第9期 黄纯等：交流采样同步方法的分析与改进 西 简单，应用范围不受限制，给计算机增加的工作量 目前交流采样方式主要有硬件同步采样、软件 非常小，且同步精度也可满足高精度或较高精度测 同步采样和异步采样三种。 量的要求。 硬件同步由硬件同步电路向CPU提中断实现 2交流采样及同步 同步。硬件同步电路有多种形式，常见的如锁相环 同步电路等。 交流电气信号的采样可分为直流采样和交流 软件同步由定时器中断实现，它首先测量电网 采样两种方式。 周期T,然后根据周期T和每周期内的采样点数N 直流采样是采集经过变送器整流后的直流量， 确定定时器的定时值T/N。软件同步不需要专用的 软件设计简单，计算简便，对采样值只需作一次比 同步电路，与硬件同步相比其硬件结构简单，但它 例变换即可得到被测量的数值，采样速率要求不高。 要求微机采样装置中具备电网频率跟踪测量环节。 在微机应用的初期，此方法得到广泛的应用。然而， 异步采样又被称为定时采样或定频采样，它通 直流采样一般只能反映被测量的单一信息（如有效 过给定时器设置一固定的定时值，由定时器中断服 值)：时间常数大，不能及时反映被测量的突变：成 务程序实现采样，它不需要任何附加硬件电路。 本较高。 交流采样是对被测信号的瞬时值进行采样，然 3硬件同步误差及其抑制 后对采样值进行分析计算获取被测量的信息。交流 无论是硬件同步还是软件同步，都是在中断服 采样的采样速率要求高，程序计算量相对较大，但 务程序中实现采样，只不过硬件同步由硬件同步环 它的采样值中所含信息量大，可通过不同的算法获 节提中断，软件同步由定时器提中断。目前，硬件 取所关心的多种信息（如有效值、相位、谐波分量 同步电路一般都能较精确地发出同步采样脉冲信 等等)，实时性好，价格较低，成为目前主要使用的 号，从而能较准确地实现采样周期与电网周期的同 采样方式。 步，即基本保证同步条件式(1)成立，△T≈0。但由 对周期为T的被测电气信号在，41,2，？，，、， 于CPU对中断的响应时间有一定的随机性和分散 w-1,w,?时刻进行交流采样，不失一般性，令 性，条件式(2)往往得不到完全满足，采样时间间隔 6=0,如果有 往往不是完全一致的。在硬件同步采样系统中，中 △T=tw-T=0 (1) 断响应时间分散性引起的同步误差成为影响同步精 △1=1-t=Ts(i=0,1,2,,N-1,N,)(2) 度的主要因素。 同时成立，则称采样为理想同步采样，式中 CPU的中断响应时间与中断请求信号发出时 T,为采样周期。可见，理想同步须满足两个条件。 刻CPU是否在执行其它中断服务程序，正在执行的 首先，信号周期和采样周期存在整数倍的关系：其 当前指令是否允许CPU立即响应中断，当前执行指 次，采样点间的时间间隔应严格保持一致。这时第1 令的指令周期长短，及当前指令已经执行到哪一个 采样点的采样时刻 机器周期等因素有关。要提高硬件同步的精度，首 NG=0,12t,N-1,N,s) 先应保证硬件同步环节提中断时CPU不在执行其 (3) 它中断服务程序，并且采样期间其它中断源提出的 然而同步总是相对的，绝对同步只是理想的情 中断不予响应。在这一前提下，再经过合理安排， 况。在实际同步采样中，要严格满足式(3)是很困难 微机中断响应的最长时间和最短时间的差 的。为便于讨论，定义第i采样点的同步误差为 值通常可限制在十几个微秒内，△1，的值大多数情 4,=(-1.T N (i=0,1,2,,N-1,N,s) 况下只会有几个微秒。因为△T≈0，从而△，≈△1，。 因此，对于硬件同步，只要处理得当，由中 来表示第i采样点的实际采样时刻与其理想同步 断响应时间分散性引起同步误差△，可减小到只有 采样时刻1，之间的偏差。 几个微秒，可以满足较高精度测量和数据采集的需 周期电气信号测量的数值算法大多基于采样 值是由同步采样获得这一前提。由于工程实际中的 要。 采样存在同步误差，这使测量的准确性受到影响。 要进一步提高同步精度，可采用这样的改进方 减小同步误差是提高测量精度的关键。 法，即硬件同步环节的同步信号在向CPU提中断的 C1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net第 9 期 黄 纯等： 交流采样同步方法的分析与改进 39 简单，应用范围不受限制，给计算机增加的工作量 非常小，且同步精度也可满足高精度或较高精度测 量的要求。 