DE4134472A1 - Verfahren zum messen des klirrfaktors eines wechselspannungssignales - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen des Klirrfaktors eines Wechselspannungsignales beliebiger Frequenz durch rechnerische Analyse des zugehörigen Frequenzspektrums sowie eine Anordnung zum Ausführen eines solchen Verfahrens.

Der Klirrfaktor von Wechselspannungssignalen, der kenn­ zeichnend ist für das Verzerrungsmaß des Wechselspannungs­ signales und durch das Verhältnis der Amplitude der Grundwelle zur Amplitude der ersten, zweiten, dritten oder noch höheren Oberwelle des Wechselspannungssignales definiert ist, wird bisher meist analog mit Hilfe eines Notchfilters oder eines Hochpasses gemessen (Klirrfak­ tormeßfahren nach DIN 45 403, Blatt 2, Juni 1963). Es ist auch bekannt, den Klirrfaktor digital nach dem Verfahren der schnellen Fouriertransformation (FFT, Fast-Fourier-Transformation) zu messen. Beide bekannten Verfahren haben Nachteile, die Analogmessung mittels Filter besitzt den Nachteil, daß bei tiefen Frequenzen die Filter lange Einschwingzeiten besitzen, was zu langen Meßzeiten führt, bei der Digitalmessung mit FFT ist die Anzahl der Abtastwerte vorgegeben und es können daher nicht ganze Perioden des Wechselspannungssignales ausgewertet werden, es sei denn, es wird zusätzlich noch eine Fensterfunktion verwendet, wodurch jedoch infolge der dabei stattfindenden Überdeckung der eng benachbarten Linien bei tiefen Frequenzen wiederum nicht gemessen werden kann.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Messen des Klirrfaktors zu schaffen, das bei beliebigen auch tiefen Frequenzen ein schnelles Messen ermöglicht. Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeich­ nende Merkmale gelöst. Eine vorteilhafte Weiterbildung ergibt sich aus dem Unteranspruch.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren ermöglicht das schnelle Messen des Klirrfaktors von Wechselspannungssignalen auch von sehr niedriger Frequenz, an einem 10 Hz-Grund­ wellensignal kann beispielsweise der Klirrfaktor in weniger als 250 ms gemessen werden, wozu bei einem bekannten Verfahren mindestens 5 s nötig sind.

Für die Bestimmung einer einzigen oder gegebenenfalls auch mehrerer ganzer Perioden des Wechselspannungssignals gibt es die verschiedenartigsten analogen oder digitalen Möglichkeiten. Im einfachsten Fall wird mit der Pegel­ erkennungsschaltung jeweils der Nulldurchgang des Signals festgestellt, ab diesem ersten festgestellten Nulldurch­ gang wird dann das Signal im Speicher abgespeichert bis wieder der nächste Nulldurchgang in der gleichen Richtung festgestellt wird, auf diese Weise kann so eine ganze Signalperiode zwischen zwei gleichartigen Nulldurchgängen bestimmt werden. In gleicher Weise können natürlich auch mehrere aufeinanderfolgende volle Perioden des Signals bestimmt und abgespeichert werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, über die Pegelerkennungsschaltung jeweils aus dem Maximum des Signals eine volle Periode des Signals zu bestimmen, diese Ausnutzung des Maximums erhöht die Meßgenauigkeit noch um 6 dB. Es ist aber auch möglich, irgendeinen beliebigen Pegel für die Ableitung des Beginns und des Endes des Abspeicherns des Signals d. h. zum Bestimmen jeweils einer ganzen Periode oder eines Viel­ fachen hiervon auszunutzen. Die Bestimmung einer ganzen Periode kann bei einem Analogsignal unmittelbar durch einen entsprechenden analogen Pegelerkenner, beispiels­ weise Nulldurchgangerkenner, durchgeführt werden. Nachdem für die anschließende Auswertung des so bestimmten Signalteiles sowieso eine Digitalisierung nötig ist, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, auch die Pegel­ erkennung unmittelbar auf digitalem Wege durch einen entsprechenden digitalen Pegelerkenner durchzuführen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer schematischen Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild einer Anordnung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Wenn das zu messende Wechselspannungssignal als Analogsignal vorliegt, wird dieses über eine Abtastschaltung 4 zunächst in ein entsprechendes Digitalsignal S umgesetzt, das dann einem digitalen Pegelerkenner 1 zugeführt wird. Wenn das zu messende Wechselspannungssignal bereits als Digitalsignal S vorliegt, wird es unmittelbar dem digitalen Pegelerkenner 1 zugeführt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel erkennt der Pegelerkenner 1 bei­ spielsweise, wann das digitale Wechselspannungssignal S jeweils einen Nulldurchgang N in gleicher Richtung durchläuft. Auf digitalem Wege ist dies einfach dadurch zu erkennen, daß beispielsweise die zunächst negativen Zahlenwerte der Abtastwerte A positiv werden, also ein Nulldurchgang in Richtung von negativ zu positiv fest­ gestellt wird. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 steuert dieser Nulldurchgangs-Erkenner 1 einen Speicher 2 und einen Zähler 3. Beim Erkennen des ersten Nulldurchganges N1 wird derSpeicher 2 gestartet und es werden in ihm die nachfolgenden digitalen Abtastwerte A des Signals S abgespeichert, bis über den Nulldurchgangs-Erkenner 1 der nächste gleichartige Nulldurchgang N2 erreicht ist und damit das Abspeichern der Abtastwerte A gestoppt wird. Auf diese Weise wird beispielsweise eine ganze Periode des Signals S im Speicher 2 gespeichert. Über den Zähler 3 wird gleichzeitig die Anzahl X der Abtast­ werte A dieser ganzen Signalperiode zwischen den Null­ durchgängen N1 und N2 gezählt. Aus dieser so ermittelten Anzahl X der Abtastwerte und der Anzahl n der im Speicher 2 abgespeicherten Perioden des Signals S (beim Abspeichern von nur einer einzigen ganzen Periode zwischen N1 und N2 ist n=1, wenn 2 Perioden zwischen N1 und N3 gespei­ chert sind ist n=2) ist damit die Frequenz des Wechsel­ spannungssignals bestimmbar.

