【2017年整理】数字峰检原理.doc

数值峰值测量 数字峰值测量的基本思路是将信号的瞬时幅值经A/D采样送入处理器，在信号周期内对输入信号的采样值进行大小比较，从而得出信号的峰值或峰峰值。这里以FPGA实现峰值测量为例说明实现过程。 在FPGA内部设置两个寄存器，分别存储目前为止测量到的最大值（REGM）和最小值（REGL）。下一个信号被采集进来以后，分别与这两个寄存器的数据比较，若大于原来的最大值，就用这个值替代REGM中的数据；如果小于最小值，就用这个值代替REGL中的数据； 否则，等待下一采样值的来临。每个信号周期结束以后，REGM和REGL的差值就是峰峰值。 数字测量的精度和采样的A/D有很大的关系，随着A/D的选用不同，精度可以做的很高。另外稳定性也要比模拟峰值检波高，避免了模拟期间不稳定或者漂移等因素的影响，减小了峰值检测的误差。 采用A/D采样的方法采集峰值，对于采样点数的要求也比较高。通常情况下，保持波形失真度小，要求波形至少由64个点组成（当然这个也要根据实际需要，若不需要精度很高可以适当减少点数）。也就是说对于20M采样率的A/D，能处理的频率最多也只能达到312.5KHz，因此限制了数字测量方法的测量频率范围。 下面介绍的一种数字峰值测量方法，是依据等效采样的原理，能利用较低采样率的A/D采样频率甚至比A/D采样率高很多的信号的峰值。 基于等效采样的数字峰检 本峰值检波电路基于信号频域频谱搬移理论，采用两个特殊频率（双频）对信号先后完成采样，互补采样中的“盲区”，通过采样的最大值提取得到周期信号的峰值。这种方法可以兼顾高低频，全幅度段达到良好的线性。可以做到0.1Hz~100MHz频率段，同时，此检峰原理很有研究价值，变换灵活，在具体设计电路时考虑实际频率段的需求来做设计，可以将此电路的性能应用的灵活自如。 频谱搬移理论分析 Fs为信号抽样频率，Fx为被抽样信号的频率，N为采样点数。对于任意周期信号要采完一个周期才能确定其峰值。分析当Fs=10KHz时，对于1Hz的任意周期信号要采完一个周期才能确定其峰值，那就是要采样10000个点，即N=10000。对全频带内信号分析：进采样以后的信号频谱也是成周期性的，即以Fs频谱搬移。对于[0,Fs]内的频谱就可以包含信号的全部信息，即对于[0,Fs]区间来说有且仅有一根信号有效频率成分对应的谱。所以，当我们可以采样[0,Fs]信号的全部峰值时，就可以断定全频带的信号都可以采到峰值。 很明显，Fs为10KHz时，0~1Hz的信号是没有采全一个周期的，就没发判断任意周期信号的峰值了，我们将这段区间定义为盲区。 所以，搬移到整个频域，每个频段内都存在一部分信号采样的盲区，在盲区里，系统无法判断是否采到了信号的最大值。 （0~Fs）频谱盲区分析 Fs=10KHz进行信号抽样时，频谱上信号的盲点在-1Hz~+1Hz，同样，搬移后，盲点也会搬移。根据采样定理分析，信号频谱关于nFs对称（n=…-3,-2,-1,0,1,2,3….），基于这个对称关系得知，信号频谱在nFs左右的（-1Hz~+1Hz）都是采样信号盲区。同时，根据信号频谱分布理论，信号也关于Fs/2对称（证明略），所以可以得出，信号频谱关于nFs/2的整数被对称。 （0~Fs/2）频谱盲区分析 基于信号关于nFs/2也对称，分析信号频谱在（0~Fs/2）内的盲点。明显可以判读当Fs=10KHz，Fx=5 KHz时候是采不到信号幅值的。因为信号在5KHz左右也有盲区。与采样Fx=10KHz的信号不一样，它的盲区在5KHz旁边的(-0.5Hz~+0.5Hz)。比较两种采样，如果用等效采样看待这个问题是很好理解的。如下图所示：第一个波形就是实时采样采信号的示意图，第二个图是等效采样的示意图，通过步进t的采样重组波形。 Fx=10KHz时，采样盲点为（-1Hz~+1Hz），将其重组波形，等效于采（-1Hz~+1Hz）的周期信号，所以采不到信号的一个周期值，及盲区为（-1Hz~+1Hz）。而对于Fx=5KHz的信号同样用10KHz的抽样率采值，在波形重组时可以看出在5KHz左右的（-0.5Hz~+0.5Hz）是盲区。如Fx=5.005KHz的信号经Fs=10KHz采样时，采点N=10000时正好可以重组出一个周期波形来。可以得出结论，Fs=10KHz时，在Fs/2的旁边存在盲区，且只有（-0.5Hz~+0.5Hz）。这与Fs旁边的盲区相比，宽带缩短里一半。 图 实时采样和等效采样图 （0~Fs/n）频谱盲点分析 同上面的推到类似，很容易想到信号在Fs/3，Fs/4的时候同样存在盲区，在信号频率为Fs/4时，盲区在Fs/4的两边（-0.25Hz~+0.25Hz）的范围内。在matlab里仿真，如Fs=10K，Fx=2500.25Hz，N=10000时