Спектрді талдау және спектр анализаторынсыз гармоника деңгейін бағалау

Мәселені қою және шешу

Электро және радиотехникада көбінесе негізгі сигналда немесе қоректендіру кернеуінде гармониканың болуын және деңгейін анықтау міндеті қойылады. Әдетте, гармоникалардың көп болуы жабдықтың жұмыс сапасын және оның тиімділігін төмендетеді.

Гармониканың болуын немесе спектрдің құрамын анықтау қажет болғанда - тапсырма арнайы құрылғы - спектр анализаторының көмегімен оңай шешіледі. Дегенмен, мұндай құрылғылар өте қымбат және оларды сатып алу әрқашан экономикалық тұрғыдан тиімді бола бермейді.

Өкінішке орай, іс жүзінде кез келген адам біле бермейді сандық осциллограф кіріктірілген FFT математикалық функциясын қолдана отырып, спектр анализаторының режиміне ауысу оңай - кез келген сигналды гармоникаға шығаратын және олардың деңгейін, яғни зерттелетін кернеудің спектрлік құрамын көрсететін жылдам Фурье түрлендіруі.

Спектр және гармоника дегеніміз не

Радиотехника мен электроникадағы ең әйгілі Фурье теоремасының салдары кез келген сигналды гармоника деп аталатын қарапайым синусоидалы сигналдардың қосындысы ретінде көрсетуге болады.

Әдетте, бұл негізгі сигнал жиілігінің еселігі бар сигналдар.
Ыңғайлы болу үшін гармоникаға олардың жиілігіне сәйкес сандар беріледі. Мысалы, 2-ші гармоникада негізгі сигнал жиілігінен 2 есе, 3-ші - 3 есе және т.б.

Идеал синусоидалы сигналдан басқа кез келген сигнал үшін гармоникалар саны шексіз, дегенмен тәжірибе үшін гармоникалардың ақырлы санымен шектелу әдетке айналған.

Сигналды құрайтын гармоникалар амплитудасымен (мысалы, Вольтпен) немесе деңгейімен (дБ-мен) сипатталады. Бұл сипаттамалар зерттелетін сигналдағы әрбір гармониканың салмағын көрсетеді.

Белгілі бір амплитудасы бар гармоникалар жиынтығын спектр немесе спектрлік сурет деп атайды. Яғни, зерттелетін сигналда қанша және қандай гармоника бар екенін өлшейміз.

ҚФТ дегеніміз не

Негізгі сигналды оның құрамдас гармоникасына ыдырату үшін арнайы FFT алгоритмі бар.
FFT - бұл Fast Fourier Transform, ол Fast Fourier Transform деп аударылады. Бұл дәлдікті жоғалтпай дерлік бастапқы сигналды синусоидалы гармоникаға өте жылдам ыдыратуға мүмкіндік беретін алгоритм.

Сигнал спектрін қалай зерттеуге болады

Сигнал спектрін арнайы құрылғыларсыз физикалық түрде тікелей өлшеуге болады, бірақ бұл біршама еңбекті қажет етеді. Ол үшін бізде бірнеше сүзгілер болуы керек, олардың әрқайсысы тек 1-ші, 2-ші, 3-ші және т.б. гармоника және әрбір сүзгінің шығысында вольтметр болуы керек. Тиісінше, сигнал барлық сүзгілердің кірістеріне параллель қолданылғанда, әрбір вольтметр өзінің гармоникалық деңгейін көрсетеді.

Тиісінше, спектрлік үлгі вольтметр деректерінің көрсеткіштерінің кестесінен немесе графигінен құрастырылады.

Мысал. Амплитудасы 10 вольт болатын 1 КГц жиіліктегі тікбұрышты сигналдың 7-ші гармоникасына дейінгі спектрлік құрамын өлшеуіміз керек делік. Ол үшін схема құрастырылады:

Мұнда көз жиілігі 1 КГц және амплитудасы 10 вольт болатын периодты тікбұрышты сигнал шығарады. Содан кейін сигнал жиілік сүзгілеріне жіберіледі, олар әрқайсысының өзіндік гармоникасын шығарады. Осыдан кейін вольтметрлер әрбір гармониканың деңгейін өлшейді.

Ескертпе. Осы мысалдағы вольтметрлердің көрсеткіштері стандартты тікбұрышты сигнал үшін теориялық түрде есептелген.

Вольтметрлердің көрсеткіштерін алғаннан кейін өлшеу нәтижелерін кестеге енгіземіз :

Алынған мәліметтер негізінде спектрді құруға болады:

Бұл тәсіл біршама уақытты алады және сигнал спектрін жылдам бағалауға мүмкіндік бермейді

Дегенмен, цифрлық осциллографтың FFT функциясын пайдалана отырып, біз секундтың бір бөлігінде бірдей нәтижеге қол жеткіземіз.

Осциллографтың көмегімен спектрді талдаудың мысалы

Бұл мысалды сандық осциллографта қарастырамыз Acute , дегенмен пайдалануға болады кез келген осциллограф бізбен қамтамасыз етілген және бортында FFT бар.

