background image

ĆWICZENIE  NR 

19

 
 

CYFROWE PRZETWARZANIE SYGNAŁÓW 

ELEKTRYCZNYCH 

 

19.1. Cel ćwiczenia 

 

 Celem 

ćwiczenia jest poznanie zasad cyfrowego przetwarzania sygnałów 

oraz zalet i wad tego sposobu przetwarzania. 
 

19.2. Teoretyczne podstawy pomiaru 

 

19.2.1. Wprowadzenie 

 

 

Obserwowany w ostatnim dwudziestoleciu szybki rozwój techniki kompute-

rowej - zarówno od strony narzędziowej (komputery osobiste o dużej mocy 
obliczeniowej, cyfrowe procesory sygnałowe DSP, specjalizowane układy 
scalone ASIC), jak i programowej (algorytm szybkiej transformaty Fouriera) - 
sprawił,  że konwencjonalne metody analogowego przetwarzania sygnałów są 
zastępowane przetwarzaniem cyfrowym. Cyfrowe przetwarzanie sygnałów 
(CPS) jest stosowane m.in. do linearyzacji charakterystyk czujników i 
przeliczania wyników pomiarów na wybrane jednostki techniczne, obliczania 
parametrów statystycznych i 

kontroli wiarygodności, całkowania i 

różniczkowania numerycznego, filtracji cyfrowej, obliczania szybkiej 
transformaty Fouriera FFT i odwrotnej transformaty Fouriera IFFT, 
wyznaczania autokorelacji i korelacji wzajemnej, wykreślania histogramu 
gęstości amplitudowej sygnału. Układy cyfrowe wykazują szereg zalet 
w stosunku do układów analogowych: nie występują w nich ani dryft parame-
trów ani szumy, cechują się wysoką dokładnością oraz zapewniają łatwą zmianę 
parametrów, np. częstotliwości granicznej i nachylenia charakterystyki filtrów. 
Do wad układów cyfrowych należy zaliczyć mniejszą szybkość działania i węż-
sze pasmo przenoszonych częstotliwości, co wynika głównie z ograniczonej 
częstotliwości próbkowania przetwornika A/C. 
 Czujniki 

przetwarzające wielkości fizyczne dostarczają zwykle sygnału 

ciągłego x(t), który przez próbkowanie jest sprowadzany do postaci dyskretnego 

background image

 

286 

szeregu czasowego próbek x(i

t). Następnie - w procesie kwantyzacji - 

próbkom nadawana jest dyskretna wartość liczbowa x

k

(i

t). Sygnał 

spróbkowany i skwantowany jest nazywany sygnałem cyfrowym. Rozdzielczość 
i szybkość przetwarzania analogowo-cyfrowego ma zasadnicze znaczenie w 
pomiarach cyfrowych. W 

oscyloskopach cyfrowych stosuje się szybkie 

przetworniki o częstotliwości próbkowania do 2 GS/s, ale o małej 
rozdzielczości, zwykle 8-bitowe. W niektórych multimetrach cyfrowych można 
wybierać liczbę wyświetlanych cyfr wyniku i np. przy rozdzielczości 4 1/2 
cyfry (16 bitów) można wykonać 100 000 pomiarów na sekundę, a przy 
rozdzielczości 8 1/2 cyfry (29 bitów) - tylko 6 pomiarów na sekundę. 
Komputerowe karty pomiarowe są wyposażone najczęściej w przetworniki 12-
bitowe o częstotliwości próbkowania od 100...250 kS/s lub - znacznie droższe - 
do 5 MS/s; produkowane są również przetworniki 16-bitowe o częstotliwości 
100 kS/s. 
 

19.2.2. Dyskretna transformata Fouriera 

 
 Sygnały mogą być analizowane w dziedzinie czasu lub częstotliwości. Gdy 
sygnał składa się z wielu składowych o różnych częstotliwościach, 
wygodniejszą metodą jest analiza w dziedzinie częstotliwości. Do przejścia z 
funkcji czasu na funkcję częstotliwości można wykorzystać przekształcenie 
Fouriera, jeżeli sygnał spełnia warunki Dirichleta. W przypadku sygnału 
okresowego otrzymuje się dyskretne widmo częstotliwościowe, a dla sygnału 
nieokresowego - widmo ciągłe. 
  Pobieranie próbek z sygnału badanego może być dokonywane tylko w 
skończonym przedziale czasu. Czas ten jest wyznaczony przez długość okna 
pomiarowego (wycinającego). Jeżeli długość okna pomiarowego T

W

 

dobierzemy równą okresowi badanego sygnału  T i zastosujemy okres 
próbkowania  T

S

 = T

W

/M, to otrzymamy M próbek o wartościach:  x(0),  x(T

S

), 

x(2T

S

),...  x[(M-1)T

S

], które pozwolą  ułożyć układ  M równań, zawierających 

poszukiwany, skończony szereg Fouriera. Rozwiązując ten układ równań 
możemy obliczyć współczynniki tego szeregu, czyli składową stałą a

