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1、公司公司徽标徽标项目四项目四电气设备性能测试电气设备性能测试目录目录任务任务4 4-1 RC1 RC电路过渡过程的测试和计算电路过渡过程的测试和计算任务任务4 4-2 2 数字信号的频率测量和滤波处理数字信号的频率测量和滤波处理任务任务4 4-3 3 电力设备谐波的测试和计算电力设备谐波的测试和计算项目介绍本篇通过本篇通过RC电路过渡过程的测试和计电路过渡过程的测试和计算、数字信号的频率测量和滤波处理、算、数字信号的频率测量和滤波处理、电气设备谐波的测试和计算三个子任务电气设备谐波的测试和计算三个子任务的训练，要求学生能基于的训练，要求学生能基于LabVIEW平台平台对典型应用电路和电气设备进
2、行一般性对典型应用电路和电气设备进行一般性能测试和分析。能测试和分析。1 1、教学目标、教学目标会使用会使用LabVIEW图形显示控件显示数据分析图形显示控件显示数据分析结果；结果；会使用常用的信号分析与处理函数进行一般会使用常用的信号分析与处理函数进行一般信号测试和处理；信号测试和处理；能在能在ELVIS平台实现函数发生器、滤波器、谐平台实现函数发生器、滤波器、谐波分析仪等常用测试仪器；波分析仪等常用测试仪器；能基于能基于LabVIEW实现电路暂态分析、滤波、实现电路暂态分析、滤波、谐波分析等常用仪器功能；谐波分析等常用仪器功能；能根据测试要求进行测试系统的设计、编程、能根据测试要求进行测试
3、系统的设计、编程、调试和软硬件集成。调试和软硬件集成。能力目标能力目标1 1、教学目标、教学目标掌握掌握LabVIEW波形图控件；波形图控件；了解和掌握了解和掌握LabVIEW API；掌握掌握RC电路过渡过程和电路过渡过程和LabVIEW数据数据采集函数；采集函数；掌握滤波器的功能和分类和掌握滤波器的功能和分类和LabVIEW滤波函数滤波函数掌握谐波分析原理和掌握谐波分析原理和LabVIEW的频域的频域分析和窗函数。分析和窗函数。知识目标知识目标1 1、教学目标、教学目标培养团队协作、交流沟通能力；培养团队协作、交流沟通能力；养成良好的实训室养成良好的实训室5S操作素养；操作素养；培养自学能
4、力、文献检索能力及独培养自学能力、文献检索能力及独立工作能力；立工作能力；培养创新精神和工程规范意识。培养创新精神和工程规范意识。素质目标素质目标公司公司徽标徽标任务任务4 4-1 1 RCRC电路过渡过程的测试和计算电路过渡过程的测试和计算1 1、任务目标、任务目标任务描述任务描述认知：使用认知：使用ELVIS 函数发生器和万用表测试函数发生器和万用表测试RC 电路电路学习：使用学习：使用LabVIEW API例程观察例程观察RC 电路暂电路暂态电压变化态电压变化设计：使用设计：使用NI-DAQmx编程实现电容充放电波编程实现电容充放电波形显示和计算形显示和计算1 1、任务目标、任务目标预习
5、要点预习要点RC一阶电路的过渡过程一阶电路的过渡过程LabVIEW波形图图形显示波形图图形显示ELVIS 函数发生器和万用表函数发生器和万用表LabVIEW API2 2、任务背景、任务背景1、RC过渡过程分析过渡过程分析电路的过渡过程是指从一种稳定状态转到另一种稳定状态所需的过程时间，电路的过渡过程是指从一种稳定状态转到另一种稳定状态所需的过程时间，RC一阶电路的零输入响应和零状态响应分别按指数规律衰减增长，其变化快慢决一阶电路的零输入响应和零状态响应分别按指数规律衰减增长，其变化快慢决定于时间常数定于时间常数。零状态响应零状态响应零输入响应零输入响应RC一阶电路过渡过程一阶电路过渡过程/t
6、ceRUdtduCi)1()(/tCeUtu电路的零状态响应电路的零状态响应，/tUieR/()tCutUe电路的零输入响应电路的零输入响应，2 2、任务背景、任务背景1、RC过渡过程分析过渡过程分析过渡过程虽时间短，但在实际工作中，某些电路接通或断开产生过过渡过程虽时间短，但在实际工作中，某些电路接通或断开产生过电压、过电流不充分考虑过渡过程因素会使电气设备受损失。另外可电压、过电流不充分考虑过渡过程因素会使电气设备受损失。另外可以利用过渡过程原理制造一些电气元件。例如：时间继电器等。以利用过渡过程原理制造一些电气元件。例如：时间继电器等。、研究过渡过程的意义：、研究过渡过程的意义：RC一阶
