Применение квадратурной демодуляции для измерения параметров сигнала
Authors: Сенченко А.Р. , Серов А.Н. 
Published: October 2024

В настоящее время среди параметров сигналов электрических сетей наибольший интерес представляют такие параметры, как среднеквадратическое значение (СКЗ), частота, амплитудный спектр, активная, реактивная и полная мощности. Поскольку большинство нагрузок таких сетей, как правило, нелинейные, то происходит искажение формы сигналов напряжения и, в большей степени, тока. Реальные напряжение и ток относятся к классу полигармонических сигналов: содержат спектральные составляющие (гармоники), кратные основной частоте сигнала. Известные методы измерения СКЗ, амплитудного спектра, активной, реактивной и полной мощности гармоник для случая полигармонических сигналов основаны на определении комплексных спектров напряжения и тока. В работе рассмотрено измерение спектра электрических сигналов методом квадратурной демодуляции. В случае применения данного метода измерения, основными источниками погрешности измерения параметров сигнала являются: неидеальности амплитудночастотной характеристики выходного фильтра демодулятора, наличие гармоник в спектре сигнала, отклонение частоты входного сигнала от номинального значения. В данной работе рассмотрено влияние использованных фильтров различных типов (БИХ, КИХ и каскадногребенчатых) на значение погрешности измерения амплитудного спектра. Выполнено имитационное моделирование в программах Matlab и Simulink. Получены результаты имитационного моделирования для каждого из рассмотренных типов фильтров для следующих случаев: входных сигналы синусоидальные входных сигналы полигармонические входных сигналы синусоидальные с искажением белым шумом. Для случая синусоидальных входных сигналов рассмотрено влияние отклонения частоты входного сигнала от номинального значения. Выполнено сравнение использованных фильтров с точки зрения сложности реализации и погрешности измерения. Показано, что среди рассмотренных фильтров наименьшей погрешности измерения амплитудного спектра удается достичь при применении интеграторовгребенчатых фильтров (ИГФ). Данный тип фильтра также является наиболее простым с точки зрения аппаратной реализации (среди рассмотренных типов фильтров). Рассмотрена возможность применения дополнительного КИХ фильтракомпенсатора для повышения точности измерения.
Abstract Currently, among the parameters of signals of industrial networks, the most interesting are such parameters as rootmeansquare (RMS), active, reactive and apparent power. Since most devices that are loads for such networks are nonlinear loads, the waveform of voltage and mostly of current is distorted. Real voltage and current belong to the class of polyharmonic signals: contains spectral components (harmonics), that are multiples of the main frequency of the signal. The known methods for measuring the RMS, amplitude spectrum, active, reactive and apparent harmonic power for the case of polyharmonic signals are based on the determination of the complex voltage and current spectra. The paper considers the measurement of the spectrum of electrical signals by the method of quadrature demodulation. The main sources of measurement error are: the amplitudefrequency characteristic of the output filter of the demodulator, the presence of other harmonics in the signal spectrum, the deviation of the frequency of the input signal from the nominal value. In this paper, we consider the influence of the used filters of various types (IIR, FIR and cascadecomb) on the value of the measurement error of the amplitude spectrum. Simulation modeling was performed in Matlab and Simulink programs. The results of simulation modeling were obtained for each of the considered filter types for the following cases: input signals are sinusoidal input signals are polyharmonic input signals are sinusoidal with white noise distortion. For the case of sinusoidal input signals, the effect of the frequency deviation of the input signal from the nominal value is considered. Comparison of the used filters is made in terms of implementation complexity and measurement error. It is shown that among the considered filters the smallest error in measuring the amplitude spectrum can be achieved with the use of cascadedintegratorscomb filters (CIC). From the point of view of hardware implementation among the filters considered, the most simple is the CIC. To improve measurement accuracy to reduce the bandwidth unevenness of the resulting filter an additional FIR filter compensator can be used.