0

 = A

0

 oraz 

N    =  M/2 - 1 harmonicznych, złożonych ze składowych  a

n

,  b

n

 lub opisanych 

przez amplitudę A

n

 i fazę 

ϕ

 

 

=

=

+

+

=

+

+

=

N

n

n

n

N

n

n

n

t

n

A

A

t

n

b

t

n

a

a

t

x

1

0

1

0

)

sin(

)

sin

cos

(

)

(

ϕ

ω

ω

ω

 (19.1) 

W praktyce współczynniki składowych harmonicznych wyznacza się 
transformując M punktowy ciąg próbek x(mT

S

) w M punktowy ciąg dyskretny w 

dziedzinie częstotliwości (dyskretna transformata Fouriera DFT) 

 

background image

 

287 

 

X

X nf

x mT

e

X

X f

X M

f

n

W

S

m

M

j

nm

M

W

W

=

=

=

=

(

)

(

)

( ), (

),..., [(

)

]

0

1

2

0

1

π

 (19.2) 

gdzie:   n = 0, 1, 2, ..., M - 1,  f

W

 = 1/T

W

Odtworzenie szeregu czasowego próbek uzyskuje się przez odwrotną dyskretną 
transformatę Fouriera 

 

x mT

M

X nf

e

S

W

j

mn

M

n

M

(

)

(

)

=

=

1

2

0

1

π

 (19.3) 

Do wyznaczenia amplitud i kątów fazowych N  harmonicznych wystarczy 
znajomość połowy ciągu  X(nf

W

), gdyż druga połowa składa się z wartości 

sprzężonych z pierwszą połową (z wyjątkiem X(M/2) = 0): 

a

A

N

X

0

0

1

0

=

=

( )   

 

 

 

 

 

 

(19.4) 

 

(

)

( )

a

M

X

X

M

X

n

n

M n

n

=

+

=

1

2

Re

 

   (19.5) 

 

(

)

( )

n

n

M

n

n

X

M

X

X

M

j

b

Im

2

=

=

   (19.6) 

 

A

M

X

n

n

=

2

   

 

 

 

 

 

 

(19.7) 

 

( )

ϕ

n

n

X

= − arg

   

 

 

 

 

 

(19.8) 

gdzie n = 1, 2, ..., N
 Jeżeli liczba próbek jest równa potędze liczby 2, M = 2

l

, to można zasto-

sować algorytm szybkiej transformaty Fouriera FFT, który przykładowo dla 
= 1024 daje ponad 100-krotne zmniejszenie liczby wykonywanych mnożeń. 
 Widmo 

częstotliwościowe sygnału  X(nf

W

) jest przedstawiane w postaci 

dwóch wykresów: widma amplitudy A

n

(f) i widma fazy 

ϕ

n

(f). Rozdzielczość 

częstotliwościowa tych widm wynosi f

W

 i dla T

W

 = T

1

 równa się częstotliwości 

podstawowej harmonicznej f

W

 = 1/T

1

 = f

1

. Jeżeli okno pomiarowe obejmuje 

całkowitą liczbę  p okresów sygnału  T

W

 = pT

1

, to wartość  f

W

 = 1/pT

1

 = f

1

/p 

zmniejsza się, czyli gęstość prążków w widmach rośnie. Możliwy jest wówczas 
pomiar parametrów sub- i interharmonicznych. Szerokość okna T

W

 = MT

S

 = M/f

S

 

można powiększyć przez zwiększenie liczby próbek M lub/i zmniejszenie 
częstotliwości próbkowania f

S

, przy czym obie te wielkości należy dobierać w 

ten sposób, aby liczba okresów p była liczbą całkowitą. Z zależności T

W

 = p/f

1

 = 

M/f

S

 wynika wzór na f

S

  

 

W

S

Mf

p

Mf

f

=

=

1

  

 

 

 

 

 

(19.9) 

background image

 

288 

 Jeżeli liczba okresów w oknie nie jest całkowita, to rozdzielczość widma nie 
stanowi podwielokrotności harmonicznej podstawowej i każdej harmonicznej 
odpowiada kilka prążków widma (rys. 19.1). Dokładny pomiar tych harmonicz-
nych nie jest możliwy. 
 

A

B

a

b

c

d

f

f

 

 

Rys. 19.1. Wpływ szerokości okna pomiarowego na kształt widma: A – szerokość okna równa 

dwóm okresom sygnału, B - szerokość okna równa niecałkowitej liczbie okresów sygnału, a – 

sygnał badany, b – wycięty ciąg próbek, c – sygnał przyjęty do obliczeń, d – wyznaczone widmo 

 

19.2.3. Twierdzenie o próbkowaniu 

 

 

Zgodnie z twierdzeniem Shannona-Kotielnikowa próbkowanie sygnału nie 

spowoduje utraty informacji, przenoszonej przez harmoniczne tego sygnału 
w paśmie od zera do interesującej nas częstotliwości granicznej f

g

, jeżeli 

spełnione są dwa warunki: 

•  częstotliwość próbkowania f

S

 jest większa od podwojonej częstotliwości f

g

•  badany sygnał nie zawiera harmonicznych o częstotliwościach większych 

od połowy częstotliwości próbkowania. 

