Kurzbeschreibung des FFT-Moduls und der Netzoberwellenanalyse

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1 Kurzbeschreibung des FFT-Moduls und der Netzoberwellenanalyse Erweiterung der Software SP107 von HAMEG Stand V1.2 1

2 KURZBESCHREIBUNG DES FFT-MODULS...3 EINLEITUNG:... 3 MERKMALE DES FFT-MODULS... 4 FFT-Fenster... 4 Skalierung in db oder Linear effektiv... 4 Darstellung... 4 Druckfunktion... 4 GRUNDSÄTZLICHES ZUR FFT-ANALYSE... 5 Einleitung... 5 FFT-Analyse... 5 FFT-Fenster... 5 Eigenschaften von FFT-Fenstern... 6 Optimales FFT-Fenster... 6 Probleme bei der Signalabtastung (Aliasing)... 6 BEDIENUNG DER SOFTWARE... 7 Starten der FFT-Analyse... 7 Das FFT-Modul... 7 Der Cursor... 7 Die Druckfunktion... 7 Die { FFT CH I / II } Anzeige... 8 Die { FFT CH I } / { FFT CH II } Anzeige... 8 KURZBESCHREIBUNG ZUR NETZOBERWELLENANALYSE EINLEITUNG GRUNDSÄTZLICHES ZUM MESSAUFBAU GRUNDSÄTZLICHES ZUM MESSVORGANG BEDIENUNG DER SOFTWARE Start der Messung Das Netzoberwellenmodul Die Settings-Anzeige Auswahl der Grenzwerte Definition neuer Grenzwertlisten Löschen ganzer Grenzwertlisten

3 Kurzbeschreibung des FFT-Moduls Einleitung: Das FFT-Modul erweitert die Software um die Möglichkeit von FFT-Messungen (schnelle Fourier-Transformation). Durch die FFT-Messung wird das im Zeitbereich erfaßte Signal mathematisch in dessen Frequenzkomponenten umgesetzt und ermöglicht so eine Spektralanalyse. Die FFT ist sehr hilfreich bei der Fehlersuche und beim Verständnis für die Zusammensetzung komplexer Signale. Anwendungen sind z.b.: Überprüfung der Impulsantwort von Filtern und Systemen Messung des Oberwellengehalts Messung der Verzerrungen Identifizierung von Stör- und Rauschquellen 3

4 Merkmale des FFT-Moduls FFT-Fenster Es stehen vier FFT-Fenster (Rectangular, Hamming, Hanning und Blackman-Harris) zur Verfügung. Das Fenster Rectangular eignet sich besonders für nichtperiodische Signale wie Transienten, Impulse oder Einzelschußerfassungen. Die Fenster Hamming, Hanning und Blackman-Harris sind besonders für periodische Signale geeignet. Skalierung in db oder Linear effektiv Das Vertikalraster der FFT kann in db oder Linear effektiv gewählt werden. Die db- Skala empfiehlt sich, wenn die Beträge einen größeren Bereich überstreichen. Die linieare Darstellung eignet sich besonders zum Vergleich von Frequenzkomponenten, die eher gleiche Beträge haben, dadurch können diese besser verglichen werden. Darstellung Die tiefste Frequenz, die bei der FFT errechnet werden kann, ist DC (0 Hz), damit ergibt sich die untere Grenze. Die obere Grenze ist die Nyquistfrequenz (halbe Abtastrate). Die obere Grenze kann in 4 Schritten variiert werden,0 SR/2, 0 SR/4, 0 SR/8, 0 SR/16, wobei SR die Abkürzung für Samplerate (Abtastfrequenz) ist. Dadurch ist es möglich, sich den unteren Frequenzbereich genauer anzusehen. Es können gleichzeitig die Zeitsignale und die FFT-Signale dargestellt werden. Die Software erlaubt es die FFT beider Kanäle gleichzeitig darzustellen, sowie auch die Subtraktion beider FFT-Signale. Dadurch ist es möglich, Filterkennlinien recht einfach zu ermitteln. Druckfunktion Mittels der Druckfunktion (Print) kann die FFT gedruckt werden. Rechts neben dem Printbutton befindet sich ein Eingabefeld für die Überschrift. Es wird grundsätzlich in Farbe gedruckt. Sollte ein S/W Drucker angeschlossen sein, setzt der Drucktreiber die Farben in Graustufen um. Die Qualität dieser Umsetzung ist abhängig vom verwendeten Drucker und dessen Treiber. 4

