Visão técnica

Para resolver o problema da baixa precisão do cálculo em tempo real de frequências e amplitudes de sinais dinâmicos,O Oriente propôsCálculo de amplitude de frequência de alta precisão YLSParteLeiEsta tecnologia é usada para medição precisa de frequência e amplitude de sinais dinâmicos, que ultrapassa o analisador de sinais dinâmicos gerais.Limitação de precisão FFTProblemasPrecisão do algoritmo de software até 15 decimais~Precisão de 16 bits, precisão de frequência do sistema de medição real combinado com software e hardware até precisão de 8 bits decimais，Este métodoMais do que os algoritmos tradicionaisAumento da precisãoÉ.6~7 níveis de quantidade.

Os fatores que afetam a precisão dos testes de frequência são principalmente dois: a fonte de relógio de hardware e os algoritmos de software. Este artigo discute apenas o impacto dos algoritmos de software na precisão da frequência.

Pontos dolorosos da indústria: problemas com o cálculo de frequência tradicional

Instrumentos virtuais gerais, formas de onda no domínio do tempo após o ADC, geralmente usadosFFTAnálise espectral para obter resultados de frequência, amplitude, etc. Se a frequência de amostragem do sinal é SF, o ponto de cálculo do FFT é N, a resolução de frequência é df = SF / N, a faixa de erro de frequência é ± 0,5 df, quando a frequência real do sinal não é um número inteiro da resolução de frequência, a fuga de espectro será gerada, a faixa de erro de amplitude é0~36.3%- É.

Para melhorar a precisão da amplitude, métodos adicionais ou lisos são frequentemente usados, mas esses métodos podem melhorar a precisão da amplitude apenas em certa medida, ao expenso da precisão da frequência.

Para melhorar a precisão da frequência, é frequentemente usado o aumento do ponto de análise N ouZoom FFTOs métodos de refinamento, como esses, exigem mais pontos de análise e dificultam a realização de cálculos em tempo real e não garantem uma maior precisão de amplitude. Portanto, permitir que os instrumentos virtuais obtenham frequências e amplitudes de alta precisão em tempo real é um desafio internacional.

Do ponto de vista dos indicadores de precisão específicos, a frequência e a precisão da amplitude dos instrumentos virtuais gerais também atingem 3 a 5 bits decimais.Apenas seis bits de precisão são alcançados e a análise computacional é complexa e demorada.

Solução: apresentadoAlgoritmo de cálculo de amplitude de frequência de alta precisão YLS

Algoritmo de cálculo de amplitude de frequência de alta precisão YLSFoi proposto pelo Oriente.O método de frequência e amplitude de alta precisão é um método especial que combina cálculo de domínio temporal e cálculo de domínio de frequência, com base em cálculos de FFT novamente otimizados e iterativos, permitindo cálculos precisos de frequência, amplitude e fase inicial de vários picos espectrais no espectroO processo do algoritmo é mostrado1mostrado- É.

Figura 1 Parâmetros básicos do sinal dinâmicoYLSAlgoritmos precisosfluxograma

Com apenas 1024 pontos de dados para cálculos rápidos em tempo real, sem levar em conta os erros de aquisição de hardware-14 precisão，Utilização de instrumentos estrangeirosdoOs métodos convencionais só podem chegar a 6~Precisão de números decimais de 7 bits，O método melhora a precisão 6~7 níveis de quantidade.Gráfico2Para usar o sinal sinusoidal gerado pelo gerador de sinal virtual Oriental, a frequência do sinal é definida para 1 para verificar a precisão do algoritmo YLS23.456789012345 Hz,Defina o intervalo para 123.456789012345 mV， Figura 3 para uso no OrienteYLS Ampliação de frequência de alta precisãoAlgoritmo de reconhecimento em tempo real da frequência e amplitude, em comparação com a Figura 2 e Figura 3 é conhecido,YLS Ampliação de frequência de alta precisãoPrecisão de frequência e amplitude do algoritmo até 12O lugar.

Figura 2 Frequência e amplitude do sinal gerado pela fonte analógica

Figura 3 YLSFrequência e amplitude exibidas pelo software de cálculo de amplitude de alta precisão

Como a precisão do algoritmo YLS é muito maior do que a precisão da medição do sistema de hardware, os erros de frequência e de amplitude inerentes ao sistema de hardware podem ser medidos com precisão com antecedência por meio de fontes de sinal padrão e algoritmos YLS e, em seguida, os resultados de frequência e amplitude podem ser corrigidos on-line durante o processo de medição em tempo real. Seu processo de implementação é mostrado4Como mostrado, este método permite ao instrumento medir a frequência com precisão de 10% sem usar referências de relógio externo.-5ou 10-6Aumenta o nível para 10-8Aumentar 2.-3um nível de quantidade.

Gráfico4 Processo de calibração de amplitude de frequência de hardware baseado em algoritmos YLS

III. Efeitos experimentais

3.1Resultados da avaliação de especialistas

Em 25 de novembro de 2012, a indústria304O relatório de teste realizado por um grupo de seis especialistas do Instituto, do Instituto de Ciências Metrológicas da China e do Instituto de Ciências de Pesquisa de Detecção Metrológica de Pequim mostrou (abaixo estão excertos do relatório de teste):

1.YLSTecnologia de medição de frequência de alta precisão:

O intervalo de erro do algoritmo de software é1×10-12~1×10-14O valor típico é4×10-14O intervalo de erro de medição do sistema de hardware é1×10-8,O valor típico é6×10-10E o comumFFTO erro de medição do método é1×10-4 ~ 4×10-3- É.

