一种基于labview失真度测试仪设计实现

电网系统存在谐波污染严重的现象，影响电力设备的正常运行。谐波治理前，需要充分了解电网中谐波次数及谐波含量，开展谐波失真度的研究。

本文采用一种基于FFT变换法的设计方案。首先将输入信号进行等间隔采样，再依次经过信号调理电路、A/D电路转换后，使用PC机对输入信号进行快速傅立叶变换，形成被测信号幅度-频率数组，最终计算得到失真度数值。

1 基于FFT变换法的失真度仪测量原理

1.1 快速傅立叶变换(FFT)

输入信号为周期函数时，可以直接分解为整倍数频率的各分量和，同时也包含一定的直流分量。

(公式1)其中，

，代表着周期函数基波角频率数值；，代表着各频率成分振幅数值；，代表着各频率成分初相角数值。

经过数据的离散化处理，能得到在计算机上方便计算的算式。

(公式2)

公式2中，N代表周期内的采样点数。

利用计算机实现离散傅立叶算法（DFT）时，需要把周期函数分解表示为指数函数的线性组合。

(公式3)

利用Wn的周期性、对称性，可以把一个长序列的DFT分解成为短序列DFT，直到最终分解成N/2个2点DFT。1.2 谐波失真度

失真的周期振荡信号电压值，既包含基波电压分量，又包含了各次谐波分量。通过数学计算，可以将该信号展开成其傅立叶级数形式来表示。

(公式4)

f(t)代表含有谐波失真的正弦波，直流分量为A0/2，An为第n次谐波振幅，n为失真正弦波中所含最高谐波次数，ω0为标准正弦波角频率，Φn为第n次谐波相对于基波的初相角。

正弦波的失真度数值，可以用所有谐波能量之和的平方根与基波能量之比来代表，即：

(公式5)

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公式5中，u1为基波电压有效值，各次谐波电压有效值分别用u2、un来表示。为了计算出信号失真度，就要求出各次谐波的幅度数值。在实际的测量计算中能够比较容易的实现，通常设计和使用的失真度测量仪所测出的数值为各谐波电压有效值/总的电压有效值来代替，具体计算见公式6。

(公式6)本失真度测试仪的设计采用频域分

析的方法，通过计算出其傅立叶系数，C1、Cn等数值，最后得到失真度大小数值。

2 基于LabVIEW失真度测试仪的设计思路

采用FFT变换，通过虚拟仪器的方式来实现失真度测试仪，原理框图如图1所示。

图1 测试仪原理框图

采用美国NI公司LabVIEW软件所提供的图形化设计语言，完成对被测试信号的采集、输入周期信号波形显示、信号傅立叶变换、幅频曲线显示、傅立叶基数系数计算及对各种类型的输入信号失真度计算和失真度结果显示。外围配套硬件主要包括：各种内置插卡（数据采集板卡）和完成测试所需的各种通用

仪器仪表设备。

2.1 虚拟失真度测试仪流程框图

在本设计中采用通过软件模拟的方法，来获得本系统工作所需的各种不同的信号输入，即先在流程框图中编制一个简单的信号发生器模块。通过进行不同的参数设置，该简单信号发生器分别可以模拟出方波、正弦波以及锯齿波等

周期信号。

一种基于四川九洲电LabVIEW器失集团真有度限测责任试公仪司

设张王 计 维实涛维现

孙 昌 淼 畅 ELECTRONICS WORLD・技术交流行前面板布局的划分，依次将显示单元、控制单元排列在前面板中。

其中显示部分可以完成对各种类型原始输入信号的显示，也能够对经过数字信号变换处理后的最终计算结果进行直观显示。通过对仪器前控制面板中的各项参数进行设置，可以实现对该虚拟失真度测试仪的参数和功能切换控制，前面板的详细设计实现如图3所示。

图3 前面板设计

图3中的前面板右上方区域能够显示出输入信号的基波频率、各次谐波频率和谐波幅度数值，其大小可以通过设置harmonic控制界面中的数值来改变。2.3 失真度测试仪框图程序的设计

为了完成本虚拟失真度测试仪的程序设计，采用在整体结构上使用一个Sequence结构单元来实现的方式。在软件程序框图设计的内部，主要包含了两部分内容：一部分是信号发生器单元；另外一部分就是信号处理单元。这两部分均是通过利用Case窗函数来完成功能实现的。由于信号处理部分的功能实现起来难度比较大，因而采用定制子仪器的方法将每一个微小的功能单元，均设计开发成一个个分