Zwykle stosuje się częstotliwość próbkowania f

S

 = 2

λf

g

, gdzie 

λ > 1 jest współ-

czynnikiem nadpróbkowania. Jeżeli jednak drugi warunek nie jest spełniony, to 
dowolna harmoniczna o częstotliwości f większej od f

S

/2 zostanie przetransfor-

mowana - bez zmiany amplitudy - na częstotliwość f

p

 w paśmie 

<0, f

S

/2) i może 

zniekształcić harmoniczną niosącą informację 

background image

 

289 

 

S

p

if

f

f

=

 (19.10) 

gdzie i jest liczbą całkowitą spełniającą nierówność 
 

< −

<

f

f

if

f

S

S

S

/

/

2

2  (19.11) 

Pomierzona harmoniczna f

p

 może zatem zawierać w sobie wszystkie 

harmoniczne określone zależnością 
 

f

f

if

i

p

S

= ± +

=12

, ,...  (19.12) 

Zjawisko nakładania się (odbicia) widm (ang. aliasing) jest przedstawione grafi-
cznie na rys. 19.2 w dziedzinie czasu i na rys. 19.3 w dziedzinie częstotliwości. 
Z pierwszego rysunku wynika, że sygnał  złożony z dwóch sinusoid o 
częstotliwościach 150 Hz i 250 Hz, próbkowany z częstotliwością 200 Hz, jest 
odczytywany jako sinusoida o częstotliwości 50 Hz. Drugi rysunek obrazuje 
odbijanie się wyższych harmonicznych od barier ustawionych na 
częstotliwościach 0 i f

S

/2. 

 

-6

-4

-2

0

2

4

6

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

czas [ms]

 

Rys. 19.2. Zjawisko nakładania się harmonicznych 

 
 

A

n

0

f /2

s

f

s

f

 

 

Rys. 19.3. Zjawisko odbicia widm 

 

background image

 

290 

 

W celu uniknięcia nakładania się widm usuwa się z sygnału analogowego 

harmoniczne o częstotliwościach  f > f

S

/2 za pomocą filtrów dolnoprzepusto-

wych, zwanych antyaliazingowymi. Inną metodą jest nadpróbkowanie o współ-
czynniku 

λ

 >> 1 (ang. oversampling). Wówczas wartość częstotliwości  f

S

/2 

zostaje przesunięta w zakres harmonicznych o znikomej amplitudzie. Tak 
spróbkowany sygnał można dodatkowo przepuścić przez dolnoprzepustowy filtr 
cyfrowy i po znacznym zmniejszeniu liczby próbek dokonać szybkiej 
transformaty Fouriera. Dzięki temu uzyskuje się lepszą rozdzielczość 
częstotliwościową widma przy krótszym czasie obliczeń. 
 Przykład 

  W cyfrowych przetwornikach dźwięku częstotliwość próbkowania wynosi 
f

= 44,1 kHz, co w stosunku do granicznej, słyszalnej częstotliwości f

g

 = 

= 20 kHz daje współczynnik 

λ = 1,10. Jeżeli mikrofon przetwarza dźwięki do 

30 kHz, to wówczas harmoniczne z zakresu od f

S

/2 = 22,05 kHz do 30 kHz 

zostaną przekształcone w harmoniczne w zakresie od |30 - 44,1| = 14,1 kHz do 
|22,05 – 44,1| = 22,05 kHz. Harmoniczne te znajdą się w zakresie słyszalnym 
i zakłócą odtwarzany dźwięk. W celu usunięcia tego zjawiska należy przed 
próbkowaniem przepuścić sygnał przez analogowy filtr dolnoprzepustowy, 
silnie tłumiący częstotliwości powyżej 22 kHz. 

 Przeciwieństwem nadpróbkowania jest podpróbkowanie. Stosuje się je przy 
analizie sygnałów o wąskim paśmie częstotliwości 

f, zawierającym 

informację, w stosunku do częstotliwości  środkowej (nośnej)  f

0

, np. dla 

sygnałów modulowanych amplitudowo. W celu osiągnięcia dobrej 
rozdzielczości widma w paśmie 

f  konieczne jest zmniejszenie częstotliwości 

próbkowania do wartości wielokrotnie mniejszej od f

0

, zgodnie ze wzorem 

(19.9). 
 Minimalnym 

wartościom MN i p odpowiadają maksymalne wartości pozo-

stałych wielkości. Zwiększanie liczby próbek M powoduje wzrost gęstości wi-
dma (f

W

 maleje) i praktycznie nie wpływa na szerokość widma f

g

. Wzrost 

częstotliwości próbkowania f

S

 zwiększa proporcjonalnie szerokość widma, ale 

zmniejsza jego gęstość. 

