расчёт ФВЧ, нужна помощь в расчёте ФВЧ Опции

[Nikkolaj]

Добрый день.
Мне надо измерять сумму всех высших гармоник в сети.
Для этого надо рассчитать ФВЧ с такими характеристиками.
Частоты ниже 55 Гц фильтр должен ослабить минимум в 100 раз.
Частоты выше 140 Гц фильтр должен пропускать с коэффициентом не ниже 95%.
Расчётом фильтров ранее я не занимался.
Посоветуйте пожалуйста как решить этот вопрос, какой фильтр лучше применить.
Возможно существуют готовые программные продукты для подобных расчётов.

[kovigor]

Частоты выше 140 Гц фильтр должен пропускать с коэффициентом не ниже 95%.
Посоветуйте пожалуйста как решить этот вопрос, какой фильтр лучше применить.
Возможно существуют готовые программные продукты для подобных расчётов.

А почему 140 ? Вторую гармонику игнорируете ? И, кстати, ВЧ - шумов в сети сколько угодно. При такой фильтрации вы их выделите вместе с гармониками. Попробуйте (осторожно !) записать выборку напряжения сети в файл и пофильтровать ее в том же MatLab'е. Кстати, в нем же можно и фильтры посчитать. См также книжку Сергиенко "Цифровая обработка сигналов", там есть примеры и описана работа в МатЛабе:

http://padabum.com/d.php?id=3404

И еще, вы какой фильтр хотите применить ? Аналоговый или цифровой ?

[Nikkolaj]

Спасибо за ответ.

А почему 140 ? Вторую гармонику игнорируете ?

Да, энергетики говорят, что чётных гармоник там быть не должно.
Хотя я не совсем уверен что во время каких либо переходных процессов они не появятся.
Конечно надёжнее было бы вместо 140 задать 90,
но я просто не уверен что реально удастся получить фильтр с такой крутой характеристикой, поэтому и согласился на такое послабление.

И, кстати, ВЧ - шумов в сети сколько угодно. При такой фильтрации вы их выделите вместе с гармониками.

Да, Вы правы, ВЧ-шумы действительно попадут в результат вместе с гармониками.
Значит придётся и их фильтровать, либо до ФВЧ, либо после.

И еще, вы какой фильтр хотите применить ? Аналоговый или цифровой ?

Сейчас я рассматриваю оба варианта, и аналоговый и цифровой,
а потом посмотрю, в каком варианте будет лучше результат.


Если у Вас есть опыт работы с фильтрами,
не можете ли Вы хотя бы ориентировочно сказать,
каким будет время задержки такого аналогового фильтра.
Для меня время задержки фильтра критично, оно не должно превышать 20мс.
Если у аналогового фильтра оно будет существенно больше,
тогда аналоговый фильтр можно будет и не рассматривать.

Спасибо за ссылку на книгу.

[kovigor]

Сейчас я рассматриваю оба варианта, и аналоговый и цифровой,
а потом посмотрю, в каком варианте будет лучше результат.

Я бы начал с того, что пофильтровал бы реальную выборку в MatLab'е. Например, можно выполнить над ней БПФ, прикинув количество точек исходя из требуемого разрешения по частоте. И решал бы задачу не на основе фильтра, а на основе именно БПФ. Что-то мне подсказывает, что это правильный путь ...

[_Vova]

для аналоговых фильтров есть онлайн утилиты на сайтах у АД и ТИ, бесплатный софт есть у ТИ FilterPro Desktop

[Nikkolaj]

Спасибо за ответы.

Я бы начал с того, что пофильтровал бы реальную выборку в MatLab'е. Например, можно выполнить над ней БПФ, прикинув количество точек исходя из требуемого разрешения по частоте. И решал бы задачу не на основе фильтра, а на основе именно БПФ. Что-то мне подсказывает, что это правильный путь ...

Вы советуете,
с помощью БПФ посчитать каждую из высших гармоник, а затем их просуммировать.
Я правильно Вас понял?

для аналоговых фильтров есть онлайн утилиты на сайтах у АД и ТИ, бесплатный софт есть у ТИ FilterPro Desktop

Спасибо за информацию, посмотрю.

[kovigor]

Вы советуете,
с помощью БПФ посчитать каждую из высших гармоник, а затем их просуммировать.
Я правильно Вас понял?

Я советую с помощью БПФ определить спектральный состав сигнала, выделить в нем гармоники и их амплитуды (мощности) просуммировать, или сделать с ними что-то еще, смотря по тому, что вы хотите получить. БПФ - это по сути "гребенка" цифровых фильтров.
Опробуйте это В МатЛаб'е на реальном сигнале, там ничего сложного нет ...

[Guest_TSerg_*]

..каким будет время задержки такого аналогового фильтра.
Для меня время задержки фильтра критично, оно не должно превышать 20мс.

Фазовый сдвиг на частоте 50 Гц не превысит 20 мс, для ваших условий.
Но, как было правильно сказано, в канал ФВЧ попадут гармоники + все остальное.

Если у вас микропроцессорная система, то обрабатывать надо там, а не аналогом.
Для этого подойдет гребенчатый фильтр или обработка в частотной области с использованием тех или иных разновидностей ДПФ.