7、电路过渡过程一阶电路过渡过程其中时间常数其中时间常数=RC，它直接影响，它直接影响Uc变化快慢程度，变化快慢程度，RC越大，越大，Uc变化越慢变化越慢,量纲为量纲为S。)1()(/tCeUtuUUeUtuC%2.63)368.01()1()(1分析：分析：,当当t=时：时：。由此可见：由此可见：的意义就是的意义就是Uc由初始值变到稳态值由初始值变到稳态值63.2%所需时间。一般认所需时间。一般认为为t=3-5（99.3%）时，即到达稳态了。）时，即到达稳态了。2 2、任务背景、任务背景波形图波形图1、波形图控件、波形图控件波形图控件可显示项波形图控件可显示项2 2、任务背景、任务背景波形图波形
8、图2、波形图接收数据类型、波形图接收数据类型单曲线数据类型单曲线数据类型第一种接收数据类型：单值数组。每个数据被视为图形中的点，从第一种接收数据类型：单值数组。每个数据被视为图形中的点，从x0开开始以始以1为增量递增为增量递增x索引。索引。第二种接收数据类型：包含第二种接收数据类型：包含x初始值、初始值、x间隔、间隔、Y值数组的簇。如下图所值数组的簇。如下图所示：在该例子中，使用示：在该例子中，使用For循环生成循环生成y数组，然后定义初始值数组，然后定义初始值x0=10和和x=2。2 2、任务背景、任务背景波形图波形图2、波形图接收数据类型、波形图接收数据类型多曲线数据类型多曲线数据类型第一
9、种接收数据类型：二维数组。数组中的一行即一条曲线。第一种接收数据类型：二维数组。数组中的一行即一条曲线。第二种接收数据类型：初始第二种接收数据类型：初始x值、值、x和和y二维数组的簇。二维数组的簇。第三种接收数据类型：两个簇构成的数组，每个簇都由第三种接收数据类型：两个簇构成的数组，每个簇都由x初始值、初始值、x 间隔和一组波形数据的簇。间隔和一组波形数据的簇。双曲线数据类型的三种形式双曲线数据类型的三种形式2 2、任务背景、任务背景波形图波形图2、波形图接收数据类型、波形图接收数据类型 波形和动态数据类型波形和动态数据类型波形和动态数据类型波形和动态数据类型波形图还也接收波形图还也接收波形数
10、据类型波形数据类型和动态数据类型，和动态数据类型，波形数据类型包含波形数据类型包含了波形的数据、起始时间和时间间隔了波形的数据、起始时间和时间间隔(t)；动态数据类型动态数据类型，用于，用于Express VI。3、任务实施用用ELVIS函数发生器和万用表测试函数发生器和万用表测试RC 电路电路利用利用ELVIS函数发生器和万用表等函数发生器和万用表等ELVIS相关相关SFP设备对设备对RC电路进行测试。完成电路进行测试。完成以下步骤来观察以下步骤来观察RC 瞬态电路的电压变化：瞬态电路的电压变化：构造构造RC 串联电路。串联电路。将万用表将万用表DMM（电压）输入端连接电容（电压）输入端连接
11、电容C两端，并选择两端，并选择DMM V。接通接通5V电源之后，观察电源之后，观察DMM 显示器显示的电压变化情况：显示器显示的电压变化情况：再次打开以及关闭电源，观察电压的上升与下降。再次打开以及关闭电源，观察电压的上升与下降。RC 串联电路串联电路ELVIS原型板接线图原型板接线图RC 串联电路串联电路 电路接线图电路接线图3、任务实施LabVIEW API例程观察例程观察RC 电路暂态电压变化电路暂态电压变化调用使用调用使用LabVIEW API的例程观察这种瞬态效应。完成以下步骤实现的例程观察这种瞬态效应。完成以下步骤实现RC 瞬态电瞬态电路电压可视化：路电压可视化：移去移去5V 电源
12、接头，更换电线连接到可变电源插槽针脚电源接头，更换电线连接到可变电源插槽针脚VPS+。将输出电压将输出电压V1 连接到连接到ACH0 和和ACH0。关闭关闭NI ELVIS 软件套件，启动软件套件，启动LabVIEW。在在Hands-On NI ELVIS VI Library 文件夹中，选择文件夹中，选择RC Transient.vi。RC 串联电路串联电路ELVIS原型板接线图原型板接线图RC 串联电路串联电路 电路接线图电路接线图3、任务实施LabVIEW API例程观察例程观察RC 电路暂态电压变化电路暂态电压变化RC Transient.vi运行前面板运行前面板RC Transien