 

19.2.4. Analiza widmowa sygnału okresowego 

 

 

Przypadek 1 - znamy wartość częstotliwości podstawowej harmonicznej f

1

 

i numer  najwyższej harmonicznej n

max

, istotnej z metrologicznego punktu wi-

dzenia. 
 

Wzory używane w analizie fourierowskiej FFT 

 

background image

 

291 

                                                                                                                               Tabela 19.1 

Nazwa Wzory  Wartość 

  

minimalna 

maksymalna 

 Liczba próbek 

)

1

(

2

2

max

+

=

n

M

l

 

M

max

 

 Liczba składowych 
 widma 

max

2

1

1

n

M

N

=

 

1
2

1

M

max

−  

 Liczba okresów 
 w oknie 

( )

s

f

Mf

w

f

f

n

N

Ent

p

1

1

max

=

=

=

 

 

 Częstotliwość 
 próbkowania 

f

Mf

f

S

W

Mf

p

M

N

=

=

1

max

 

M

N

f

1

 

Mf

1

 

 Rozdzielczość 
 widma 

f

W

f s
M

f

p

=

=

1

 

f N

1

 

f

1

 

 Szerokość widma 

f

Nf

f

f

f

g

W

N

M

S

N

p

=

=

=

1

max

 

f

1

 

Nf

1

 

 Liczba mierzalnych 
 harmonicznych 

( )

( )

1

1

Mf

s

Nf

f

g

f

MAX

Ent

Ent

n

=

=

 

N

 

 Współczynnik 
 nadprókowania 

p

n

M

f

n

s

f

max

2

1

max

2

=

=

λ

 

max

n

N

M

 

max

2n

M

 

Oznaczenia: f

1

 - częstotliwość podstawowej harmonicznej badanego sygnału, f

max

 = n

max

f

1

 – czę-

stotliwość najwyższej harmonicznej, która wskutek nakładania się widm może zakłócić pomiar 

 Dobieramy 

taką liczbę próbek M, aby liczba obliczonych składników 

szeregu Fouriera N (bez składnika zerowego) była równa co najmniej n

max

 (patrz 

wzór na obliczenie M w tabeli 19.1). Dla sygnału poliharmonicznego 
największą wartością rozdzielczości widma, jaką można zastosować, jest f

Wmax

 = 

f

1

. Rozdzielczość  tę uzyskujemy nastawiając częstotliwość próbkowania na 

wartość f

Smax

 = Mf

1

. Osiągamy wówczas maksymalną szerokość analizowanego 

widma f

gmax

 = Nf

1

.  

 

W celu wykrycia w sygnale subharmonicznych i interharmonicznych należy 

zmniejszyć wartość f

W

 przez zwiększenie liczby próbek M. Dla nowej liczby M 

obliczamy kolejno N,  p i f

S

. Najmniejszą  gęstość widma f

Wmin

 = f

1

/N uzyskuje 

się, gdy badana jest tylko podstawowa harmoniczna, czyli gdy n

max

 = 1. 

 

Przypadek 2 - nie znamy wartości częstotliwości podstawowej harmonicznej 

ani liczby harmonicznych. 
 

W celu osiągnięcia maksymalnej szerokości widma stosujemy największą 

częstotliwość próbkowania, dopuszczalną dla karty pomiarowej, a dla uzyskania 
najlepszej rozdzielczości widma wybieramy maksymalną liczbę próbek, jaką 
posiadany algorytm FFT może przetransformować. Kolejność pomiarów i 
obliczeń prześledzimy na przykładzie. 
 

Wykonujemy pomiary dla M

max

 = 2048 i f

Smax

 = 100 000 Hz. Sprawdzamy 

na monitorze, czy przebieg zawiera co najmniej jeden okres badanego sygnału. 

background image

 

292 

Jeżeli nie zawiera, to zmniejszamy częstotliwość próbkowania. W tabeli 19.2 
notujemy częstotliwość i amplitudę najniższej i najwyższej harmonicznej. Dla 
najniższej harmonicznej zapisujemy również częstotliwości i amplitudy sąsied-
nich prążków. 

 

Wyniki pomiarów harmonicznych o nieznanych częstotliwościach 

                                                                                                                                 Tabela 19.2 

Lp. f

S

 

f

1-

 

f

1

 

f

1+

 

A

1-

 

A

1

 

A

1+

 

f

m

 

A

m

 

 

Hz Hz Hz Hz V V  V Hz V 

1. 100000  0 48,8281 97,6562 1,2031 9,1698 2,8522 439,453 1,4815 
2. 884,9553 

59,6308 

60,0629 60,4950 1,1783 9,6802 1,5695 420,872 1,9973 

3. 75,0786 

14,9204 

14,9571 14,9937 0,4161 9,9728 0,3823 29,6209 1,7514 

4. 961,9696 0 60,1231 120,246 8E-06 10,000  2E-05 420,862 2,0000 

 
Obliczamy numer najwyższej harmonicznej n

max

, liczbę okresów p i nową 

częstotliwość próbkowania f

S

000

,

9

8281

,

48

453

,

439

1

max

=

=

=

f

f

n

m

 

