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波形的测量

发布日期:2017-12-15 09:53:24 【关闭】
摘要:电气测量中,对波形的测量与分析主要是研究非标准正弦波的失真度、谐波含量、波形偏离系数和瞬态情况下的尖峰电压等;对各种控制信号波形(如脉冲、方波、三角波)的观察与分析也是重要的内容。

    在电气测量中,对波形的测量与分析主要是研究非标准正弦波的失真度、谐波含量、波形偏离系数和瞬态情况下的尖峰电压等;对各种控制信号波形(如脉冲、方波、三角波)的观察与分析也是重要的内容。

   对波形参数测量的目的在于:

   (1)供电电源的波形是否满足技术条件(即符合用电设备的要求);

   (2)电气控制信号波形是否符合工作要求;

   (3)为改善波形提供依据。

   一、失真度的测量

   1.失真度的定义

   对非正弦交流波形进行傅里叶级数分解,可以得到其基波分量与各次谐波分量的有效值。

   各谐波分量有效值之和与基波分量的有效值之比定义为失真度或波形畸变系数,用γ表示,对于电压波形可表示为

gooxian-电压波形

   为了测量的方便,当失真不大时,波形总有效值近似等于基波有效值,失真度可近似等于各谐波分量有效值之和与被测波形总有效值之比,用γ′表示,以对电压波形来讨论,即

  

gooxian-电压波形1

   2.基波抑制法测量失真度

   测量失真度的方法很多,通常所应用的比较简便的方法是基波抑制法。具有代表性的是BS-1型失真度仪。图6.11为这种方法的原理框图。

  

gooxian-基波抑制法原理框图

  所谓基波抑制法,就是应用带阻滤波器将被测信号基波分量滤掉,测量开始,先将开关 S置于“1”位,适当调节衰减器,使电压有一比较大的指示,指示值即与被测信号的U 成正比,设比例系数为1。

 

gooxian-基波抑制法

   然后,将开关S置于“2”位,调节基波抑制网络,使网络的谐振频率与被测信号的基波频率相同。这时,电压表的示值为最小,表示基波已被滤除,该示值即为被测信号的谐波分量总有效值Uk

 

gooxian-基波抑制法1

  3.测量误差

  这种测量方法比较简单,但存在一定误差,其误差来源于以下几个方面:

  (1)理论误差。测量结果为γ′,而非γ。非线性失真越严重,二者的差别越大。如有需要,可以根据所测出的γ′由式(6.16)计算γ。(2)滤波器引起的误差。由于带阻滤波器的特性不可能是理想化的,基波不可能得到全部抑制,也不可能对谐波完全不产生衰减作用。(3)输入端杂散干扰会引入误差。

  (2)滤波器引起的误差。由于带阻滤波器的特性不可能是理想化的,基波不可能得到全部抑制,也不可能对谐波完全不产生衰减作用。

  (3)输入端杂散干扰会引入误差。
   二、频谱分析

   示波器是对波形进行分析的一种工具,失真度仪只能对波形的非线性失真作一总的概括的了解。频谱分析仪是对被测信号所包含的频率成分,即被测信号的频谱进行分析,即频域分析。

   1.模拟式频谱分析仪

   图6.12是模拟式频谱分析仪的基本原理方框图。图中带通滤波器的中心频率是可变的,可调出所需测量的各次谐波频率。被测信号经过滤波器选出所需测量的各次谐波信号,然后由检波器变为直流信号电压送到显示器,显示每个单次谐波的有效值。显示器可以是电压表,也可以由屏幕显示。当采用并行滤波法或时间压缩法时能同时显示出多个谐波的幅值(频谱图),可以进行实时频谱分析。

 

gooxian-模拟式频谱分析仪原理框图

   2.数字式频谱分析仪

  实现数字频谱分析主要有两种方法,一种是仿照模拟频谱分析的数字滤波法;另一种是基于快速傅里叶交换法(FFT)的分析法。由于大规模集成电路和微机技术的发展,后者已被广泛使用。

  图6.13是这种频谱仪的框图,CPU对被测信号波形进行实时采样,经过 A/D转换器变成离散的数字量存储起来,然后进行 FFT 计算,并将计算结果以频谱图的形式显示在屏幕上。

 

gooxian-数字式频谱分析仪原理框图

   三、波形偏离系数的测量

   在某些情况下需要测量电压波形对其基波的偏离系数。被测电压波形与其基波波形对应点进行比较,其最大偏差值与基波电压峰值之比称为偏离系数。

 

gooxian-偏离系数

  1.用方格纸计算波形偏离系数

  把从示波器上拍得的波形放大到方格纸上(方格纸分格越细,结果越准确),再把所测得的基波也按相似比例放大到同一方格纸上,而且使两个波形尽量重合(如图6.14所示),然后求出两个波形相应时间的电压瞬时值之差,然后按式(6.20)定义得到偏离系数。

 

  2.数字式采集方法求偏离系数

  以足够高的采样频率对被测波形进行采样,根据所得数据,经过FFT计算,得到基波幅值,并据此计算出与被测波形对应点的基波瞬时值,然后按式(6.20)定义求得偏离系数。

  这种方法与方格纸法原理是一样的,仅是把波形离散化了,但其准确度高、速度快。需要指出的是,为保证测试准确度,采样频率应足够高,采样点数应足够多,并满足 FFT 算法的要求。

 

gooxian-波形偏离系数的求取原理

   四、尖峰电压测试

   在供电网络上,电感性负载的突然切除有可能使电网上产生一个幅度很高、持续时间极短的尖峰电压,其峰值往往会远超过电源电压峰值,如图6.15所示。这样高的电压很可能对用电设备,特别是电子设备造成破坏。因此,要进行尖峰电压测试,确定尖峰电压产生的可能性及大小,然后采取相应的措施。

  对于持续时间只是微秒级,幅值很高的尖峰电压测试,首要的是发现与捕获,至于测试准确度则要从技术经济指标诸方面综合考虑。目前较好的国产数字化瞬态记录仪和示波器的采样频率最高可达数百兆赫兹以上,其A/D转换器是8位或10位,可以满足尖峰电压的测试要求。

  尖峰电压的出现具有随机性,而测试设备的存储器 RAM 容量是有限的。为了保证对尖峰电压波形的完整记录,常采用预设电平触发工作方式。在尖峰电压出现前,测试设备进行监测所记录的数据只在存储器中暂存而依次被周期性地刷新。一旦尖峰电压出现并达到预设电平后,存储器即将所记录的数据保留并将触发前一段时间所记录的数据也保留下来,这样即可保证对尖峰电压波形的完整记录。

 

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