试结果表明,本文所设计的系统设计方案可行,能够大幅降低采样频率和采样数量,并具有信号恢复和频率分析等多种信号处理功能。
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