LUCRAREA NR 18 MSURAREA DISTORSIUNILOR18.1 MSURAREA DISTORSIUNILOR ARMONICE Noiunea de distorsiune se utilizeaz numai n raport cu un semnal sinusoidal. Astfel, prin distorsiune se nelege abaterea formei unui semnal de la cea ideal (sinusoidal). Un semnal sinusoidal ideal ar trebui s fie reprezentat printr-o component sinusoidal unic. Semnalele reale sunt reprezentate prin rezultanta unei sume de componente sinusoidale, ca urmare se abat mai mult sau mai puin de la forma ideal. Abaterea unui semnal sinusoidal de la forma ideal se exprim cantitativ prin gradul de distorsiune. Distorsionarea unui semnal poate fi provocat de sursa care genereaz semnalul (oscilator, generator de semnal, reea de c.a., etc.) sau de ctre diportul parcurs de semnal (amplificator, modulator, etc.), datorit neliniaritii caracteristicii de transfer a acestora. Ca urmare, gradul de distorsiune poate caracteriza fie un semnal i prezint interes din punct de vedere al analizei semnalelor, fie un diport, cnd prezint interes din punct de vedere al analizei liniaritii diporilor. Msurarea gradului de distorsiune este necesar n special n domeniul transmisiilor radio i de televiziune i telefoniei pentru a asigura sunet i voce de calitate; de asemenea, n sistemele de reglaj automat i n reelele de curent alternativ, pentru reducerea pierderilor i a perturbaiilor. Cteva valori limit ale gradului de distorsiune admise n practic sunt urmtoarele: 0,01%, pentru generatoarele de semnal utilizate n distorsiometre, analizoare de und i de spectru precum i n aparate de precizie; 0,1...0,5%, pentru aparatura electroacustic Hi-Fi; 1...1,5%, pentru canalele de sunet normale din radio-televiziune; 2%, pentru echipamentele telefonice; 3...5%, nivel tolerabil pentru urechea uman; 5...10%, nivel tolerabil pentru reeaua de curent alternativ. Deoarece gradul de distorsiune este un parametru global, msurarea nu permite i o caracterizare calitativ a semnalului prin acest parametru n sensul cunoaterii contribuiei fiecrei armonici la valoarea rezultat. Att timp ct valoarea lui este sub o limit impus informaia este suficient, dar n activiti de proiectare de multe ori este necesar analiza n domeniul frecven a

reziduului deformant rezultat ca semnal de ieire n domeniul timp. Pornind de la descompunerea n serie Fourier a unui semnal periodic:

u(t ) = U 0 + U 1 sin(t + 1) +

n= 2

U

n

sin(nt + n )

(18.1)

rezult descrierea matematic a gradului de distorsiune i a reziduului deformant:2 2 2 2 U 2 + ... + U n U 2 + ... + U n d = 100 U a = 100 [%] sau = 100 U a = 100 [%] (18.2) 2 2 U U1 U1 U 1 + ... + U n n care U este tensiunea total, U1 este componenta fundamental, Ua este valoarea efectiv a

tensiunii armonicilor ce constituie reziduul deformant, U0 este componenta medie, d i , gradul de distorsiune n dou modaliti de exprimare care dau rezultate foarte apropiate pentru distorsiuni sub 10% iar n este ordinul armonicii.A. Msurarea distorsiunilor armonice cu distorsiometrul

Pentru distorsiometru este mult mai simplu de implementat practic relaia de calcul a gradului de distorsiune d. Din analiza acestui parametru rezult c un distorsiometru trebuie s conin un filtru care s rejecteze fundamentala i un voltmetru de valori efective pentru msurarea reziduului deformant raportat la valoarea efectiv a semnalului. Plecnd de la aceste premise, rezult schema bloc din fig. 18.1. Blocul esenial al distorsiometrului l reprezint filtrul pentru rejecia fundamentalei, FRF. Acest filtru trebuie sa aib o caracteristic cu o selectivitate ridicat sau o caracteristic trece-sus cu pant abrupt i cu o atenuare de min. 80 dB (10-4) in ambele variante, fig. 18.2. Pentru determinarea gradului de distorsiune a unui semnal, acesta este adus n prim etap n domeniul de msurare prin blocul de condiionare DTI cu Sw1 i P1 pentru indicaie maxim (100%) pe funciunea U selectat din Sw3. In a doua etap Sw3 este trecut pe msurarea reziduului deformant Ua, acesta rezultnd din semnalul iniial prin rejectarea fundamentalei de ctre filtrul selectat cu Sw2 i acordat cu P2 i P3. Indicaia rezultat n procente pentru d este adus n domeniul de afiare optim prin modificarea gamei voltmetrului de ieire din Sw4. In cazul distorsiometrelor semi-automate i automate multe din aceste reglaje nu sunt prezente. Automatizarea principal o constituie acordul FRF pentru minim la ieire i msurarea relativ n care tensiunea total reprezint referina iar reziduul deformant, eventual amplificat, valoarea msurat. Dei valoarea efectiv este cea cerut de definiia gradului de distorsiune, totui multe distorsiometre utilizeaz msurarea valorii medii din considerente de

simplitate a prii de voltmetru.Reglaje n trepte

Sw 1

Sw 2

U Ua

Sw 4 Sw3

ui

DTI

FRF

DTO

V

P1

P2 Reglaje continui

P3

Osc.

Figura 18.1 Distorsiometrul: schema bloc simplificat.DTI = condiionor de semnal de intrare; FRF = filtru pentru rejectarea fundamentalei; DTO = condiionor de semnal de ieire; Sw1 = selectare gam de msur; Sw2 = selectare band de frecven; Sw3 = selectare mod de lucru; Sw4 = selectare gam grad de distorsiune; P1 =reglaj de etalonare 100%; P2, P3 = acord FRF; Osc. = ieire reziduu deformant.1E+00 1E+00

a1E-01 1E-02 1E-03 1E-04 1E-05 1E-01 1E-02 1E-03 1E-04

a

f A1

f1E-05

f A1

f A2

f

a)

b)

Figura 18.2 Caracteristica filtrului de rejectare a fundamentalei n cazul: a) FOB; b) FTS Exemplu de distorsiometru - Analizorul de distorsiuni HP 8903E avnd performanele:

B.

frecvena fundamental: 20 Hz 100 kHz; domeniul de afiare: 0,0001% - 100%; intervalul tensiunilor de intrare: 50 mV 300 V; mod de detecie a tensiunii: valoare efectiv; distorsiune rezidual: -80 dB sau 15 V n banda 20 Hz 20 kHz.Msurarea distorsiunilor armonice cu voltmetrul selectiv

Voltmetrul selectiv permite determinarea att a distorsiunilor armonice ct i a celor de intermodulaie prin msurarea amplitudinilor spectrale descrise de o serie Fourier. Schema bloc simplificat este dat n figura 18.3,

Ui ff

AS1

f

M

fOL + f fOL - f

FTJ f3dB