Спектрді талдау және гармоник деңгейін талдау, спектр анализаторынсыз бағалау

Міндеттерді қою және шешу

Электр және радиотехникада көбінесе негізгі сигналдағы немесе қуат беретін кернеудегі гармоникалардың болуы мен деңгейін анықтау міндеті тұрады. Әдетте, гармониканың көп болуы жабдық жұмысының сапасын және оның тиімділігін төмендетеді.

Гармониканың немесе спектр құрамының болуын анықтау қажет болғанда, міндет арнайы прибор - спектр анализаторының көмегімен оңай шешіледі. Алайда, мұндай құралдар өте қымбат және оларды сатып алу әрдайым экономикалық негізделген емес.

Өкінішке қарай, кез келген нәрсенің екенін бәрі біле бермейді цифрлық осциллограф FFT кірістірілген математикалық функциясы арқылы спектр анализаторы режиміне оңай ауыстыруға болады - кез келген сигналды гармоникаларға жайғастырғыштайтын және олардың деңгейін көрсететін Фурьенің тез қайта түрлендіру, яғни зерттелетін кернеудің түрлес құрылымдары

спектр мен гармоника дегеніміз не?

Фурье теоремасының радиотехника мен электроникадағы ең белгілі салдары, кез келген сигналды гармоника деп аталатын синусоидалдық сигналдар жиынтығы түрінде көрсетуге болады.

Әдетте бұл негiзгi сигналдың қысқа жиiлiгi бар сигналдар. 
Ыңғайлы болу үшін гармоникаға олардың жиілігіне сәйкес нөмір беріледі. Мысалы, 2-ші гармоника негізгі сигналдың 2 еселік жиілігіне, 3-ші - 3-ші еселік сигналға ие болады және тағы басқа.

Кез келген сигналға арналған гармоник саны өте жақсы синусоидалды белгіден басқа, шексіз, бірақ іс жүзінде гармониктардың соңғы санымен шектелу қабылданған.

Сигналдарды құрайтын гармониктер амплитудамен (мысалы Вольтта) немесе деңгейімен (дБ) сипатталады. Бұл сипаттамалар зерттелетін сигналдағы әрбір гармониканың салмағын көрсетеді.

Белгілі бір амплитудалары бар гармониктер жиынтығы спектр немесе спектрлік сурет деп аталады. Яғни біз зерттелетін сигналда қанша және қандай гармоник бар екенін өлшейміз.

FFT дегеніміз не?

Негізгі сигналдың оның гармоникасының құрамдас бөліктеріне ыдырауы үшін арнайы FFT алгоритмі бар. 
FFT - Fast Fourier Transform, бұл Фурьені тез өзгерту ретінде аударылады. Бұл бастапқы белгіні синусоидальды гармоникаға нақтылығын жоғалтпай өте жылдам бөліп тастауға мүмкіндік беретін алгоритм.

Дабыл спектрін қалай зерттеуге болады? 

Арнайы аспаптарсыз сигнал спектрін физикалық тұрғыдан тікелей тәсілмен өлшеуге болады, бірақ бұл біраз еңбекті қажет етеді. Ол үшін бізге бірнеше сүзгіштер қажет, олардың әрқайсысы 1-ші, 2-ші, 3-ші және т.б. гармониктерді жібереді, әрі әр фильтрдің шығар жерінде вольтметр болуға тиіс. Сәйкесінше барлық сүзгілердің кіруіне параллель сигнал беру кезінде - әрбір вольтметр өзінің гармоникасының деңгейін көрсетеді.

Сәйкесінше, вольтметр деректерінің көрсеткіштері кестеден немесе графикадан құрылады.

Мысал. 10 вольт амплитудасы бар 1 кГц жиіліктегі тікбұрышты сигналдың 7-ші гармоникасына дейін спектральді құрамды өлшеуді болжайық. Ол үшін мына сызба жинақталады: 

Бұл жерде дереккөз 1 кГц жиіліктегі және 10 вольт амплитудасындағы кезеңдік тік бұрышты сигнал береді. Содан кейін сигнал жиілік сүзгілеріне түседі, олар әрбір гармоникасына бөледі. Осыдан кейін вольтметрлер әрбір гармоника деңгейін өлшейді.

Ескерту. Осы мысалдағы вольтметр көрсеткіштері стандартты тік бұрышты сигналға арналған теориялық есептелген.

Вольтметрлер көрсеткіштерін алғаннан кейін біз өлшеу нәтижелерін кестеге енгіземіз: 

Алынған деректер негізінде мыналар спектрін құруға болады:

Мұндай тәсіл ұзақ уақытты алады және сигнал спектрін жедел бағалауға мүмкіндік бермейді

Алайда, FFT цифрлық осциллограф функциясын қолдана отырып, дәл осындай нәтижені біз секунд ішінде анықтай аламыз.