13、t.vi程序框图程序框图程序中依次发生的事件如下：程序中依次发生的事件如下：左边的左边的VPS Initialize VI 打开打开NI ELVIS，并选定电源。并选定电源。Update VI 将将VPS输出电压设定为输出电压设定为5V。第一个顺序执行框连续测量第一个顺序执行框连续测量50 次电容器次电容器两端的电压。两端的电压。在在For 循环中，循环中，DAQ 数据采集助手数据采集助手VI 以以每秒每秒1,000 次的采样速率读取次的采样速率读取100 个采样点，个采样点，并将结果存入数组中。并将结果存入数组中。数组被传入数组被传入Mean VI，返回这，返回这100 个读数个读数的平均值
14、。的平均值。使用局部变量（使用局部变量（RC 充电与放电）将平均充电与放电）将平均值传入图表。值传入图表。第二个顺序执行框将第二个顺序执行框将VPS电压设置为电压设置为0V。最后一个顺序执行框测量放电过程中的另最后一个顺序执行框测量放电过程中的另50 个平均值采样点。个平均值采样点。3、任务实施使用使用NI-DAQmx编程实现电容充放电波形显示和计算编程实现电容充放电波形显示和计算使用数据采集卡使用数据采集卡PCI-6251的模拟量输出通道为电路提供方波激励电源；的模拟量输出通道为电路提供方波激励电源；使用模拟量输入通道测试电容两端电压；使用模拟量输入通道测试电容两端电压；利用之前学过的知识，
15、自行编程，实现电源控制、电容电压值测试、波形图显利用之前学过的知识，自行编程，实现电源控制、电容电压值测试、波形图显示、充放电时间计算等软硬件功能。示、充放电时间计算等软硬件功能。参考下图所示程序前面板，完成电容充放电波形显示和时间常数计算。参考下图所示程序前面板，完成电容充放电波形显示和时间常数计算。电容充放电波形显示和计算程序电容充放电波形显示和计算程序4、任务评价 实验中出现的各种问题及学生的实验中出现的各种问题及学生的表现进行总结表现进行总结5、任务总结通过对RC一阶电路过渡过程、LabVIEW波形图、ELVIS函数发生器和万用表的学习，实现了用ELVIS函数发生器和万用表测量RC电路
16、，用LabVIEW API例程观察RC电路暂态电压变化和使用NI-DAQmx编程实现电容充放电波形显示和计算。公司公司徽标徽标任务任务4 4-2 2 数字信号的频率测量和滤波处理数字信号的频率测量和滤波处理1 1、任务目标、任务目标任务描述任务描述认知：使用认知：使用ELVIS 了解高通、低通、带了解高通、低通、带通滤波器性能通滤波器性能学习：滤波器的分类功能和电路特性学习：滤波器的分类功能和电路特性设计：使用设计：使用LabVIEW实现常用滤波器功能实现常用滤波器功能1 1、任务目标、任务目标预习要点预习要点滤波器的功能和分类滤波器的功能和分类741 运算放大器运算放大器LabVIEW信号分
17、析函数功能信号分析函数功能LabVIEW滤波函数滤波函数ELVIS 波特图分析器和阻抗分析器波特图分析器和阻抗分析器2 2、任务背景、任务背景定义定义滤波器功能与分类滤波器功能与分类滤波是将滤波是将信号信号中特定波段中特定波段频率频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项重要措施。能实施滤波功能的装置称为滤波器。一项重要措施。能实施滤波功能的装置称为滤波器。分类分类按所采用的元器件来分：按所采用的元器件来分：按照功能来分：按照功能来分：按照信号处理的性质来分按照信号处理的性质来分：无源滤波器无源滤波器有源滤波器有源滤波器模拟滤波器模拟滤波器数字滤波器数字滤波器低通滤波
18、器低通滤波器高通滤波器高通滤波器带通滤波器带通滤波器带阻滤波器带阻滤波器从实现数字滤波器的网络结构从实现数字滤波器的网络结构或者从单位脉冲响应分类：或者从单位脉冲响应分类：无限脉冲响应（无限脉冲响应（IIR）滤波器）滤波器有限脉冲响应（有限脉冲响应（IIR）滤波器）滤波器2 2、任务背景、任务背景LabVIEW的信号分析功能的信号分析功能LabVIEW中信号处理函数模板中信号处理函数模板子选板功能说明表子选板功能说明表2 2、任务背景、任务背景LabVIEW的滤波器函数功能的滤波器函数功能LabVIEW中提供了普通中提供了普通VI和和Express快捷快捷VI两类滤波器函数。路径分别两类滤波器
19、函数。路径分别为信号处理为信号处理滤波器；滤波器；Express信号分析信号分析滤波器滤波器信号处理信号处理 滤波器滤波器VI Express 滤波器滤波器VI 贝塞尔滤波器贝塞尔滤波器(VI)LabVIEW信号处理信号处理VI中提供了十数种滤波器函数。举贝塞尔滤波器为例，中提供了十数种滤波器函数。举贝塞尔滤波器为例，通过“滤波器类型”、“输入信号通过“滤波器类型”、“输入信号X”、“采样频率”、“高低截至频率”、“采样频率”、“高低截至频率”、“阶数”等参数的设置，很方便就可以实现一种滤波器功能。“阶数”等参数的设置，很方便就可以实现一种滤波器功能。2 2、任务背景、任务背景LabVIEW的
