基于LabVIEW的一种解决非整周期采样问题的算法及实现

　　0　引言

　　在信号频率测量过程中,由于事先不知道信号的频率,对信号的采样是非整周期的,从而会导致测量结果不准确[2]。

　　随着计算机技术的迅猛发展,虚拟仪器技术在数据采集、自动测试和测量仪器领域得到了广泛的应用,它可以根据需求高效率地构建起形形色色的测量系统[1-2]。本文通过在LabVIEW中构建软件锁相环,研究了非整周期采样问题,并使用数据采集卡和虚拟仪器技术实现了低频信号频率和电压参数的精确测量。

　　1　原理

　　使用数据采集卡采集时域模拟信号进行分析时,如果在采集前无法确切地知道信号的频率,会导致非整周期采样,造成测量结果不准确。

　　一种解决办法是先估计一下信号的频率,在符合奈奎斯特准则的条件下对信号进行预采样(一般是非整周期采样),根据采到的样本计算出一个频率,再根据这个计算出的频率对信号重新进行采样,直至误差达到一定精度后停止。这种频率跟踪方法能较好地保证采样频率是信号频率的整倍数。

　　频率跟踪法是一种通过反馈使系统达到稳定的方法。图1所示为频率跟踪系统框图,X=x[n]为输入信号, Y=y[n]为频率跟踪计算得出的输出信号。很明显,这是一个离散域内的闭环负反馈系统。负反馈可以实现误差校正机制,降低系统对扰动和系统数学模型误差的敏感性,从而使系统趋于稳定[3]。

　　图1所示系统中,Hf是输出受控系统的系统函数,Hc是一个补偿器,为系统待设计的部分,其输入为跟踪误差,即输入信号x[n]和输出信号y[n]之差,其输出作为受控系统的输入。

　　令H(z)=Hc(z)Hf(z),则

　　同时,因为Y(z)=H(z)E(z),则

　　因此,对于一个跟踪品质良好的反馈系统,应希望E越小越好,这样输出信号Y与输入信号X的误差就越小。即

　　由于X非零,故H越大,E(z)越小。根据式(1),H越大, Y越接近X,跟踪的效果越好。

　　2　硬件锁相环

　　使用硬件进行频率跟踪的方法是使用锁相环组成封闭的自动控制环路,原理如图2所示。被测信号fi与反馈信号f′在鉴相器中比较得到的相位差经过低通滤波器后,所得到的直流电压控制压控振荡器(VCO)产生一个频率为fo的脉冲序列,经过分频器后得到f′。当fi=f′,且它们的相位也相同时,闭环电路达到平衡。这样就利用锁相环实现了整周期采样。

　　3　闭环跟踪算法

　　从硬件锁相环原理出发,下面给出根据迭代算法构建的闭环跟踪算法:1)给定频率初值f0和频率测量精度Δfs;2)设置采样频率为Nf0(N≥2)和样本数;3)对信号采样;4)计算信号频率,得到f1;5)如果|f1-f0|>Δfs,则设置抽样频率为Nf1,重复步骤3)到步骤5);6)如果|f1-f0|≤Δfs,则输出结果,计算结束。