113

9

1

2

2048

max

=

=





=

Ent

n

N

Ent

p

 

f

Mf

p

Hz

S

=

=

=

1

2048 48 8281

113

884 9553

,

,

 

Po wykonaniu FFT okazuje się, że amplitudy sąsiednich prążków stanowią wię-
cej niż 10

-3

 amplitudy podstawowej harmonicznej, co świadczy,  że pomiary 

należy kontynuować. W celu wyznaczenia dokładnej wartości częstotliwości f

1

 

zwiększamy gęstość widma stosując podpróbkowanie. Nastawiamy 
częstotliwość próbkowania zaledwie o 25 % większą od częstotliwości f

1

 

 

f

f

Hz

S

P

=

= ⋅ ⋅

=

=

2

2

60 0629 1 25 60 0629 75 0786

1

5
8

λ

,

,

,

,

 

Podpróbkowanie sprowadza wszystkie harmoniczne w zakres małych częstotli-
wości, powodując jednak nakładanie się widm. Wartość współczynnika 
podpróbkowania 

λ

P

 = 5/8 jest korzystna, gdyż w pobliżu podstawowej 

harmonicznej pojawią się harmoniczne 9., 11., 19., 21. itd. o stosunkowo 
małych amplitudach. 
  Po kolejnym wykonaniu FFT wykorzystujemy amplitudy sąsiednich 
prążków do interpolacyjnego obliczenia częstotliwości f

1P

 

background image

 

293 

 

(

)

(

)

f

f

A

A

A

f

f

Hz

P

1

1

1

1

1

1

1

14 9204

0 3823

0 4161 0 3823

14 9937 14 9204

14 9555

=

+

+

=

=

+

+

=

+

+

+

,

,

,

,

,

,

,

 (19.13) 

Rzeczywistą częstotliwość f

1

 wyznaczamy z zależności 

 

f

f

f

Hz

S

P

1

1

75 0786 14 9555 60 1231

=

=

=

,

,

,

 (19.14) 

Do końcowego pomiaru przyjmujemy wartości zgodne ze wzorami w tabeli 
19.1: 

000

,

7

1231

,

60

872

,

420

1

max

=

=

=

f

f

n

m

 

(

) (

)

4

max

2

16

1

7

2

1

2

=

=

+

=

+

≥ n

M

 

1

7

1

2

16

max

=

=





=

Ent

n

N

Ent

p

 

f

Mf

p

Hz

S

=

=

=

1

16 60 1231

1

961 9696

,

,

 

 

Wyniki ostatniej transformaty Fouriera świadczą,  że osiągnięto wystarcza-

jącą dokładność pomiaru - amplitudy A

1-

 i A

1+

 są mniejsze od 10

-3

A

1

 

Rzeczywiste parametry badanego sygnału były: A

1

 = 10 V, f

1

 = 60,1230 Hz, 

A

7

 = 2 V, f

7

 = 420,861 Hz.  

19.3. Wykonanie ćwiczenia 

19.3.1. Pomiary harmonicznych sygnału okresowego 

Układ połączeń 

 

G

GNO

DMM

KP

PC

Monitor

p

 

 

Rys. 19.4. Schemat układu pomiarowego 

background image

 

294 

Oznaczenia 

 

G – generator napięcia sinusoidalnego, trójkątnego i prostokątnego 
GNO – generator napięcia odkształconego 
DMM – multimetr cyfrowy 
PC – komputer 
KP – karta pomiarowa 
 Uwaga: W czasie ćwiczenia należy dla stosowanej aparatury pomiarowej 
podać wielkości charakterystyczne. 
OPROGRAMOWANIE – program wykorzystujący program narzędziowy Test-
Point umożliwia: 
-  generację cyfrowych sygnałów: sinusoidalnego, poliharmonicznego, 

trójkątnego i prostokątnego 

-  monitorowanie przebiegów sygnałów i modułów sygnałów, ich widm 

amplitudowych i fazowych, odwrotnej transformaty Fouriera, przebiegów 
podstawowej harmonicznej oraz sumy wyższych harmonicznych 

-  pomiar wartości maksymalnej U

m

 sygnału, średniej z jego modułu |U|

śr

, sku-

tecznej U, skutecznej pierwszej harmonicznej U

1

, skutecznej sumy 

wyższych harmonicznych U

wh

, maksymalnej sumy wyższych 

harmonicznych U

whm

, amplitudy A

n

 i częstotliwości f

n

 dowolnej składowej 

szeregu Fouriera 

-  symulację filtru antyaliazingowego. 
 

a)  Pomiary gdy znana jest wartość częstotliwości podstawowej 

harmonicznej 

 

Postępowanie podczas pomiaru 

 

 