5 Grundsätzliches zur FFT-Analyse Einleitung Der nachfolgende Abschnitt führt in die Konzepte der Messung von Frequenzkomponenten eines Signals durch FFT ein. Dieser Abschnitt ist für alle Benutzer gedacht, die mit der FFT-Messung nicht so vertraut sind. FFT-Analyse Die FFT-Analyse setzt Signale, die im Zeitbereich erfaßt werden mathematisch in deren Frequenzkomponenten um. Sie wertet hierzu sämtliche Daten der Signalaufzeichnung 2048 Punkte aus. Die FFT verarbeitet das Signal und gibt die Frequenzkomponenten des Eingangssignals von DC(0 Hz) bis maximal zur halben Abtastfrequenz (Nyquistfrequenz) aus. FFT-Fenster Die FFT-Analyse geht davon aus, daß periodische Signale erfaßt werden. Diese sollten bei der Aufzeichnung möglichst im Nulldurchgang beginnen und enden, sowie aus mehreren Zyklen bestehen. Wenn dies der Fall ist werden die Frequenzen sowie auch die Amplituden richtig berechnet. Bei einer ungeraden Anzahl von Zyklen verursachen die Übergänge zwischen den Anfangs- und Endpunkten Sprünge im Signalzug, die als hochfrequente Transienten interpretiert werden. Dies verursacht falsche Frequenzinformationen in der Frequenzbereichsdarstellung. Durch die Verwendung der Fensterfunktionen (außer Rectangle) auf das Zeitsignal, werden diese so verändert, daß die Sprünge kleiner werden. Daraus ergibt sich eine genauere Berechnung der Frequenzkomponenten. Je nach Form des Fensters werden die Frequenzen oder aber die Amplituden der Komponenten besser aufgelöst. 5

6 Eigenschaften von FFT-Fenstern Die Software stellt vier der gebräuchlichsten Fensterfunktionen zur Verfügung. Jedes Fenster stellt einen Kompromiß zwischen der Frequenz- und der Betragsauflösung dar. Das günstigste Fenster ist danach auszuwählen, was gemessen werden soll und welche Eigenschaften das Eingangssignal besitzt. Fenster Eigenschaften Zur Messung von Rectangular Auflösung der Frequenzen sehr gut, der Beträge schwach. Hat die gleiche Wirkung wie ohne Fenster Transienten oder Bursts Gleichstarke Sinussignale mit geringem Frequenzabstand. Breitbandiges Rauschen mit relativ Hanning Hamming Blackman- Harris Auflösung der Frequenzen besser, der Beträge schlechter als Rectangular Nochmals bessere Frequenzauflösung als bei Hanning Auflösung der Beträge sehr gut, der Frequenzen schwach langsam veränderlichem Spektrum. Sinussignale, periodische Signale und schmalbandiges Rauschen. Transienten oder Bursts mit deutlich unterschiedlichen Signalpegeln Sinussignale, periodische Signale und schmalbandiges Rauschen. Transienten oder Bursts mit deutlich unterschiedlichen Signalpegeln Vorzugsweise Signale mit Einzelfrequenzen, um nach Oberwellen zu suchen Optimales FFT-Fenster Der jeweils beste Kompromiß läßt sich auch empirisch bestimmen. Testen sie hierzu die Fenster nacheinander durch. Das Fenster, bei dem die Frequenzen gerade noch nicht ineinander übergehen, stellt den besten Kompromiß zwischen Frequenz und Betragsauflösung dar. Probleme bei der Signalabtastung (Aliasing) Probleme ergeben sich immer dann, wenn das Scope Signale mit Frequenzkomponenten erfaßt, die über der Nyquistfrequenz (halbe Abtastrate) liegen. Diese werden zu selten abgetastet und erscheinen um die Nyquistfrequenz gespiegelt, so daß sie im FFT-Signal als Komponenten niederer Frequenz erscheinen. Diese fehlerhaften Komponenten werden als Aliasfrequenzen (Spiegelfrequenzen) bezeichnet. 6

