Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



Члены разложения (12.2) можно представить в виде табл. 12.2. В первом столбце этой таблицы приведены обозначения суммарных амплитуд гармоник на выходе четырехполюсника:

l/J, = a.l/„,; VaVhft;

V=a,Vii/4; и = аМ«;

u:f=asUyi6 и т.д.

При подаче на вход четырехполюсника только одного синусоидального сигнала нелинейные искажения можно оценивать по суммарным коэффициентам нелинейных искажений или анализируя возникающие искажения по каждой составляющей напряжения (тока) отдельно. В первом случае оперируют двумя видами суммарных коэффициентов нелинейных искажений: Kfi и Kfz- Коэффициент Kfi характеризует отношение действующего значения всех возникающих гармонических составляющих к действующему значению всех составляющих напряжения на выходе исследуемого четырехполюсника: К,

= ]/ul + ul+ul+ ... l]/u\ + u\ + ul+ul+ ...

Коэффициент Kf2 определяется как отношение действующего значения всех гармонических составляющих только к действующему значению напряжения «j с основной частотой ю:

Kf2=]/ul+ul + ul+ .../и,.

Между коэффициентами К и К2, %. существуют сюдующие соотношения:

Kfi = Kf2/Vl+Tfri0=*; Kf2=Kfi/\/l-Kfi-10~\

Коэффициенты нелинейных искажений п-го порядка, %, определяются общим выражением

K„f = u„-m/u,.

В некоторых случаях оценка нелинейных искажений производится по методам взаимной модуляции, т. е. по комбинационном составляющим нелинейных искажений. При этом на вход исследуемого четырехполюсника подают в простейшем случае два синусоидальных сигнала различной частоты.

12.2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ ИСКАЖЕНИЙ ФОРМЫ СИГНАЛОВ

Измерение искажений формы сигналов, близких к синусоидальным, сводится к измерению коэффициента нелинейных искажений (КНИ). Методы измерений КНИ различаются по методическому, аппаратурному решению и метрологическим характеристикам. В качестве основных классификационных признаков Н. Б. Петровым были приняты методы реализации измерительного устройства, поскольку они определяют состав источников погрешностей, а также диапазонные и эксплуатационные свойства приборов. Такой подход хотя и является субъективным, но в то же время позволяет провести анализ методов и дать их сравнительную оценку.

Методы измерения КНИ по способу обработки и представления информации раз-

Меахзды измерения

Аналоговые 1

Спектральные

Квазиспектральные

Цифровые i

Асинхронные

Синхронные

Фильтровые

Графические

Компенсационные

- С подавлением первой гармоники

С выделением первой гармоники

С внешним генератором

Мгновенного значения

Интегрального значения

Компенсационно-фильтровой

Рис. 12.1. Методы измерения коэффициента нелинейных искажений



деляются на две большие группы (рис. 12.1): аналоговые и цифровые. В аналоговых приборах измеряемый сигнал непосредственно подвергается обработке (усилению, преобразованию, сравнению и т. п.) до получения информации на отсчетном устройстве. При этом возможна реализация любого из трех известных определений КНИ. Все промежуточные операции производятся в аналоговой форме, поэтому они подвергаются и всем возможным искажениям, определяемым свойствами аналоговых методов: наводкам шумов и фона, изменению спектрального состава вследствие неравномерности АЧХ, дрейфу коэффициента усиления и т. п. Эти искажения влияют на суммарную погрешность приборов;

i СО ,

I т/и,;

Kf2 =

n = 2

В цифровых приборах аналоговый сигнал сразу преобразуется в цифровую форму и все операции, необходимые для получения конечного результата, производятся дискретными методами с помощью специализированного вычислительного устройства или микропроцессора, выполняющих вычисление первой гармоники и одного из значений КНИ.

Все аналоговые методы, представляющие интерес в метрологическом отношении, делятся на две большие подгруппы: спектральные и квазиспектральные. Спектральные методы измерения КНИ основаны на применении селективных приборов (анализаторов спектра, селективных вольтметров, измерительных приемников и т. п.) общего применения. С их помощью производится измерение уровней гармонических составляющих входного сигнала, а вычисление КНИ по полученным данным осуществляется вручную. К достоинствам спектральных методов относятся:

возможность измерения КНИ сигналов, сильно загрязненных различного рода помехами, в том числе и имеющих малый уровень;

широкий диапазон частот, в котором можно измерять КНИ;

возможность измерения очень малых значений КНИ (от 0,01 до 0,0001%).

К недостаткам спектральных методов

относятся: большая трудоемкость и невысокая точность измерений (примерно 10%).

Квазиспектральные методы базируются на выделении или подавлении одной из составляющих сигнала - первой гармоники-и определении действующих напряжений полного сигнала или высших гармоник, т. е. реализации одного из определений КНИ. Сюда же относятся графоаналитические методы определения КНИ по осциллограммам сигнала, полученным с помошью шлейфовых осциллографов или двухкоор-динатных самописцев (в области инфранизких частот).