20、滤波器函数功能的滤波器函数功能LabVIEW滤波器滤波器Express VI，通过对话框更加方便的进行滤波器类型的选择，通过对话框更加方便的进行滤波器类型的选择和各项参数的设置和各项参数的设置。Express 滤波器滤波器VI配置对话框配置对话框3、任务实施滤波器滤波器ELVIS实验实验1、在、在ELVIS面包板上，构造一个以面包板上，构造一个以741运算放大器为基本电路构建的高通滤波器电路运算放大器为基本电路构建的高通滤波器电路。其中所使用的元器件为：其中所使用的元器件为：10 k 电阻电阻R1（棕色、黑色、橙色）（棕色、黑色、橙色）100 k 电阻电阻Rf（棕色、黑色、黄色）（棕色、黑色、
21、黄色）1 F 电容电容C1 741 运算放大器运算放大器2、在、在NI ELVIS 仪器启动界面中，打开波特图分析器。仪器启动界面中，打开波特图分析器。高通滤波器电路接线图高通滤波器电路接线图高通滤波器高通滤波器ELVIS原型板接线图原型板接线图高通滤波器高通滤波器3、任务实施滤波器滤波器ELVIS实验实验3、按如下接线要求连接波特图分析器针脚：、按如下接线要求连接波特图分析器针脚：V1ACH1（来自（来自FUNCOUT）地地ACH1VoutACH0（来自运算放大器输出）（来自运算放大器输出）地地ACH04、设置如下波特图分析器扫描参数、设置如下波特图分析器扫描参数开始：开始：5（Hz）结束：
22、结束：50000（Hz）步长：步长：10（每（每10 倍频程）倍频程）5、点击运行按钮，观察高通滤波器电路的波特图。、点击运行按钮，观察高通滤波器电路的波特图。从图可知，高通滤波器低频响应出现衰减，而高频响应与运算放大器的基本相似从图可知，高通滤波器低频响应出现衰减，而高频响应与运算放大器的基本相似高通滤波器电路的波特图高通滤波器电路的波特图高通滤波器高通滤波器3、任务实施滤波器滤波器ELVIS实验实验低通滤波器低通滤波器（1）在）在ELVIS面包板上，在高通滤波器实验的基础上修改一下电路：面包板上，在高通滤波器实验的基础上修改一下电路：短接输入电容短接输入电容C1（不用移该除输入电容，因为在
23、实验（不用移该除输入电容，因为在实验3中还要使用）。中还要使用）。增加一个与增加一个与100 k 反馈电阻反馈电阻Rf并联的并联的0.01 F反馈电容反馈电容Cf。低通滤波器电路接线图低通滤波器电路接线图（2）打开波特图分析器，按实验打开波特图分析器，按实验1连接针脚；连接针脚；3、任务实施滤波器滤波器ELVIS实验实验低通滤波器低通滤波器（3）用同样的扫描参数生成第二个波特图。低通滤波器电路的波特图用同样的扫描参数生成第二个波特图。低通滤波器电路的波特图低通滤波器电路的波特图低通滤波器电路的波特图从图可知，低通滤波器高频响应出现衰减，而低频响应与运算放大器的基本相似。从图可知，低通滤波器高频
24、响应出现衰减，而低频响应与运算放大器的基本相似。（4）使用游标功能找出高频截止频率点，即幅值下降使用游标功能找出高频截止频率点，即幅值下降-3 dB 或相位变化或相位变化45度时对应度时对应的频率。的频率。（5）将实际测量结果与以下理论预测值进行比较：将实际测量结果与以下理论预测值进行比较：。ffCRfu/12。3、任务实施低通滤波器低通滤波器带通滤波器带通滤波器1、如果在运算放大器电路中同时加入输入电容和反馈电容，响应曲线将同时、如果在运算放大器电路中同时加入输入电容和反馈电容，响应曲线将同时具有低截止频率具有低截止频率fL 和高截止频率和高截止频率fU。频率范围（。频率范围（fUfL）被称
25、为带宽。）被称为带宽。例如一台优质的立体声放大器至少应具有例如一台优质的立体声放大器至少应具有20,000 Hz 的带宽。的带宽。在在ELVIS面包板上，在实验面包板上，在实验2的基础上去掉的基础上去掉C1上的短路线，其他保持不变；上的短路线，其他保持不变；2、打开波特图分析器，用同样的扫描参数生成第三个波特图。、打开波特图分析器，用同样的扫描参数生成第三个波特图。3、在最大幅值区域下方、在最大幅值区域下方3 dB 处作一条直线，这条直线上方所包含的整个频处作一条直线，这条直线上方所包含的整个频率范围就是带宽。率范围就是带宽。3、任务实施低通滤波器低通滤波器深入探索深入探索以上运算放大器及其搭