W tym punkcie ćwiczenia korzystamy z wirtualnego generatora fali polihar-

monicznej. Dla zadanych wartości częstotliwości  f

1

 i f

max

 = n

max

f

1

 obliczamy 

minimalną liczbę próbek M

min

 = 2(n

max

 + 1). Dla celów badawczych wybieramy 

kilkakrotnie większą wartość M = 2

l

 i wyznaczamy liczbę składników szeregu 

Fouriera  N  =  M/2 – 1, która jest jednocześnie równa maksymalnej liczbie 
okresów  p

max

, jakie można objąć oknem pomiarowym. Pomiary 

przeprowadzamy dla następujących liczb okresów p: 0,5 p

min

 = 1, p

opt

 = Ent 

(N/n

max

), p = 1,001 p

opt

 (w celu zbadania wpływu niecałkowitej  liczby okresów 

na wynik pomiaru), p

max

 = N i =  N + 2. Zadaną liczbę okresów uzyskujemy 

przez nastawienie częstotliwości próbkowania f

S

 na wartość obliczoną ze wzoru 

(19.9) (z dokładnością do 0,0001 Hz). Pozostałe wielkości w tabeli 19.3 

background image

 

295 

wyznaczamy doświadczalnie. Podczas pomiarów wygodnie jest posługiwać się 
“kursorem f ”, sterowanym myszą lub klawiszami 

↑,↓  łącznie z klawiszem 

“shift” lub bez niego. 
 Następnie badamy wpływ zmian częstotliwości f

1

 badanego sygnału na do-

kładność analizy widmowej przy zachowaniu stałej częstotliwości próbkowania 
f

S

, odpowiadającej  p

opt

. Częstotliwość  f

1 

zmieniamy o 0,05 %, 0,1 %, 0,5 %, 

i 1 %. Wyniki notujemy w tabeli 19.4. 
 Na 

zakończenie sprawdzamy, jaki wpływ na wyniki pomiarów ma dobór 

liczby próbek, niespełniający warunku M = 2

l

. Zmieniamy liczbę próbek i obli-

czamy odpowiadającą jej częstotliwość  f

S

. Po wykonaniu FFT obliczamy 

rzeczywistą liczbę próbek (uzupełnioną przez algorytm zerami) M

rz

 = 2(N

rz

 +1), 

gdzie  N

rz

 - liczba składników szeregu Fouriera - jest wskazywana jako górny 

zakres “kursora f ”. Wyniki zapisujemy w tabeli 19.5. 
 

Protokół wyników pomiaru 

 

Sygnał – fala poliharmoniczna:   A

1

 = 10 V,  f

1

 = 50 Hz,  A

2

 = 3 V,  f

2

 = f

max

 = 250 Hz,  M = 128, 

 

 

 

 

 

 

 

p

max

 = ...... 

                                                                                                                              Tabela 19.3 

Lp. 

p 

f

S

 

A

1p

 

f

1p

 

A

2p 

f

2p

 

f

Wp

 

f

gp 

n

MAXp 

U

p

 

 

 

Hz V  Hz V Hz Hz Hz 

 

1. 

0,5 

 

   

 

  

  

2. 

 

   

 

  

  

3. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
Sygnał – fala poliharmoniczna:   A

1

 = 10 V,  f

1

 = var,  A

2

 = 3 V,  f

2

 = n

max

f

1

,  M = 128,  N = ...... , 

 

 

 

 

 

 

 

p

opt 

= ...... ,  f

S

 = .................. Hz 

                                                                                                                                 Tabela 19.4 

Lp. 

f

1

 

A

1p

 

f

1p

 

A

2p 

f

2p

 

U

p

 

 

Hz V Hz V Hz V 

1. 

 

    

 

2. 

 

    

 

3. 

 

    

 

4. 

 

    

 

 

 

background image

 

296 

Sygnał – fala poliharmoniczna:   A

1

 = 10 V,  f

1

 = 50 Hz,  A

2

 = 3 V,  f

2

 = 250 Hz,  p = 8,    

 

 

 

 

 

 

 

f

W

 = f

1

/p = ........ Hz 

                                                                                                                              Tabela 19.5 

Lp. 

M 

f

S

 

M

rz

 

A

1p

 

f

1p

 

A

2p 

f

2p

 

f

Wp

 

f

gp 

U

p

 

 

 

Hz 

 

V Hz V Hz Hz Hz V 

1. 

 

96 

 

         

2. 

 

136  

         

 

Wzory i przykłady obliczeń 

 
 

Dla kilku wybranych pomiarów w tabeli 19.3 należy sprawdzić, czy ich wy-

niki są zgodne ze wzorami w tabeli 19.1. 
 Należy sformułować wnioski dotyczące doboru wartości  p,  f

S

 i M

zapewniających dokładny pomiar parametrów badanych harmonicznych i 
wartości skutecznej (oddzielnie dla amplitudy, dla częstotliwości i dla wartości 
skutecznej). 
 

b)   Pomiary gdy nie jest znana wartość częstotliwości podstawowej 

harmonicznej 

 

Postępowanie podczas pomiaru 

 

 