7 Bedienung der Software Starten der FFT-Analyse Die FFT-Analyse wird in dem Menü { Measurement / FFT } gestartet. Zu diesem Zeitpunkt sollte das Scope mit der Software verbunden und das zu analysierende Signal bereits erfaßt sein. Das FFT-Modul Das FFT-Modul ist in mehrere Fenster unterteilt, wie ein Karteikasten. Drei dieser Karteikarten entsprechen dem Anzeigemodus des Scopes. Sollte nur der erste Kanal aktiv sein, ist entsprechend { FFT CHI } zu wählen, sollten beide Kanäle aktiv sein entsprechend { FFT CHI / II }. In der Karteikarte { Settings } können die Einstellungen für die FFT-Analyse gesetzt werden. Der Cursor Der Cursor kann durch einen Klick und halten mit der linken Mousetaste verschoben werden. Der Cursor ist signalbezogen. Das bedeutet, er kann nur in der Frequenzachse verschoben werden die Spannungsachse ergibt sich automatisch. Die Druckfunktion Auf jeder Karteikarte befindet sich ein [Print] Button. Dieser dient zum Drucken der angezeigten FFT-Analyse. Direkt neben dem [Print] Button befindet sich ein Eingabefeld für die Überschrift. Es wird grundsätzlich in Farbe ausgedruckt. Sollte ein S/W Drucker angeschlossen sein, setzt der Drucktreiber die Farben in Graustufen um. Die Qualität dieser Umsetzung ist abhängig vom verwendeten Drucker und dessen Treiber. Wir haben darauf keinen Einfluß. 7

8 Die { FFT CH I / II } Anzeige Wenn beide Kanäle aktiv sind können bei dieser Anzeigeart auch beide in einer Grafik angezeigt werden. Dies kann bei der Überprüfung von Filtern sehr hilfreich sein, indem man einen Kanal vor und einen Kanal nach dem Filter anschließt. Weiterhin können hier die Kanäle voneinander subtrahiert werden { View I II } oder { View II I } (Bei der log. Darstellung werden die Kanäle dividiert { View I / II } oder { View II / I } Die { FFT CH I } / { FFT CH II } Anzeige Diese Anzeigeart stellt die FFT-Analyse eines Kanals dar. Zusätzlich zu der Cursoranzeige werden der DC-Level und der maximale Effektivwert mit seiner dazugehörigen Frequenz angezeigt. Der Cursor ist auch hier signalgebunden und es steht auch hier die Druckfunktion [Print] inkl. Überschrift zur Verfügung. 8

9 Die Settings Anzeige Hier können verschiedene Einstellungen für die FFT-Analyse vorgenommen werden. Zoom Die Zoom-Einstellung erlaubt es die obere Frequenzgrenze in 4 Schritten zu variieren, wobei SR die Abkürzung für Samplerate (Abtastfrequenz) ist. Dadurch ist es möglich sich den unteren Frequenzbereich genauer anzusehen. Log -> 0dBV = 1V Dies schaltet von der linearen auf die logarithmische Darstellung um, wobei 0dBV = 1V entspricht. Es handelt sich hierbei immer um Effektivwerte. Window Es stehen verschiedene Fenster zur Auswahl. Die Form der Fensterfunktion wird in der Grafik Angezeigt. 9