Zur rechnerischen Bestimmung des Klirrfaktors wird ein bekanntes Verfahren zur diskreten Fourieranalyse (DFT) benutzt, wie dies beispielsweise in dem Buch "Digitale Systeme zur Signalverarbeitung" von Schüßler im Springer-Verlag 1973, Seiten 165 bis 170 näher beschrieben ist.

Dazu werden aus der ermittelten Anzahl X der für eine Periode erforderlichen Abtastwerte in einer Tabellen­ erzeugungseinrichtung 5 Sinus- und Cosinus-Tabellen von gleicher Länge wie das abgespeicherte Signal S im Speicher 2 erzeugt, bei Abspeicherung einer einzigen Signalperiode (n=1) also beispielsweise eine Sinus-Tabelle SIN von gleicher Länge wie diese Signalperiode und eine Cosi­ nus-Tabelle COS von ebenfalls gleicher Länge. Aus diesen Sinus- und Cosinus-Tabellen wird durch Korrelation mit dem im Speicher 2 gespeicherten Signalteil nach dem bekannten DFT-Verfahren zunächst die Amplitude der Grundwelle des Signals S berechnet und dann die Amplitude der zweiten Oberwelle des Signals, daraus kann dann der Klirrfaktor K2 berechnet werden. In gleicher Weise kann durch anschließende Bestimmung der Amplitude der dritten Oberwelle der Klirrfaktor K3 berechnet werden usw., es können so nacheinander die Klirrfaktoren K für sämtliche Oberwellen berechnet werden. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird also nicht mehr das ganze Signal spektral analysiert, sondern es werden nur an den ausgewählten Punkten des Spektrums durch DFT die entsprechenden Amplitudenwerte ermittelt, so daß das erfindungsgemäße Verfahren sehr schnell ist.

Fig. 2 zeigt schematisch für zwei ganze Perioden (n=2) eines Wechselspannungssignals S die zugehörigen Sinus­ und Cosinus-Verläufe SIN bzw. COS, die in Abhängigkeit von der Anzahl der Abtastungen in dem Tabellenerzeuger 5 erzeugt und dort als Tabellen abgespeichert sind. In diesem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 mit n=2 sind beispielsweise 770 Abtastungen zwischen den Nulldurch­ gängen N1 und N3 erforderlich, um die zwei ganzen Perioden im Speicher 2 abzuspeichern. Aus dieser Anzahl X=770 werden dann die Sinus-Tabellen SIN und COS in der gleichen Länge erzeugt, aus denen dann nach dem bekannten DFT-Korrelations-Verfahren unter Berücksichtigung von n die Amplitude der Grundwelle und die Amplitude der gewünschten Oberwelle ermittelt und daraus dann der Klirrfaktor errechnet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise mittels eines Rechners ausgeführt, der über eine die erfindungs­ gemäßen Verfahrensschritte bestimmenden Software pro­ grammiert ist.

Claims (1)

1. Verfahren zum Messen des Klirrfaktors eines Wechsel­ spannungssignals beliebiger Frequenz, dadurch gekennzeichnet, daß durch Pegelerkennung mindestens eine ganze Periode des Signals bestimmt wird, dieser Signalteil digitalisiert wird und die digitalen Abtastwerte (A) dieses Signalteils in einem Speicher gespeichert werden, dann aus der Anzahl (X) der benutzten Abtastwerte (A) eine Sinus- und Cosinus-Tabelle von gleicher Länge wie der Signalteil berechnet wird und damit nach dem Verfahren der diskreten Fouriertrans­ formation (DFT) durch Korrelation zwischen dem gespei­ cherten Signalteil und diesen Sinus- und Cosinus-Tabellen die Amplitude der Grundwelle und die Amplitude mindestens einer Oberwelle des Signals und daraus dann der Klirr­ faktor für diese Oberwelle bestimmt wird.