Фильтровые методы разделяют на две подгруппы: с подавлением первой гармоники и с выделением ее. Метод, основанный на выделении первой гармоники, получил широкое распространение, и на его основе разработаны все известные типы измерителей нелинейных искажений (ИНИ). Это связано с тем, что подавление первой гармоники достаточно просто осуществляется на практике в широком диапазоне частот. Метод с выделением первой гармоники не получил столь широкого распространения, так как для его реализации необходимо выполнение двух условий: во-первых, остаточный КНИ вьщелен-ной первой гармоники должен быть много меньше измеряемого значения КНИ, во-вторых, коэффициент передачи селективной системы должен быть строго постоянным в диапазоне частот и равным единице, что представляет собой сложную техническую задачу.

Лучшие образцы ИНИ фильтрового типа устойчиво работают в диапазоне частот до 600 кГц, имеют погрешность не более 3 % и диапазон измерения от 0,01%.

Графический метод находит незначительное применение в области инфранизких частот в связи с отсутствием специализированной аппаратуры. Способ заключается в измерении параметров искажений записанной огибающей и вычислении с помощью специальных таблиц спектра гармоник сигнала и соответственно КНИ. Трудоемкость метода сравнительно высока, а погрешность не лучше 10%.

Компенсационные методы определения КНИ основаны на подавлении первой гармоники измеряемого сигнала когерентным (но противофазным) сигналом с малым (по сравнению с измеряемым) значением КНИ. Этот метод позволяет улучшить присущую фильтровому методу погрешность подавления высших гармоник при отфильтровывании первой. Однако при этом имеют место три составляющие погрешности, характерные



для компенсационного метода: погрешность дисбаланса амплитуды, фазы компенсирующего налряжения и его КНИ.

Компенсирующее напряжение может быть получено от вспомогательного генератора, привязанного по фазе к измеряемому сигналу, или отфильтровыванием высших гармоник из исследуемого сигнала (компенсационно-фильтровой метод). При нестабильности амплитуды компенсирующего напряжения, которая не зависит от амплитуды измеряемого сигнала, может возникнуть существенная дополнительная погрешность. При реализации компенсационно-фильтрового метода предполагается, что отфильтровы-вание высших гармоник праизводится фильтром высших гармоник или резонансным с ослаблением второй гармоники в М раз, т. е. в составе компенсирующего напряжения будут присутствовать

V„=V„:M„,

тт Г/„ - напряжение гармоник в измеряемом сигнале; Vi, - напряжение гармоник в компенсирующем сигнале; М„ - коэффициент ослабления гармоник.

Тогда в первом приближении получим

АК К

тш):

Например, при иФ, t/„ = О и = 10, 6 = 0,5%, т. е. даже при фильтрации ггфмо-ник всего в 10 раз погрешность измерения КНИ меньше 1 % и не зависит от абсолютного значения КНИ.

Поскольку компенсирующее напряжение получают из измеряемого, то V„ = l/j юмп. т. е. изменение амплитуды измеряемого сигнала не приводит к разбалансу процесса компенсации.

Погрешность за счет дисбаланса фаз может быть оценена при cлeofющиx допущениях. Пусть t/вх = tKOMn, но (р ?t 180°, тогда разностное напряжение первой гармоники

Д1/1 = CBxl/2[l-l-cos(7i-(p)];

At/f -I- S

Предполагая, что погрешность за счет AUi мала, имеем

К>1 = Кл 4- [1 + С08(Л - ф)]/Ку1,

откуда

ДКл/Кл = [1 -I- cos (71 - ср)]/К1.

Из последней формулы следует, что для погрешности АК/К - 5 при различных КНИ допустимы следующие углы дисбаланса:

(p<arccos[l-8K5-J.

Например, при 5=0,01 и К = 1 срдоп < < +8°; при К = 0,1 срдоп< ±0,8°; при К = = 0,01 фдоп < + 0,08°, т. е. допустимый угол дисбаланса обратно пропорционален КНИ, а это значит, что с уменьшением измеряемого КНИ требования к степени балансировки по углу (и амплитуде) резко повышаются.

С расширением частотного диапазона погрешность практически всех аналоговьк методов значительно возрастает, особенно при малых значениях КНИ. Это обстоятельство существенно ограничивает перспективность аналоговых методов измерения КНИ.

Цифровые методы измерения КНИ, как и в других областях измерительной техники, применяются в тех случаях, когда требуется получить высокие точность и быстродействие в широком частотном и динамическ(ж диапазонах.

Цифровые методы измерений КНИ основаны на выделении из измеряемого сигнала его «мгновенных значений» в нулевых точках периода, преобразовании их в цифровой код и дальнейшей обработке по заданному алгоритму.

По виду аппаратурной реализации цифровые методы разделяются на асинхронные и синхронные.

При асинхронном методе для осуществления выборки «мгновенных» значений измеряемого сигнала (1/„з„) используют вспомогательный генератор стробируюших импульсов, частота которого в N раз выше частоты измеряемого сигнала, но не кратна ему:

/crp = iV(/h3m±A).

В этом случае для использования массива Ui, определения числа отсчетов, начальной и конечной фаз применяется сложный алгоритм с линейной алпроксимацией начального и конечного участков измеряемого сигнала. Погрешность такого метода не лучше 0,1% при К/0,5%.

При синхронном методе измерения КНИ между частотой измеряемого сигнала и частотой строба устанавливается жесткая синхронизация:

/crp = N/

изм-

Существуют две модификации синхронного метода.



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 [125] 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168


0.0123