10 Kurzbeschreibung zur Netzoberwellenanalyse Einleitung Die Netzoberwellenanalyse dient der Bestimmung des Oberwellengehalt des Netzeingangstromes, den zu untersuchende Lasten im Netz verursachen. Diese Stromoberwellen werden durch nichtlineare Belastung des Wechselspannungsnetzes hervorgerufen. Durch diese nichtlinearen Belastungen wird der sinusförmige Verlauf der Netzspannung verzerrt. Diese Verzerrungen sind durch die Phasenlage bedingt, dadurch sind diese Störungen periodisch und immer ein vielfaches der Grundfrequenz (50Hz). Für diese Verzerrungen sind Grenzwerte festgelegt (EN61000). Die Grenzwerte des Oberschwingungsstromes sind nach der Ordnung (n) der Grundschwingung (50Hz) festgelegt. Oberschwingungen, die unter 5mA oder nicht mehr als nur einige Sekunden andauern, bleiben in der Regel unberücksichtigt. Näheres entnehmen sie bitte den geltenden Normen. Grundsätzliches zum Messaufbau Die Messung der Oberschwingungsströme eines Prüflings kann mit einer Stromzange (z.b. HZ 56 von HAMEG) erfolgen. Weicht die unbelastete Netzspannung von der optimalen Sinusform ab, gehen diese Abweichungen mit in das Messergebnis ein. Wird das Prüfobjekt über eine Netznachbildung betrieben, verringern sich die Abweichungen. Der Ausgang der Stromzange muß mit dem Eingang von Kanal I (INPUT CH I) verbunden sein. Das Wandlungsmaß der Stromzange kann in der Software eingestellt werden {1A = x in Volt }. Die Software ist für Messungen im 50/60Hz Netz ausgelegt. Bei anderen Netzfrequenzen muß die { Auto Freq. 50/60Hz } ausgeschaltet und die Netzfrequenz entsprechend eingetragen werden. 10

11 Grundsätzliches zum Messvorgang Die Messung wird auf der Karteikarte { Measurement } mittels des [Start] Buttons gestartet. Dieser Button wird danach in [Stop] umbenannt, um damit die Messung zu beenden. Nach dem Start wird das Scope auf Linetrigger (Netzfrequenz-Triggerung) geschaltet und die Autosetfunktion aufgerufen. Man sollte darauf achten, daß man mit der maximalen Stromaufnahme des Prüflings beginnt (maximale Last), damit die Autosetfunktion das Scope richtig einstellt. Es werden so lange die Mittel / Spitzenwerte gebildet wie die Messung läuft. Die Meßdauer ist abhängig vom Prüfling und kann in der Regel dann beendet werden, wenn die Mittelwerte/Spitzenwerte einen stabilen Zustand eingenommen haben. Wir empfehlen mindestens eine halbe Stunde unter wechselnden Lastbedingungen zu messen. Während der Messung werden die Mittelwerte ständig mit den Grenzwerten verglichen. Sollte eine Grenzüberschreitung auftreten, wechselt die Hintergrundfarbe der Tabelle von grün auf rot. Der jeweiligen Eintrag ist dann auch mit Fail gekennzeichnet. Die Spitzenwerte dürfen in der Regel die Grenzen um das 1.5 fache übersteigen, dies wird von der jeweils verwendeten Norm vorgegeben und ebenfalls überwacht. Das Ergebnis einer Messung kann gedruckt, sowie auch als Tabelle gespeichert werden, um es später weiter bearbeiten zu können. 11

12 Bedienung der Software Start der Messung Die Netzoberwellenanalyse wird in dem Menü { Measurement / Harm. current emission } gestartet. Zu diesem Zeitpunkt sollte das Scope mit der Software verbunden und das zu analysierende Signal bereits vom Scope erfaßt sein. Das Netzoberwellenmodul Das Modul startet immer mit der Settingsanzeige. Es wird empfohlen vor jedem Start einer Messung das Wandlungmaß { 1A = x in Volt } und die verwendeten Grenzlinien zu überprüfen. Die Settings-Anzeige 1A = x V Hier wird das Wandlungsmaß der Stromzange eingetragen. Beispiel: 100mV sind einzutragen, wenn die Wandlung eines Stromes von 1A eine Spannung von 100mV bewirkt. Line = x Hz Hier läßt sich die Netzfrequenz eintragen, wenn die Funktion Auto Freq. 50/60Hz abgeschaltet ist. 12