Źródłem sygnału jest generator napięć odkształconych o częstotliwości har-

monicznej podstawowej około 50 Hz. W celu uzyskania stabilnej częstotliwości 
należy go włączyć 20 minut przed rozpoczęciem pomiaru. Najpierw ustawiamy 
wartość skuteczną pierwszej harmonicznej na 4...5 V i mierzymy jej wartość 
multimetrem. Następnie dodajemy wyższe harmoniczne o coraz mniejszych 
amplitudach, tak aby wartość szczytowa sygnału – obserwowana na monitorze – 
nie przekroczyła zakresu przetwornika A/C. Pomiary przeprowadzamy według 
opisu w punkcie 19.2.4 dla przypadku 2. Po ostatnim pomiarze sprawdzamy 
multimetrem częstotliwość sygnału i porównujemy ją oraz wartość skuteczną 
pierwszej harmonicznej z wynikami pomiaru. Wyniki notujemy w tabeli 19.6. 

background image

 

297 

Protokół wyników pomiaru 

 

Sygnał – fala sinusoidalna odkształcona: U

1

 = ...... V, f

1

 = ........ Hz 

                                                                                                                              Tabela 19.6 

Lp. f

S

 

f

1-

 

f

1

 

f

1+

 

A

1-

 

A

1

 

A

1+

 

f

m

 

A

m

 

 

Hz Hz Hz Hz  V  V  V  Hz V 

1. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Wzory i przykłady obliczeń 

 
 Podać przykłady obliczeń niezbędnych do wykonania pomiarów. 
Oszacować niepewność pomiaru częstotliwości i wartości skutecznej 
podstawowej harmonicznej za pomocą multimetru. 
  Na podstawie porównania wyników pomiarów częstotliwości i wartości 
skutecznej podstawowej harmonicznej, wykonanych multimetrem i metodą 
analizy widma, ocenić niepewność pomiarów drugą metodą. 
 

19.3.2. Badanie zjawiska nakładania się widm 

 

Postępowanie podczas pomiaru 

 

 

W tym punkcie ćwiczenia korzystamy z wirtualnego generatora fal sinuso-

idalnych. Badamy sygnał złożony z dwóch sinusoid: pierwszej o stałej częstotli-
wości  f

1

 i drugiej o regulowanej częstotliwości  f

2

. Po każdej zmianie f

2

 

wykonujemy FFT i odczytujemy z widma amplitudowego częstotliwość  f

2p

 i 

odpowiadający jej numer harmonicznej n

p

. Gdy wyższa harmoniczna nakłada 

się na pierwszą, obserwujemy czy jej amplituda dodaje się czy odejmuje od 
amplitudy pierwszej harmonicznej. Dla dwóch ostatnich pomiarów 
wyznaczamy najbliższe częstotliwości  f

2

, które nakładają się na pierwszą 

harmoniczną.  

background image

 

298 

Protokół wyników pomiaru 

 

Sygnał – 2 sinusoidy:   A

1

 = 10 V,  f

1

 = 300 Hz, 

ϕ

1

 = 90

°,  A

2

 = 4 V,  f

2

 = var, 

ϕ

2

 = 90

°, M = 128,  

 

 

 

 

 

f

S

 = 1600 Hz 

                                                                                                                       Tabela 19.7 

f

2

  Hz  600 700 800 900 1000 1300 1400 1500 1600 

f

2p

 

Hz 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                                             

  Tabela 19.7 cd   

f

2

 

Hz  1700 1900 2200 2600 2900 3200 3500   

 

f

2p

 

Hz 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Wzory i przykłady obliczeń 

 
 Należy podać wzory, z których można obliczyć częstotliwości  f

2p

 dla 

f

= 1300 Hz i f

2

 = 3500 Hz. 

 

19.3.3. Przeciwdziałanie nakładaniu się widm 

 

Postępowanie podczas pomiaru 

 

 Badamy 

widmo 

sygnału prostokątnego, bipolarnego o amplitudach 

±A 

i współczynniku wypełnienia  w. Amplituda n-tej harmonicznej tego sygnału 
opisana jest wzorem 

 

π

π

nw

nw

Aw

A

n

sin

4

=

 (19.15) 

i stanowi mniej niż a % pierwszej harmonicznej, jeżeli  

 

π

w

a

n

n

a

sin

100

=

>

 (19.16) 

Do pomiaru amplitud pierwszych pięciu harmonicznych stosujemy minimalną 
częstotliwość próbkowania f

S1

 nieco większą od 2f

5

, a następnie - w celu usunię-

cia nakładania się widm - zwiększamy częstotliwość próbkowania do wartości 
f

S2 

≈ n

a

f

1

, gdzie a przyjmujemy równe 0,5 %. Sprawdzamy również działanie fil-

tru antyaliazingowego w postaci cyfrowego, dolnoprzepustowego filtru Butter-

background image

 

299 

wortha 10. rzędu o częstotliwości granicznej f

gr

 = 0,5 f

S1

. Przefiltrowany sygnał 

poddajemy szybkiej transformacji Fouriera z częstotliwością próbkowania f

S1

 

Protokół wyników pomiaru 

 

Sygnał – fala prostokątna:   A = 10 V,  f = 300 Hz,  A

0

 = 6 V,  w = 0,2,  M = 1024,  f

S1 

= 3200 Hz,  

f

S2 

= 102400 Hz 

                                                                                                                                 Tabela 19.8 

Lp

Częstotliwość Amplitudy 

składowych widma

 składowej 

teoretyczne 

bez filtru dla f

S1

  bez filtru dla f

S2

z filtrem dla f

S1

 

 

Hz V  V  V  V 

1.  

