Politechnika Rzeszowska Katedra Metrologii i Systemów Diagnostycznych	Grupa	1……………..................... kierownik 2......................................... 3......................................... 4.........................................	Data
Laboratorium Metrologii II
POMIARY WSPÓŁCZYNNIKA ZNIEKSZTAŁCEŃ NIELINIOWYCH	Nr ćwicz.				Ocena
				3

I. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest poznanie podstawowych zasad pomiaru współczynnika zniekształceń nieliniowych (współczynnika zawartości harmonicznych - THD, ang. Total Harmonic Distortion) oraz poznanie sposobu wyznaczania widma amplitudowego sygnału.

II. Przebieg ćwiczenia

Przed przystąpieniem do wykonywania ćwiczenia należy włączyć generator funkcyjny, miernik zniekształceń nieliniowych i nanowoltomierz selektywny w celu ustabilizowania się termicznych warunków pracy tych przyrządów.

1) Pomiar współczynnika zniekształceń nieliniowych sygnału wzorcowego

Zapoznać się z danymi technicznymi i zasadą działania miernika zniekształceń harmonicznych MZH. Podłączyć generator funkcyjny do gniazda wejściowego miernika oraz do oscyloskopu. Ustawić na generatorze przebieg sinusoidalny (wzorcowy) o częstotliwości wybranej z zakresu 100 ÷ 300 Hz. Oszacować (na oscyloskopie) wartość częstotliwości f_w i amplitudy U_mw sygnału.

W mierniku MZH włącznik „sieć” ustawić w pozycję „pomiar”, a przełącznik „zniekształcenia” w pozycji „kalibracja”, przełącznik częstotliwość maksymalnie rozstroić od częstotliwości sygnału mierzonego (np. ustawić w pozycji x100) i regulując przełącznikiem „zakres napięcia” i pokrętłem „kalibracja” ustawić na mierniku maksymalne wskazanie 10 (w ten sposób znormalizowano wartość skuteczną mierzonego sygnału na 100%),

przełącznik „zniekształcenia” w pozycji „100” i kolejno mniej aby wskazanie przyrządu było powyżej 1/3 skali podczas strojenia regulatorami, kolejno zgrubnymi oraz dokładnymi „częstotliwość” i „kompensacja”, na minimum wskazań przyrządu, do częstotliwości sygnału mierzonego (w ten sposób odfiltrowano składowa podstawową z sygnału i miernik mierzy wartość skuteczną zniekształceń zawartych w badanym sygnale).

Obliczyć wartość rozszerzonej niepewności pomiaru u_p(h_w) dla poziomu ufności p = 0,9973. Zapisać wynik pomiaru. Porównać wartość zmierzonego współczynnika zawartości harmonicznych h_w z wartością określoną przez producenta w instrukcji obsługi generatora.

2) Wyznaczanie wartości współczynnika zniekształceń nieliniowych sygnału odkształconego

a) pomiar h_x miernikiem MZH

Do gniazda wejściowego WE obiektu zniekształcającego sygnał podłączyć generator funkcyjny G, gniazdo wyjściowe WY1 połączyć z wejściem A oscyloskopu OSC, gniazdo WY2 z wejściem B, wejściem miernika zawartości harmonicznych MZH oraz wejściem LINE karty dźwiękowej komputera PC (rys. 1). Zwiększając amplitudę sinusoidalnego sygnału wejściowego, zaobserwować odkształcanie sygnału wyjściowego.

Uruchomić program OBSERWACJA.DSB (katalog Metrologia\Ćwiczenie3 na pulpicie). Zaobserwować zmiany kształtu sygnału (wykres górny - charakterystyka czasowa) oraz zmiany widma sygnału - pojawianie się dodatkowych składowych harmonicznych widma (wykres dolny - charakterystyka amplitudowa) podczas zwiększania amplitudy sygnału. Dla zadanej amplitudy sygnału przełączyć się na wyjscie WY miernika i zaobserwować kształt sygnału oraz jego widmo po wycięciu podstawowej harmonicznej (pokrętło filtru ustawione w pozycji “0”).

Rys. 1. Schemat blokowy układu do pomiaru współczynnika h_x

Oszacować (na oscyloskopie) wartość amplitudy sygnału odkształconego (kanał B) U_mx. Wyznaczyć wartość współczynnika zawartości harmonicznych h_x. Dla poziomu ufności p = 0,9973 wyznaczyć wartość niepewności rozszerzonej u_p(h_x) pomiaru. Zapisać wynik pomiaru.

b) oszacowanie h_x za pomocą nanowoltomierza selektywnego przez pomiar wartości skutecznej harmonicznych badanego sygnału

Zapoznać się z danymi technicznymi i obsługą nanowoltomierza selektywnego nV. Ustawić pokrętło zmiany czułości nanowoltomierza na najwyższy zakres pomiarowy (100mV, najmniejsza czułość). Przełącznikiem selektywności włączyć największą „selektywność oktawowa” 40dB. Połączyć układ pomiarowy jak na rys. 2.