13 Pf = Hier kann der Leistungsfaktor eingetragen werde. Dieser wird für manche Messungen benötigt. Falls einer der Grenzwerte in der Tabelle unter Limit negativ (kleiner 0) eingetragen wurde, wird dieser Wert mit dem Leistungsfaktor multipliziert und positiv als Grenzwert übernommen. Einzig dafür wird der Leistungsfaktor benötigt. Auto Freq. 50/60Hz Die Netzfrequenz wird hiermit automatisch ermittelt. Dies funktioniert nur bei 50/60Hz, für andere Netzfrequenzen, ist dieser Schalter auf aus zu stellen und die Netzfrequenz manuell unter { Line = x Hz } einzutragen. Max. Hold Dies schaltet die Spitzenwerterfassung ein oder aus und somit auch die Überwachung der Max. Werte Defaultsetting Setzt alles auf die Grundeinstellung zurück Clear Harmonics Löscht die erfaßten Mittel- und Spitzenwerte. View 0 SR/x Diese Einstellung erlaubt es die obere Frequenzgrenze in 4 Schritten zu variieren, wobei SR die Abkürzung für Samplerate (Abtastfrequenz) ist. Dadurch ist es möglich, sich den unteren Frequenzbereich genauer anzusehen. Rectangle/Hanning Wählt die entsprechende Fensterfunktion Export as *.tab Exportiert die Messung im Textformat, um diese in Tabellenverarbeitungsprogramme importieren zu können. 13

14 Print Direkt neben dem [Print] Button befindet sich ein Eingabefeld für die Überschrift. Es wird grundsätzlich in Farbe ausgedruckt. Sollte ein S/W Drucker angeschlossen sein, setzt der Drucktreiber die Farben in Graustufen um. Die Qualität dieser Umsetzung ist abhängig vom verwendeten Drucker und dessen Treiber. Auswahl der Grenzwerte Auswahl Die zu verwendeden Grenzwerte können mit der Selektbox ausgewählt werden. Memo Hier kann ein beliebiger Text eingetragen werden Max. Multiplikator Dieser gibt an um welchen Faktor die Maximalwerte die Grenzen überschreiten dürfen. Relativ Bedeutet, daß die Grenzwerte in Prozent der Grundfrequenz angegeben sind. Grenzwerte Diese Tabelle zeigt die Grenzwerte an. Daneben befinden sich die Eingabefelder für neue Werte. Mit Store werden die Werte in die Tabelle übernommen. 14

15 Definition neuer Grenzwertlisten Mittels des [New] Button können neue Grenzwertlisten angelegt werden. 1. Schritt Zuerst wird der Name der neuen Grenzwertliste abgefragt. Dazu stehen 80 Zeichen zu Verfügung 2. Schritt Es wird der Multiplikator für die Spitzenwerte abgefragt. Damit wird festgelegt um welchen Faktor die Spitzenwerte die Grenzen überschreiten dürfen. 3. Schritt Wenn es sich um Grenzwerte handelt, die relativ, also in Prozent der Grundwelle angegeben sind, ist diese Frage mit Ja zu beantworten. Die Grenzwerte werden dann in Prozent eingetragen. 4. Schritt Nun können die Grenzwerte in den dafür vorgesehenen Feldern eingetragen werden. Mit Store werden die Werte in der Tabelle gespeichert. Ändern der Grenzwerte Die Werte können innerhalb der Tabelle geändert werden. Achten Sie jedoch darauf, daß sich jede Oberwellenordnung nur einmal in der Tabelle befindet. Löschen von Grenzwerten Es kann jeweils eine Zeile markiert und durch Betätigen der Entfernentaste gelöscht werden. Löschen ganzer Grenzwertlisten Durch betätigen des [Del] Button kann eine ganze Liste gelöscht werden. 15