图4 软件功能框图程序

立的子仪器。通过这种“化整为零”的巧妙

设计思路，既可以降低软件流程框图开发的复杂程度，同时又能很方便的对虚拟仪器中的数据信号流进行动态跟踪，也有利于仪器开发者能够快速的完成软件功能的调试工作。软件功能框图程序如图4所示。

下面分别对图4中所采用的几个功能模块的用途以及如何使用作以简单介绍。

图2 计算THD的原理框图（1）谐波分析模块（Harmonic Analyzer.vi）这是本虚拟仪器设计中软件部分的核心模块。通过它可以对一个输入信号的自功率谱序列进行分析计算，得出其基波成分和谐波成分，同时还能计算出总谐波失真度（THD%）和总谐波失真度与噪声之和（%THD+Noise），如图5所示。开展虚拟失真度测试仪的系统实现论证、指标分解后，可以按功能将内部的具体实现划分为四个部分：信号发生单元、测量单元、数值解析单元以及显示单元。软件编程的功能实现框图如图2所示。

能够利用谐波分析仪，计算出信号在非线性系统中的输入% THD。也能够发现输入信号的能量谱中其基波以及各次谐波的比例数值，再通过后续的一系列计算过程，最终计算出系统中的% THD以及% THD+Noise数值。

在非线性系统的输出中使用时域窗VI单元，可以通过自功率谱VI，将功率谱输入到谐波分析仪中，分别计算出其幅度数值和谐波频率、THD及%THD数值。包括通过使用#harmonics功能单元，可以来灵活设置VI需要查找的谐波次数，最终在Harmonics Amplitudes区域以及Harmonics Frequencies控制区域中能够很直观的显示其幅度值和频率的数值。2.2 失真度测试仪前面板设计实现

本系统的前面板设计共分成两部分：即以左边、右边分区的形式进

图5 谐波分析模块

（2）自功率谱函数模块（ Auto Power Spectrum .vi ）

使用FFT求出时域信号的单边功率谱。谐波分析函数在此基础上给出各次谐波的频率和幅值，并按照谐波失真的定义来计算THD。

（3）

窗函数功能模块（ Scaled Time Domain Window .vi ）• 147 •

ELECTRONICS WORLD・技术交流（5）前面板对象属性模块

在该属性模块中，其内部结构设计如图6所示。可以在程序属性模块中进行不同的设置，对程序运行的性质进行定制后，能够获得更加友好的人机界面。

3 测试结果

分别开展了对方波、正弦波、三角波、锯齿波输入进行谐波失真度测试工作。限于篇幅，本文仅对输入信号为方波

图7 输入方波测试结果

和三角波时的情况进行描述。3.1 当输入为方波信号时

由虚拟信号产生模块中产生出频率为1KHz、占空比50%、信号幅度1V的方波信号。

对于该输入方波信号，根据数字信号处理理论可知，其理论失真度数值：%THD=41.41。(计算到第7次谐波)。测试结果见图7。

此时，本虚拟仪器的理论测量误差仅为：±0.01%。

我们通过对采样点数、采样率选取

图8 输入三角波测试结果

不同的数值，将它们进行对比后，可以得出：当我们所选取的采样周期为整数个信号输入周期时，该输入信号的失真度测量数值会达到最小。但在实际的测量过程中，要做到实际所选采样频率是输入信号频率完全严格的整数倍是非常困难的，所以必须要考虑更一般的不是整数倍的实际情况。

对于一般的输入信号，所采用的解决办法为：

将经过FFT变换后的频谱数据文件，求出最大值，并记下基波频率相应的位置lmax，把[0，lmax+lmax/2]这一段值作为基波分量的有效值来使用，最终计算出失真度数值。图6 前面板对象属性模块设计

3.2 当输入为三角波信号时

测试结果如图8所示。

在谐波分析模块中使用了快速傅立叶变换算法，而快速傅立叶变换本身会存在频谱泄漏问题，影响谐波测量的精度。为了能更好地解决频谱泄漏问题带来的测量误差，通过比较在本仪器设计中最终优选汉宁窗函数来完成滤波，实际结果表明其效果比较好。

（4）信号发生器功能模块

该模块总体上采用Case软件设计结构，依次用来产生：标准频率正弦波、三角波、方波以及锯齿波信号。

4 结论

根据前面的研究，我们可以得出：对任意的采样数据（其谐波分量可以不同，包括其初始相位、幅度数值等也可以不相同）添加汉宁窗函数后，进行FFT变换，可以有效的使频谱主瓣加宽，边瓣减少。通过此方式能够把因计算机处理引入的附加误差值减到最小，更好的达到对测试仪测试精度的要求。

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