2 交流采样及同步 交流电气信号的采样可分为直流采样和交流 采样两种方式。 直流采样是采集经过变送器整流后的直流量， 软件设计简单，计算简便，对采样值只需作一次比 例变换即可得到被测量的数值，采样速率要求不高。 在微机应用的初期，此方法得到广泛的应用。然而， 直流采样一般只能反映被测量的单一信息（如有效 值）；时间常数大，不能及时反映被测量的突变；成 本较高。 交流采样是对被测信号的瞬时值进行采样，然 后对采样值进行分析计算获取被测量的信息。交流 采样的采样速率要求高，程序计算量相对较大，但 它的采样值中所含信息量大，可通过不同的算法获 取所关心的多种信息（如有效值、相位、谐波分量 等等），实时性好，价格较低，成为目前主要使用的 采样方式。 对周期为T 的被测电气信号在 , , , , , , t0 t1 t2 L t i L tN-1 ,tN ,L 时刻进行交流采样，不失一般性，令 t0 = 0，如果有 DT = tN -T = 0 (1) i i i Ts Dt = t +1 - t = ( i = 0,1,2,L ,N -1,N,L ) (2) 同时成立，则称采样为理想同步采样，式中 Ts 为采样周期。可见，理想同步须满足两个条件。 首先，信号周期和采样周期存在整数倍的关系；其 次，采样点间的时间间隔应严格保持一致。这时第i 采样点的采样时刻 (i 0,1,2,L ,N 1,N,K ) N T t i i = × = - (3) 然而同步总是相对的，绝对同步只是理想的情 况。在实际同步采样中，要严格满足式(3)是很困难 的。为便于讨论，定义第i 采样点的同步误差为 (i 0,1,2,L , N 1, N ,K ) N T t i D i = i ¢ - × = - 来表示第i 采样点的实际采样时刻 i t¢ 与其理想同步 采样时刻 i t 之间的偏差。 周期电气信号测量的数值算法大多基于采样 值是由同步采样获得这一前提。由于工程实际中的 采样存在同步误差，这使测量的准确性受到影响。 减小同步误差是提高测量精度的关键。 目前交流采样方式主要有硬件同步采样、软件 同步采样和异步采样三种。 硬件同步由硬件同步电路向 CPU 提中断实现 同步。硬件同步电路有多种形式，常见的如锁相环 同步电路等。 软件同步由定时器中断实现，它首先测量电网 周期T ，然后根据周期T 和每周期内的采样点数N 确定定时器的定时值T / N 。软件同步不需要专用的 同步电路，与硬件同步相比其硬件结构简单，但它 要求微机采样装置中具备电网频率跟踪测量环节。 异步采样又被称为定时采样或定频采样，它通 过给定时器设置一固定的定时值，由定时器中断服 务程序实现采样，它不需要任何附加硬件电路。 3 硬件同步误差及其抑制 无论是硬件同步还是软件同步，都是在中断服 务程序中实现采样，只不过硬件同步由硬件同步环 节提中断，软件同步由定时器提中断。目前，硬件 同步电路一般都能较精确地发出同步采样脉冲信 号，从而能较准确地实现采样周期与电网周期的同 步，即基本保证同步条件式(1)成立，DT » 0 。但由 于 CPU 对中断的响应时间有一定的随机性和分散 性，条件式(2)往往得不到完全满足，采样时间间隔 往往不是完全一致的。在硬件同步采样系统中，中 断响应时间分散性引起的同步误差成为影响同步精 度的主要因素。 CPU 的中断响应时间与中断请求信号发出时 刻 CPU是否在执行其它中断服务程序，正在执行的 当前指令是否允许CPU立即响应中断，当前执行指 令的指令周期长短，及当前指令已经执行到哪一个 机器周期等因素有关。要提高硬件同步的精度，首 先应保证硬件同步环节提中断时 CPU 不在执行其 它中断服务程序，并且采样期间其它中断源提出的 中断不予响应。在这一前提下，再经过合理安排， 微机中断响应的最长时间和最短时间的差 值通常可限制在十几个微秒内， i Dt 的值大多数情 况下只会有几个微秒。因为DT » 0 ，从而 i i D » Dt 。 因此，对于硬件同步，只要处理得当，由中 断响应时间分散性引起同步误差Di 可减小到只有 几个微秒，可以满足较高精度测量和数据采集的需 要。 要进一步提高同步精度，可采用这样的改进方 法，即硬件同步环节的同步信号在向 CPU 提中断的