2.YLSTecnologia de medição de amplitude de alta precisão:

O intervalo de erro do algoritmo de software é1×10-12~1×10-14O valor típico é5×10-14O intervalo de erro de medição do sistema de hardware é1×10-3,O valor típico é7×10-4e regular.FFTO erro de medição do método é 8×10-2 ~ 3×10-1- É.

Tecnologia de calibração de amplitude de frequência para um coletor no estrangeiro:

Erro de frequência6×10-7 ~2×10-5Aumentar para9×10-8Dentro, o aumento máximo1105vezes; Valor de erro de3×10-3Aumentar para2×10-4Dentro, o aumento máximo73Duas vezes.

Tecnologia de calibração de amplitude de frequência para uso domésticoINVColetor:

Erro de frequência3×10-7~4×10-6Aumentar para4×10-8Dentro, o aumento máximo99vezes; Valor de erro de5×10-3 Aumentar para7×10-4Dentro, o aumento máximo368Duas vezes.

3.2 Comparação de precisão de algoritmos de software de frequência e amplitude

Usar um estrangeiroO instrumento é comparado com o algoritmo de precisão do Oriente, e os resultados são mostrados na imagem5e gráficos6Como mostrado, as coordenadas transversais em dois gráficos são a frequência de amostragem do sinal, as coordenadas longitudinais são a precisão da medição, o significado da expressão dos dois gráficos é o uso de diferentes frequências de amostragem para analisar um determinado valor de amplitude e frequência de sinal, o ponto de análise é 1.024Pontos. Como pode ser visto nas Figuras 5 e 6, a precisão do algoritmo de alta precisão e amplitude proposto pelo Oriente varia muito pouco com a frequência de amostragem, enquanto a precisão da frequência e amplitude do fabricante de comparação diminui rapidamente com a melhoria da frequência de amostragem, porque o ponto de amostragem permanece inalterado, o ciclo de captação do sinal após a melhoria da frequência de amostragem diminui, levando à redução da precisão do algoritmo baseado em FFT tradicional, enquanto o algoritmo de alta precisão do Oriente é muito pouco afetado.

Gráfico5 Algoritmos orientais e comparação de precisão de algoritmos de frequência de fabricantes estrangeiros

Gráfico6 Precisão do algoritmo oriental e do algoritmo de valor de margem de fabricantes estrangeiros

3.3 Comparação de precisão de medição de sistemas de software e hardware

Sistemas Orientais e Internacionais para a Aplicação de Tecnologias de Ampliação de Frequência de Alta PrecisãoOs três instrumentos foram testados em comparação, e os resultados7Como mostrado, as coordenadas transversais da Figura 7 são a frequência do sinal e as coordenadas longitudinais são a precisão da medição. O significado expresso na Figura 7 é a análise de frequência e amplitude usando uma frequência de amostragem fixa e sinais de diferentes frequências de pontos de análise. Com a mudança da frequência do sinal, a precisão da análise do algoritmo de alta precisão do Oriente permanece basicamente inalterada, enquanto a precisão dos outros três sistemas no exterior tem um impacto relativamente grande na frequência do sinal, a razão fundamental é que a frequência de amostragem e o ponto de análise permanecem inalterados, quanto menor a frequência do sinal, menor o número de ciclos de sinal coletados, a precisão baseada no algoritmo FFT é menor, e o algoritmo de alta precisão do Oriente não é afetado.

Gráfico7Sistema Oriental e InternacionalGráfico de comparação de precisão de medição de frequência do fabricante

Casos de aplicação

A ponte de Hong Kong-Zhou-Macau é uma ponte transmarítima longa, classificada pela mídia estrangeira como "uma das sete maravilhas do mundo moderno". Representa a capacidade avançada de construção de pontes do nosso paísNívelPonte Hong Kong Zhou Macau comprimento completo55 quilômetros, sim.Pontes, ilhas artificiais duplas e túneis como uma única passagem transmarítima.

Meio ambiente de construção da ponteMuitoMau.MuitosTecnologias de engenharia críticasFalta de experiênciaPor exemplo, a tecnologia de túnel de depósito, com um comprimento total de cerca de 55 quilômetros, a ponte de Hong Kong e Macau tem quase 30 quilômetros localizados no fundo do mar.giganteGrande,Tem de ser resolvido muito.Dificuldades técnicas. A Europa tem centenas de anos de tecnologia de túneis submersos, mas a tecnologia básica está nas mãos de poucos países, como a Holanda e a Alemanha.PaísÉ tecnologia.doCustos elevados de consultoria técnicaFinalmente.nósSó podes andar sozinho.O caminho da inovação- É.

emA parte mais importante da engenharia——maisÚltima seçãoInstalaçãoDurante o processo, através de sensores de alta precisão eYLS Ampliação de frequência de alta precisãoAlgoritmos para realizar testes de precisão subaquáticos de sedimentos, enquanto os sistemas de controle de precisão subaquáticos foram oferecidos por terceiros10~15Milhões de yuans. O objetivo de desvio de design para a instalação de sedimentos é10 centímetrosE, finalmente, um desvio0,8 milímetrosdesvio do outro lado.2,6 milímetrosa instalação precisa, concluir com sucesso a tarefa de instalação do sedimento, o software Oriental noPonte de Hong Kong afundadaA imagem no monitoramento da postura de acoplamento é mostrada na Figura 8- É.

Gráfico8 Quebra da pontePainel de software de monitoramento de postura de acoplamento Oriental