26、建的滤波器电路的阻抗值分别为：以上运算放大器及其搭建的滤波器电路的阻抗值分别为：3、任务实施低通滤波器低通滤波器深入探索深入探索在任何频率下，都可以使用阻抗分析器测量阻抗在任何频率下，都可以使用阻抗分析器测量阻抗Zf 和和Z1。LabVIEW 程序可以计程序可以计算两个复数之比，比值算两个复数之比，比值|Zf/Z1|的幅值即为增益。还可以使用阻抗分析器找出的幅值即为增益。还可以使用阻抗分析器找出R1 等于等于XC1 并且并且Rf 等于等于XCf 时的频率，从而验证波特图上读取到的下限截止频率时的频率，从而验证波特图上读取到的下限截止频率点和上限截止频率点与这些频率值相等。点和上限截止频率点与这
27、些频率值相等。ELVIS阻抗分析仪阻抗分析仪SFP 3、任务实施滤波器的滤波器的LabVIEW编程实现编程实现在上面的介绍中，我们知道在在上面的介绍中，我们知道在LabVIEW实现各类数字滤波器的功能，无须繁琐实现各类数字滤波器的功能，无须繁琐的编程，十分方便快捷。图的编程，十分方便快捷。图5-24所示为一贝塞尔低通滤波器程序的前面板，输所示为一贝塞尔低通滤波器程序的前面板，输入信号为带有均匀噪声的三个不同频率（入信号为带有均匀噪声的三个不同频率（10Hz、50Hz、100Hz）的正弦波的）的正弦波的叠加，经过贝塞尔低通滤波器滤波处理后，只有叠加，经过贝塞尔低通滤波器滤波处理后，只有10Hz频
28、率的信号清晰的显示在频率的信号清晰的显示在波形显示器上。波形显示器上。贝塞尔低通滤波器程序的前面板贝塞尔低通滤波器程序的前面板4、任务评价 实验中出现的各种问题及学生的实验中出现的各种问题及学生的表现进行总结表现进行总结5、任务总结通过学习滤波器的分类功能和电路特性，最终实现滤波器ELVIS的试验（高通、低通、带通滤波器）和滤波器的LabVIEW编程实现。公司公司徽标徽标任务任务4 4-3 3 电力设备谐波的测试和计算电力设备谐波的测试和计算1 1、任务目标、任务目标任务描述任务描述认知：频谱分析认知：频谱分析ELVIS实验实验实验（实验（1）任意波形发生和编辑实验任意波形发生和编辑实验实验（
29、实验（2）动态分析仪频谱分析实验动态分析仪频谱分析实验学习：谐波概念和学习：谐波概念和LabVIEW的频域分析和窗函数的频域分析和窗函数设计：基于设计：基于LabVIEW的谐波测试仪的设计和实现的谐波测试仪的设计和实现1 1、任务目标、任务目标预习要点预习要点电力谐波的产生和危害电力谐波的产生和危害谐波测试原理和基本参数谐波测试原理和基本参数窗函数的概念窗函数的概念LabVIEW频域分析函数频域分析函数ELVIS 任意波形发生器和动态分析仪任意波形发生器和动态分析仪2 2、任务背景、任务背景定义定义电力谐波的产生和危害电力谐波的产生和危害当工频电压或电流作用于非线性负载时，就会产生不同于工频的
30、其它频率当工频电压或电流作用于非线性负载时，就会产生不同于工频的其它频率的正弦电压或电流，这些不同于工频频率的正弦电压或电流，用傅氏级数的正弦电压或电流，这些不同于工频频率的正弦电压或电流，用傅氏级数展开，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波展开，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值（谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1）称为谐波次数。称为谐波次数。产生产生发电源质量不高产生谐波发电源质量不高产生谐波输配电系统产生谐波输配电系统产生谐波用电设备产生的谐波用电设
31、备产生的谐波（最多）（最多）危害危害高次谐波能够对电网电磁污染，使电能质量恶化，对供配电线路、高次谐波能够对电网电磁污染，使电能质量恶化，对供配电线路、电力设备正常运行产生严重影响。电力设备正常运行产生严重影响。2 2、任务背景、任务背景电力谐波的产生和危害电力谐波的产生和危害电力谐波测试之现状电力谐波测试之现状目前对电力谐波的测试主要有专业的目前对电力谐波的测试主要有专业的EMC系统和谐波分析仪等，系统和谐波分析仪等，前者价格十分昂贵，一般在专业评估机构才有配备；后者价格同前者价格十分昂贵，一般在专业评估机构才有配备；后者价格同样不菲，且功能固化，不能满足不同场合的谐波测试对测试仪器样不菲，