Rys. 2. Schemat blokowy układu do oszacowania współczynnika hx

Nie zmieniając na generatorze parametrów sygnału pomiarowego, zmierzyć wartości skuteczne napięcia kilku kolejnych harmonicznych U₁,...,U_i, wartości częstotliwości kolejnych harmonicznych obliczyć jako krotność częstotliwości pierwszej harmonicznej.- pomiar wykonać zgodnie z procedurą opisaną w instrukcji obsługi nanowoltomierza. Przed pomiarem składowej podstawowej ustawić największy zakres pomiarowy nanowoltomierza. Obliczoną częstotliwość f_1-obl ustawić na przełącznikach następnie skorygować nastawienia tych przełączników tak, aby uzyskać maksymalne wychylenie wskazówki. Wpisać do tabelki ustawioną częstotliwość na przyrządzie. Dla każdej obliczonej kolejnej i-tej harmonicznej ustawionej na woltomierzu zapisać wartość zmierzonego napięcia, która jest jednocześnie kolejnym współczynnikiem w równaniu Fouriera dla badanego sygnału. Obliczyć wartość skuteczną napięcia wyższych harmonicznych U_2÷i i całkowitą wartość skuteczną napięcia U_1÷i. Korzystając ze wzoru definicyjnego THD obliczyć wartość współczynnika zawartości harmonicznych h_x.

Porównać wartości zmierzonego i oszacowanego współczynnika h_x.

3) Analiza harmoniczna przebiegu odkształconego

Na podstawie pomiarów przeprowadzonych w punkcie 2b, narysować widmo amplitudowe przebiegu odkształconego. Wykres narysować jako procentowy udział w sygnale kolejnych harmonicznych (w stosunku do wartości pierwszej harmonicznej) w funkcji rzędu harmonicznych i. Wykres porównać z wykresem otrzymanym za pomocą komputera PC.

4) Ćwiczenia dodatkowe

W miarę wolnego czasu zaobserwować (OBSERWACJA.DSB) przebiegi czasowe oraz widma amplitudowe:

1. sygnałów: sinusoidalnego, trójkątnego, prostokątnego z generatora,

2. sygnałów z mikrofonu (wejście MIC karty dźwiękowej komputera PC): samogłosek mowy ludzkiej i innych dźwięków.

Określić, co wpływa na: głośność, wysokość, barwę dźwięku?

Spis przyrządów:

Obiekt:
Miernik zniekształceń nieliniowych:
Producent:	Typ:		Zakresy pomiarowe: hN =
Zakres cz. podstawowej:		Zakres cz. harmonicznych:
Klasa przyrządu: kl =		Tłumienie cz. podstawowej:
Nanowoltomierz selektywny:
Producent:	Typ:		Selektywność:
Zakres częstotliwości:		Zakresy pomiarowe napięcia:
Oscyloskop:
Producent:	Typ:			Liczba kanałów:
Czułość: Cy =		Podstawa czasu: Ct =
Generator funkcyjny:
Producent:		Typ:
Zakres napięcia: Uw =		Zakres częstotliwości: fw =
Zawartość harmonicznych we wzorcowym sygnale sinusoidalnym: hw =

1) Pomiar współczynnika zniekształceń nieliniowych sygnału wzorcowego

Amplituda i częstotliwość sygnału wzorcowego (pomiar oscyloskopem):

THD, błąd maksymalny dopuszczalny i niepewność standardowa pomiaru sygnału wzorcowego:

Niepewność rozszerzona i końcowy wynik pomiaru THD sygnału wzorcowego:

Wymagania dla generatora (wg instrukcji) są / nie są spełnione.

2) Wyznaczanie wartości współczynnika zniekształceń nieliniowych sygnału odkształconego

a) pomiar miernikiem

Amplituda, THD i niepewność rozszerzona pomiaru sygnału odkształconego:

b) oszacowanie na podstawie definicji

i [-]	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
fi [Hz]
Ui [mV]

Wartość skuteczna wyższych harmonicznych sygnału odkształconego:

Całkowita wartość skuteczna sygnału odkształconego:

THD sygnału odkształconego:

Porównanie wartości h_x zmierzonego i obliczonego:

3) Analiza harmoniczna przebiegu odkształconego

i [-]	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
z [%]	100

Widmo amplitudowe napięcia odkształconego:

III. Wnioski

IV. Pytania kontrolne

1. Jaki efekt w dziedzinie czasu powoduje wprowadzanie przez układ zniekształceń nieliniowych sygnału?

2. Jaki efekt w dziedzinie częstotliwości powoduje wprowadzanie przez układ zniekształceń nieliniowych sygnału?

3. Na czym polega pomiar współczynnika zniekształceń nieliniowych metodą wytłumienia pierwszej (podstawowej) harmonicznej?

4. Jak na drodze pomiarowej można wyznaczyć współczynniki szeregu Fouriera?

V. Literatura

1. Chwaleba A., Poniński M., Siedlecki A.: Metrologia elektryczna, Warszawa:
   WNT, 2010.

2. Parchański J.: Miernictwo elektryczne i elektroniczne, Warszawa: WSiP, 1997r.

3. Marcyniuk A., Pasecki E., Pluciński M., Szadkowski B.: Podstawy metrologii elektrycznej, Warszawa: WNT, 1984.

4. Hagel R., Zakrzewski J.: Miernictwo dynamiczne, Warszawa: WNT, 1984r.

5. Szadkowski B.: Laboratorium metrologii elektrycznej i elektronicznej, Gliwice:
   Wyd. P. Śl., 1994.

6. Rylski A., Wojturski J.: Metrologia elektryczna, Rzeszów: OWPRz, 2013r.

Zakład Metrologii i Systemów Pomiarowych

Laboratorium Metrologii Elektrycznej i Elektronicznej. Część II.

Katedra Metrologii i Systemów Diagnostycznych

Laboratorium Metrologii II. 2013/14.

6

ćw. 3 / str. 6

---