 Спектрді талдау мысалы  осциллографтың көмегімен

Бұл мысалды цифрлы осциллографта қарастырайық. Acute  алайда, қолдануға болады. кез келген осциллограф бортымызда FFT бар, бізбен жеткізілетін

Жоғарыда қаралғанға ұқсас зерттелетін сигнал береміз және FFT функциясын қосайық: 

Бастапқы белгі сары түспен, ал спектр қызыл түспен көрсетіледі, Графикті бұрын алынғанымен бірдей дерлік көреміз. Сондай-ақ спектрде тақ гармоникалар басым екендігі көрінеді, бұл ретте жұп нөлдерге тең, бұл есептік мағыналарға сәйкес келеді. Бұл ретте курсормен гармониканың жиілігі мен оның деңгейін бірден өлшеуге болады (сол жақ жоғарғы бұрышта): 

Көлденең ось бойымен жылжымалы ақ курсор кез келген бейнеленген гармоника деңгейін және оның жиілігін өлшеуге болады.

FFT функциясын осциллографта қалай қосуға болады? 

Себебі, бұл функция айтарлықтай танымал – бұл функцияны қосу түймесінің көптеген үлгілерінде алдыңғы панельге шығарылған, алайда әр үлгінің ерекшеліктері де бар: 

USB осциллографтар ACUTE  

FFT түймесі алдыңғы тақтаға шығарылған және режимді қосу осы батырманы қарапайым басумен жүзеге асырылады - қызыл тілде белгіленді. 

Сондай-ақ, осы функцияға Display мәзірі арқылы жетуге және әрі қарай FFT функциясы арқылы спектрдің көрінісін қосуға болады:

UTD1000 сериясындағы портативті осциллографтар, үлгілер UTD1025CL Ойлап қара. UTD1025DL Ойлап қара. UTD1050CL Ойлап қара. UTD1050DL Ойлап қара. UTD1102C  

FFT функциясы Math мәзірінде. Кіру үшін STATUS/MATH түймесін басу керек.

Бұдан әрі FFT функциясын таңдау. Нәтижесінде сигнал спектрі көрсетіледі (қызыл түспен):

UTD2000 типті стационарлық осциллографтар, үлгілер UTD2052CL+ Ойлап қара. UTD2052CEX+ Ойлап қара. UTD2102CL+ Ойлап қара. UTD2102CEX+ Ойлап қара. UTD2152CL Ойлап қара. UTD2202CEX+  

Оларда бұл функция Math мәзірінің ішінде де бар - Математикалық операциялар:

Бұдан әрі Type - FFT ас мәзірін таңдау керек. Гармониктердің деңгейлері қызыл түспен көрсетіледі.

UPO сериялы стационарлық осциллографтар

Математикалық операциялар мәзіріне кіру үшін Math түймесін басу керек:

UPO3000 сериясы үшін  модельдерде UPO3354E Ойлап қара.  UPO3502E   түйме тік арна позициясының күйге келтіру астында болады:

Үлгілерде UPO1000 сериясы үшін UPO1104 Ойлап қара. UPO1204 Ойлап қара.  Math түймесі арна нөмірлері түймесінің астына шығарылған: 

Содан кейін операция түрін таңдау керек - FFT. Дисплейде сигнал спектрі көрсетіледі: 

Тұтастай алғанда, функцияның орналасуы әртүрлі осциллографтардағы сияқты, бірақ әр түрлі үлгілерде және әртүрлі өндірушілерде елеулі емес айырмашылықтар болуы мүмкін.

Қоректендіргіш кернеу спектрін талдау 50Гц

Бұл тапсырманы жеке сыныпқа бөлуге болады, себебі негізгі гармоника жиілігі әрқашан қуат алу кернеуі 50 Гц жиілігіне тең. Сол себепті тапсырма стандарттымен салыстырғанда біршама жеңілдетіледі, себебі біз белгіленген гармоникаларды 50, 100, 150 және т.б. жиілікте өлшеп алуымыз керек. Гц.

Аталған көрсеткіштер электр энергиясы сапасының көрсеткіштеріне көбірек қатысты, тиісінше электр энергиясының қазіргі заманғы сапа талдауыштарында осы мүмкіншілік міндетті түрде іске асырылған.

Мысал үшін, тіркейтін электр энергиясы сапасының талдауыштары сериясы G4K   гармоника деңгейін 512-ге дейін өлшеп қана қоймайды, уақыт өзгерісін жазады. Модель G4410 оқиғаны 1 аптаға дейін тіркейді, моделі G4500   сапа талдауын толық және ақпаратты етеді - 1 жылға дейін.

Спектральды көріністі жедел бақылау үшін смартфоннан да алуға болады: 

Нәтижесінде қоректендіруші кернеу спектрін талдау міндеттерін шешу үшін спектр анализаторының да қажеті жоқ, ал функциялар жиынтығының толықтай толық жиынтығымен электр энергиясы сапасының толық анализаторын көреміз.

Қорытынды

Гармониканың бар-жоғын бағалауды және спектрді зерттеуді қалай көреміз - спектр талдағышсыз да толық орындалатын міндет, ол қандай жағдайда да цифрлық осциллографқа FFT немесе FFT қондырылған функциясы бар электр энергиясы сапасын талдауышқа  гармоника деңгейiн өлшеу функциясымен.

Ақпарат көздері

Ашық көздердің материалдары бойынша, сондай-ақ Test instruments ЖШС меншікті деректер негізінде дайындалған. 

Материалдарды пайдалану кезінде осы бапқа сілтеме міндетті.