32、且功能固化，不能满足不同场合的谐波测试对测试仪器的功能和性能的不同要求。利用虚拟仪器技术，基于的功能和性能的不同要求。利用虚拟仪器技术，基于LabVIEW开开发平台，可以方便的开发高精度、多测量参数、功能可扩展的谐发平台，可以方便的开发高精度、多测量参数、功能可扩展的谐波测试系统，在弥补传统谐波分析仪的不足的同时，也可以大大波测试系统，在弥补传统谐波分析仪的不足的同时，也可以大大的降低了系统的成本。的降低了系统的成本。2 2、任务背景、任务背景谐波分析原理及相关参数谐波分析原理及相关参数谐波分析原理谐波分析原理knntnAatu1000)sin()()sin(00tnAn对于周期为对于周期为T
33、=2/0 0的非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到的非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量。与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量。以电压以电压U(t)为例，在满足狄里赫利条件下，可分解为如下表达式：为例，在满足狄里赫利条件下，可分解为如下表达式：（其中（其中 n=1,2,3k）式中：）式中：称为称为n n次谐波，次谐波，A An n 为为n n次谐波的幅值。次谐波的幅值。对上式信号进行谐波分析，通常要给出总谐波畸变率（对上式信号进行谐波分析，通常要给出总谐波畸变率（THD）、）、信号噪声电压信号噪声电压比（比
34、（SINADSINAD）及各次谐波占有率（及各次谐波占有率（Pn n）等测量参数。）等测量参数。求模拟信号连续频谱的一般方法是对其作傅立叶变换，其数学方法即为离散傅求模拟信号连续频谱的一般方法是对其作傅立叶变换，其数学方法即为离散傅立叶变换（立叶变换（DFT）。但）。但DFT计算是相当繁复的，而快速傅立叶变换计算是相当繁复的，而快速傅立叶变换FFT作为一项信作为一项信号处理史上革命性的技术给号处理史上革命性的技术给DFT计算提供了快捷的手段，是当今应用最多的谐波测计算提供了快捷的手段，是当今应用最多的谐波测量方法之一，它极大地提高了频谱分析时的计算效率，减少了计算机内存的占用。量方法之一，它极
35、大地提高了频谱分析时的计算效率，减少了计算机内存的占用。非正弦周期性交变量的各次谐波含有率的平方和的平方根值，简称畸变非正弦周期性交变量的各次谐波含有率的平方和的平方根值，简称畸变率，通常用百分数表示。计算公式为：率，通常用百分数表示。计算公式为：它是非正弦周期性波形的一个重要数字特征量，用以衡量波形畸变的程它是非正弦周期性波形的一个重要数字特征量，用以衡量波形畸变的程度。许多国家规定，低压电力网供电电压的总谐波畸变度。许多国家规定，低压电力网供电电压的总谐波畸变 率不得超过率不得超过5%5%。通。通常认为符合这种标准的工业用电常认为符合这种标准的工业用电 的电压波形是工业的正弦波形。的电压波
36、形是工业的正弦波形。信号噪声电压比（信号噪声电压比（Signal noise and distortion Signal noise and distortion，SINADSINAD）定义为作为“信号”的基波频率分量的定义为作为“信号”的基波频率分量的RMSRMS与作为“噪声”的直至与作为“噪声”的直至1/21/2采采样频率的全部非基波、非谐波的频率分量（样频率的全部非基波、非谐波的频率分量（DCDC除外）的除外）的RMSRMS之和以及作为“之和以及作为“失真”的全部谐波频率分量的失真”的全部谐波频率分量的RMSRMS之和的和之比，计算公式为：之和的和之比，计算公式为：2 2、任务背景、任务
37、背景谐波分析原理及相关参数谐波分析原理及相关参数谐波测试各参数的意义谐波测试各参数的意义201()signalnoiseharmonicVSINADogVV 总谐波畸变率总谐波畸变率(Total harmonic distortion(Total harmonic distortion，THD)THD)各次谐波占有率（各次谐波占有率（Pn n）各次谐波分量与基波分量的比值，用百分数来表示。各次谐波分量与基波分量的比值，用百分数来表示。2 2、任务背景、任务背景谐波分析原理及相关参数谐波分析原理及相关参数傅里叶变换是研究整个时间域和频率域的关系傅里叶变换是研究整个时间域和频率域的关系但是，周期延