100 

 

  ...   

 

 

 

 

15.  

  1500 

 

 

 

 

 

Wzory i przykłady obliczeń 

 
 Należy podać przykłady obliczeń amplitud harmonicznych A

n

, numeru har-

monicznej n

a

 oraz częstotliwości próbkowań f

S1

 i f

S2

. 

 Ocenić przydatność obu zastosowanych metod do zmniejszenia wpływu na-
kładania się widm. Porównać uzyskane rozdzielczości widm w obu 
przypadkach. 
 

19.3.4. Pomiary współczynników zniekształceń 

 
 Wykorzystujemy 

analizę widmową do pomiaru współczynników zniekształ-

ceń napięcia. Na podstawie pomiarów następujących wartości napięć: 
maksymalnej U

m

, średniej U

śr

, skutecznej U, skutecznej pierwszej harmonicznej 

U

1

, skutecznej wyższych harmonicznych U

wh

 i szczytowej przebiegu czasowego 

sumy wyższych harmonicznych U

whm

 obliczamy współczynniki: 

•  współczynnik kształtu k 

 

      - 

wzór 

(23.1) 

•  współczynnik szczytu s       - 

wzór 

(23.2) 

•  współczynnik niesinusoidalności n     - 

wzór 

(23.3) 

•  współczynnik zniekształceń harmonicznych THD

f

 - 

wzór 

(23.4) 

•  współczynnik zniekształceń harmonicznych THD - wzór (23.5) 
•  współczynnik odkształcenia K 

     - 

wzór 

(23.7). 

Oprogramowanie ćwiczenia zapewnia bezpośredni odczyt mierzonych wartości 
napięć. Zostały w nim wykorzystane następujące zależności: 
 

U

u

m

m

= max

 (19.17) 

background image

 

300 

 

U

A

n

jeżeli

A

śr

n

n

n

N

=

=

=

+

2

2

1

0

2

1

2

1

1

1 2

0

π

ϕ

cos

(

)/

 (19.18) 

 

(

)

U

A FFT u

jeżeli

A

śr

m

=

0

0

0  (19.19) 

 

U

A

A

n

n

N

=

+

=

0

2

1
2

2

1

 (19.20) 

 

U

A

1

1

2

=

 (19.21) 

 

U

U

U

A

wh

=

2

1

2

0

2

 (19.22) 

 

U

IFFT

A

whm

n

n

N

=



=

max

2

 (19.23) 

gdzie u

m

 = u(mT

S

)  dla m = 0, 1,..., M-1,  A

n

 = A

n

[FFT(u

m

)]  dla n = 0, 1,..., N. 

 
  Pomiary wykonujemy dla napięć dostarczanych przez generator napięcia 
odkształconego GNO i generator napięcia sinusoidalnego G. W pierwszym 
przypadku ustawiamy wartości skuteczne i kąty fazowe poszczególnych harmo-
nicznych oraz liczbę próbek i częstotliwość próbkowania f

S

 takie, jak w pun-

kcie 19.3.1b. W drugim przypadku nastawiamy z pomocą multimetru U = 5 V, 
= 50 Hz i obliczamy oraz f

S

 zakładając, że mamy pomierzyć 50 harmonicz-

nych. Wyniki pomiarów notujemy w tabeli 19.9, a wyniki obliczeń - w tabeli 
19.10. 

Protokół wyników pomiaru 

 

Tabela 19.9 

Lp. 

U

m

 

U

śr

 

U 

U

1

 

U

wh

 

U

whm

 

 V V V V V V 

1. 

      

2. 

      

 

Tabela 19.10 

Lp. 

k 

s 

n 

THD

f

 

THD 

K 

1. 

      

2. 

      

 
 
 

Wzory i przykłady obliczeń 

 

 

background image

 

301 

 Podać wzory i przykłady obliczeń współczynników zniekształceń. 
 

19.4. Uwagi o wynikach pomiaru 

 

19.5. Literatura 

 

[1] Praca zbiorowa 

(red. Sydenham P. H.): Podręcznik metrologii. Pod-

stawy teoretyczne. Tom I. WKiŁ, Warszawa 1988 

[2] Oppenheim A. V., Schafer R. W.

: Cyfrowe przetwarzanie 

sygnałów. WkiŁ, Warszawa 1979 

[3] PN-EN 61000-4-7

: Polska Norma. Kompatybilność elektromagnety-

czna (EMC). Metody badań i pomiarów. Ogólny przewodnik 
dotyczący pomiarów harmonicznych i interharmonicznych oraz 
stosowanych do tego celu przyrządów pomiarowych dla sieci 
zasilających i przyłączonych do nich urządzeń. (Projekt normy)