Жоғарыда талқыланғанға ұқсас зерттелетін сигналды берейік және FFT функциясын қосайық:

Бастапқы сигнал сары түспен, ал спектр қызыл түспен көрсетіледі, көріп отырғанымыздай, график бұрын алынғанмен бірдей. Сондай-ақ, спектрде тақ гармоникалар басым, ал жұп сандар нөлге тең, бұл есептелген мәндерге сәйкес келетінін көруге болады. Бұл жағдайда курсордың көмегімен гармониканың жиілігін және оның деңгейін бірден өлшеуге болады (жоғарғы сол жақ бұрышта).:

Ақ курсорды көлденең ось бойымен жылжыту арқылы кез келген көрсетілген гармониканың деңгейін және оның жиілігін өлшеуге болады.

Осциллографта FFT функциясын қалай қосуға болады

Осыған байланысты бұл функция өте танымал - көптеген модельдерде бұл функцияны қосу түймесі алдыңғы панельде көрсетіледі, бірақ әр модельдің өзіндік ерекшеліктері болуы мүмкін:

USB осциллографтары ACUTE  

FFT түймесі алдыңғы панельде көрсетіледі және режим осы түймені басу арқылы қосылады - қызыл көрсеткімен көрсетіледі.

Сондай-ақ, бұл функцияға Дисплей мәзірі арқылы қол жеткізуге болады, содан кейін FFT функциясы арқылы спектрді көрсетуді қосуға болады:

UTD1000 сериялы портативті осциллографтар , модельдер UTD1025CL , UTD1025DL , UTD1050CL , UTD1050DL , UTD1102C  

FFT функциясы Math мәзірінде орналасқан. Жүйеге кіру үшін STATUS/MATH батырмасын басу қажет.

Әрі қарай, FFT функциясын таңдаңыз. Нәтижесінде сигнал спектрі көрсетіледі ( қызыл түспен):

UTD2000 типті стационарлық осциллографтар, модельдер UTD2052CL+ , UTD2052CEX+ , UTD2102CL+ , UTD2102CEX+ , UTD2152CL , UTD2202CEX+  

Оларда бұл функция Math - Математикалық амалдар мәзірінің ішінде де орналасқан:

Әрі қарай, Type - FFT мәзір пунктін таңдау керек. Гармоника деңгейлері қызыл түспен көрсетіледі.

UPO сериялы стационарлық осциллографтар

Математикалық амалдар мәзіріне кіру үшін Math батырмасын басу керек:

Үлгілердегі UPO3000 сериясы үшін UPO3354E , UPO3502E түйме тік арна орны параметрінің астында орналасқан:

Үлгілердегі UPO1000 сериясы үшін UPO1104 , UPO1204 , Math түймесі арна нөмірі түймелерінің астында орналасқан:

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

Жалпы алғанда, функцияның орналасуы әртүрлі осциллографтарда ұқсас, дегенмен әртүрлі модельдер мен әртүрлі өндірушілерде шамалы айырмашылықтар болуы мүмкін.

Қоректендіру кернеуінің спектрін талдау 50Гц

Бұл есепті жеке классқа бөлуге болады, өйткені негізгі гармониканың жиілігі әрқашан 50 Гц қоректендіру кернеуінің жиілігіне тең. Сондықтан тапсырма стандартпен салыстырғанда біршама жеңілдетілген, өйткені бізге белгілі жиіліктегі тұрақты гармониканы өлшеу қажет: 50, 100, 150 және т.б. Гц.

Бұл көрсеткіштер электр энергиясы сапасының көрсеткіштеріне көбірек қатысты, тиісінше, қазіргі заманғы электр энергиясы сапасының анализаторларында бұл мүмкіндік міндетті түрде жүзеге асырылады.

Мысалы , электр энергиясының сапасын тіркейтін анализаторлар сериясы үшін G4K гармоника деңгейін 512-ге дейін өлшеп қана қоймай, уақыт бойынша өзгерістерді де тіркейді. Үлгі G4410 оқиғаларды 1 аптаға дейін тіркейді, үлгі G4500 1 жылға дейін, бұл сапаны талдауды толық және ақпараттандырады.

Спектрлік суретті смартфоннан да жедел бақылау үшін алуға болады:

Нәтижесінде, көріп отырғанымыздай, қоректендіру кернеуінің спектрін талдау мәселесін шешу үшін спектр анализаторы да қажет емес, функциялардың толық жиынтығы бар қуат сапасының анализаторы жеткілікті.

Қорытынды

Көріп отырғаныңыздай, гармониканың бар-жоғын және деңгейін бағалау және спектрді зерттеу спектр анализаторынсыз толығымен орындалатын тапсырма болып табылады, оны кез келген адам жасай алады сандық осциллографқа кіріктірілген FFT функциясы бар немесе электр энергиясының сапасын талдаушыға гармоника деңгейін өлшеу функциясымен.

Ақпарат көздері

Ашық дереккөздердің материалдары бойынша, сондай-ақ Test instruments ЖШС-нің жеке деректері негізінде дайындалған.

Материалдарды пайдалану кезінде осы мақалаға сілтеме жасау міндетті.