38、拓后的信号与真实信号是不同的，原来的信号被截断以后，其频但是，周期延拓后的信号与真实信号是不同的，原来的信号被截断以后，其频谱发生了畸变，产生了能量泄漏现象，影响了测量的精度。谱发生了畸变，产生了能量泄漏现象，影响了测量的精度。为了减少频谱能量泄漏，可采用不同的截取函数对信号进行截断，截断函数称为了减少频谱能量泄漏，可采用不同的截取函数对信号进行截断，截断函数称为窗函数，简称为窗。选择合适的窗函数，使采样窗函数宽度正好和基频信号的一为窗函数，简称为窗。选择合适的窗函数，使采样窗函数宽度正好和基频信号的一个整周期相等，就可以较为接近于真实的频谱。个整周期相等，就可以较为接近于真实的频谱。窗函数的
39、类型较多，实际应用的窗函数，可分为以下主要类型：窗函数的类型较多，实际应用的窗函数，可分为以下主要类型：幂窗幂窗采用时间变量某种幂次的函数，如矩形、三角形、梯形或其它时采用时间变量某种幂次的函数，如矩形、三角形、梯形或其它时间（间（t）的高次幂；）的高次幂；三角函数窗三角函数窗应用三角函数，即正弦或余弦函数等组合成复合函数，例应用三角函数，即正弦或余弦函数等组合成复合函数，例如汉宁窗、海明窗等；如汉宁窗、海明窗等；指数窗指数窗采用指数时间函数，如采用指数时间函数，如e-st形式，例如高斯窗等形式，例如高斯窗等注意：加窗函数可能降低频率分辨率。为了克服这种下降，提高采样率并比例增大采样时注意：加
40、窗函数可能降低频率分辨率。为了克服这种下降，提高采样率并比例增大采样时间间窗函数的概念窗函数的概念2 2、任务背景、任务背景LabVIEW的谐波分析和窗函数的谐波分析和窗函数LabVIEW波形测量函数波形测量函数LabVIEW提供了基于提供了基于FFT算法的算法的Express VI、波形、波形VI的丰富的频域分析处的丰富的频域分析处理函数，使用这些函数，可以快捷的地进行时域理函数，使用这些函数，可以快捷的地进行时域-频域的转换，频谱、功率频域的转换，频谱、功率谱、频响及相干函数的分析，路径：函数模板谱、频响及相干函数的分析，路径：函数模板信号处理信号处理波形测量。波形测量。2 2、任务背景、
41、任务背景LabVIEW的谐波分析和窗函数的谐波分析和窗函数用用LabVIEW函数测试计算各参数函数测试计算各参数 FFT频谱（幅度频谱（幅度-相位）相位）VI：计算时间信号的平均：计算时间信号的平均FFT频谱，以幅度频谱，以幅度和相位返回和相位返回FFT值值.FFT频谱（幅度频谱（幅度-相位）相位）VI 谐波失真分析谐波失真分析VI：输入一个信号，进行完全谐波分析，包括测量基频和：输入一个信号，进行完全谐波分析，包括测量基频和谐波，并返回基频、所有谐波幅值电平，以及总谐波失真谐波，并返回基频、所有谐波幅值电平，以及总谐波失真(THD)。谐波失真分析谐波失真分析VI 2 2、任务背景、任务背景L
42、abVIEW的谐波分析和窗函数的谐波分析和窗函数用用LabVIEW函数测试计算各参数函数测试计算各参数 SINAD分析分析VI：接收一个信号，进行完全的信号与噪声失真比：接收一个信号，进行完全的信号与噪声失真比(SINAD)分析，包括测量基频和以分析，包括测量基频和以dB为单位返回基频和为单位返回基频和SINAD。频谱测量频谱测量ExpressVI：进行基于：进行基于FFT的频谱测量，如信号的平均幅度的频谱测量，如信号的平均幅度频谱、功率谱、相位谱。频谱、功率谱、相位谱。SINAD分析分析VI 频谱测量频谱测量ExpressVI对话框对话框2 2、任务背景、任务背景LabVIEW的谐波分析和窗
43、函数的谐波分析和窗函数用用LabVIEW函数测试计算各参数函数测试计算各参数 失真测量失真测量ExpressVI：在信号上进行失真测量，如音频分析、总谐波失真：在信号上进行失真测量，如音频分析、总谐波失真(THD)、信号与噪声失真比、信号与噪声失真比(SINAD)。失真测量失真测量ExpressVI对话框对话框2 2、任务背景、任务背景LabVIEW中实现窗函数中实现窗函数LabVIEW的波形的波形VI提供了海明窗、汉宁窗、三角窗、提供了海明窗、汉宁窗、三角窗、Blackman 窗等窗等20余种余种窗函数。如图所示，路径：函数模板窗函数。如图所示，路径：函数模板信号处理信号处理窗。窗。LabV
44、IEW 窗函数窗函数VI 下图所示为标准正弦信号在加了汉宁窗处理前后的信号图和频谱下图所示为标准正弦信号在加了汉宁窗处理前后的信号图和频谱图，从频谱图的纵坐标可以看出，加窗处理以后明显比未加窗之前图，从频谱图的纵坐标可以看出，加窗处理以后明显比未加窗之前减少了频谱泄露现象。减少了频谱泄露现象。程序中使用到的汉宁窗函数的具体算法为：程序中使用到的汉宁窗函数的具体算法为：2 2、任务背景、任务背景LabVIEW中实现窗函数中实现窗函数应用应用cos1 5.0XiYiNi/)2(其中：其中：Yi 和和 Xi分别为信号输入输出序列，分别为信号输入输出序列，N 为信号为信号X的样本量。的样本量。3、任务
45、实施ELVIS频谱分析实验频谱分析实验任意波形发生和编辑实验任意波形发生和编辑实验启动启动NI ELVIS，选择，选择Arbitrary Waveform Generator(ARB)任意波形发生器，任意波形发生器，该仪器可以选择或编辑任意波形信号，通过该仪器可以选择或编辑任意波形信号，通过DAC0和和DAC1两个模拟量输出通道两个模拟量输出通道输出。输出。点击点击SFP上上DAC0的浏览图标，打开波形文件库，选择的浏览图标，打开波形文件库，选择1VSine100.wdt文件。文件。当单击当单击DAC0的的Play按钮，幅值为按钮，幅值为1伏的伏的1000Hz的正弦波将被输送到的正弦波将被输送
46、到ELVIS装置装置DAC0的引脚上。连接的引脚上。连接Oscilloscope(Scope)示波器通道示波器通道A的输入口到的输入口到DAC0引引脚，可以观察到该脚，可以观察到该1000Hz的正弦波信号。的正弦波信号。点击任意波形发生器界面上的点击任意波形发生器界面上的Waveform Editor 按钮，可以打开波形编辑按钮，可以打开波形编辑器，实现多个信号的叠加波形（选择器，实现多个信号的叠加波形（选择New Component），或是分时信号的叠加），或是分时信号的叠加波形（选择波形（选择New Segment）。）。编辑结束后将结果保存为编辑结束后将结果保存为wdt文档，即可以在任意
47、波形发生器上通过浏览图标文档，即可以在任意波形发生器上通过浏览图标打开并输出。打开并输出。3、任务实施ELVIS频谱分析实验频谱分析实验任意波形发生和编辑实验任意波形发生和编辑实验任意波形发生器任意波形发生器SFP 波形编辑器波形编辑器3、任务实施ELVIS频谱分析实验频谱分析实验使用动态分析仪进行频谱分析使用动态分析仪进行频谱分析在在NI ELVIS启动界面上，选择启动界面上，选择Dynamic Signal Analyzer(DSA)动态信动态信号分析仪，动态信号分析仪是用来分析信号频谱的仪器，通过动态信号号分析仪，动态信号分析仪是用来分析信号频谱的仪器，通过动态信号分析仪可以直接得到输入
48、信号的频谱。分析仪可以直接得到输入信号的频谱。在动态信号分析仪在动态信号分析仪SPF上设置合适的频率范围、分辨率、信号电压范围上设置合适的频率范围、分辨率、信号电压范围和平均模式，将和平均模式，将Source Channel选择选择ACH0+，并将之前任意波形发生，并将之前任意波形发生器编辑产生的信号由器编辑产生的信号由DAC0引脚连接引脚连接ACH0+，ACH0-引脚接地。点击运引脚接地。点击运行，可以在动态信号分析仪行，可以在动态信号分析仪SPF上看到信号的频谱上看到信号的频谱.3、任务实施ELVIS频谱分析实验频谱分析实验使用动态分析仪进行频谱分析使用动态分析仪进行频谱分析动态信号分析仪
49、动态信号分析仪SPF 3、任务实施基于基于LabVIEW的谐波测试仪的设计和实现的谐波测试仪的设计和实现（1）系统构成方案）系统构成方案测量系统总体构成图测量系统总体构成图3、任务实施基于基于LabVIEW的谐波测试仪的设计和实现的谐波测试仪的设计和实现（2）数据采集参数设定数据采集参数设定根据数据采集装置，选用数据采集助手或是仪器驱动程序进行测试任务的根据数据采集装置，选用数据采集助手或是仪器驱动程序进行测试任务的初始化、组态设置、关闭等操作。此外，提供测量功能（电压初始化、组态设置、关闭等操作。此外，提供测量功能（电压/电流）、信号电流）、信号范围可选，采样点、采样率可调。需要注意的是：范
50、围可选，采样点、采样率可调。需要注意的是：根据奈奎斯特采样定理，根据奈奎斯特采样定理，谐波测量的采样频率设置应满足：谐波测量的采样频率设置应满足：fnfs2其中：其中：fs是数据采集卡的采样率，是数据采集卡的采样率，fn是是n次谐波的频率。如：要测量工频次谐波的频率。如：要测量工频50Hz交流电的交流电的20 次谐波，其频率是次谐波，其频率是1000Hz，所以采样率至少设置为，所以采样率至少设置为2KS/s。（3）谐波分析的参数计算）谐波分析的参数计算如上所述，调用如上所述，调用LabVIEW 信号分析中信号分析中FFT频谱（幅度频谱（幅度-相位）、谐波失真相位）、谐波失真分析、分析、SINA