[alexf]

Я бы совсем для начала взял бы низковольтный трансформатор и через него и делитель подал бы на звуковую карточку. И готовой утилитой типа Спектролаб посмотрел на что похож спектр сигнала. У приличных карточек с/ш 100 db и лучше, 16-24 бита. Исходя из этого думать дальше.

[Guest_TSerg_*]

Изучение театра действий никто не отменял - это первое, с чего надо начинать.

[kovigor]

Я бы совсем для начала взял бы низковольтный трансформатор и через него и делитель подал бы на звуковую карточку.

Тот же MatLab умеет получать данные со звуковой карточки и записывать их в файл ...

[yrbis]

Добрый день.
Мне надо измерять сумму всех высших гармоник в сети.
Для этого надо рассчитать ФВЧ с такими характеристиками.
Частоты ниже 55 Гц фильтр должен ослабить минимум в 100 раз.
Частоты выше 140 Гц фильтр должен пропускать с коэффициентом не ниже 95%.
Расчётом фильтров ранее я не занимался.
Посоветуйте пожалуйста как решить этот вопрос, какой фильтр лучше применить.
Возможно существуют готовые программные продукты для подобных расчётов.

Посмотрите программу FilterSolution http://www.filter-solutions.com/
в ней всё можно расчитать по Вашим требованиям. В том числе активные фильтры.(Скорее всего Вам понадобится именно активный)

[Guest_TSerg_*]

С данными ТС, аналоговый будет еще тем монстром - 5-7 порядка.

[_4afc_]

Мне надо измерять сумму всех высших гармоник в сети.
Для этого надо рассчитать ФВЧ с такими характеристиками.

Для начала давайте добавим ещё один параметр входной цепи вашего измерителя:

Какое входное и выходное сопротивление должно быть у аналогового фильтра?

Ведь если в вашей сети стоит нагрузка 50кВт, то её активное сопротивление меньше 1 Ома.

[Guest_TSerg_*]

А это-то здесь при чем?
Датчик того или иного типа и согласующий каскад никто не отменял.

Если так нужен именно аналоговый, посоветовал бы фильтры на переключаемых конденсаторах.
Реализуемость и удобство настройки намного выше, чем на дискретных компонентах.

[_4afc_]

А это-то здесь при чем?

Как рассчитать аналоговый фильтр не зная его сопротивлений?
Считать на 50 Ом и подключать на 1 Ом линию?

Датчик того или иного типа и согласующий каскад никто не отменял.

О! Давайте озвучим датчик и согласующий каскад которые работают с нагрузкой в сети 100-10-1 Ом (0.5-5-50кВт) или сколько там у заказчика?
И затем к выходу этого каскада уже подключим или звуковуху или аналоговый фильтр с конкретным сопротивлением.

А то тут все советуют воткнуть звуковуху прямо в розетку.

[kovigor]

А то тут все советуют воткнуть звуковуху прямо в розетку.

Не говорил я такого. И другие тоже, насколько я заметил. Что мешает использовать трансформатор ?

[Guest_TSerg_*]

Как рассчитать аналоговый фильтр не зная его сопротивлений?
Считать на 50 Ом и подключать на 1 Ом линию?

О! Давайте озвучим датчик и согласующий каскад которые работают с нагрузкой в сети 100-10-1 Ом (0.5-5-50кВт) или сколько там у заказчика?

Вероятно у Вас какая-то своя физика и электроника на ее основе.

Если человеку интересно напряжение, то используем тот или иной датчик напряжения, по выходу удобоваримый для последующей обработки.
Что это может быть?
Все, что угодно, если устраивает разработчика и заказчика: транформатор, резисторный делитель, оптронная развязка и пр.

Если интересует ток, то и для этого случая давно известны трансформаторы тока, шунты и опять же опторазвязка, а можно еще и Холл.

Как видите, возможностей много и при чем тут мощность?
Сопротивление источника сигнала, в разумных пределах, точно не волнует, достаточно поставить высокоомный развязывающий буфер.

У Вас точно своя физика и электроника.
Впрочем, я не стремлюсь узнать - какая именно. Мне хватает обычной и общеизвестной.

[Nikkolaj]

Спасибо всем за ответы.
В данном случае речь идёт об измерении тока.
По входу конечно будет стоять трансформатор тока,
который будет нагружен на ОУ в инверсном включении, с резистором в обратной связи.
ОУ обеспечит почти нулевое сопротивление нагрузки для трансформатора тока,
и нужную амплитуду сигнала для фильтра.
Выход фильтра конечно будет нагружен на высокоомный вход.

[_Vova]

ОУ обеспечит почти нулевое сопротивление нагрузки для трансформатора тока,

ток вторичной обмотки трансформатора тока может быть много больше чем выходной ток ОУ. ТТ нагрузить на шунт и измерять напряжение на шунте.

[Guest_TSerg_*]

ток вторичной обмотки трансформатора тока может быть много больше чем выходной ток ОУ. ТТ нагрузить на шунт и измерять напряжение на шунте.

Это о чем Вы? При чем тут выходной ток ОУ? Токовый трансформатор уже предполагает создание номинального тока во вторичной цепи при номинальном в первичной, т.к. замыканием вторички на резистор. Дальше все определяется диапазоном этого напряжения.
В любом случае ТС прав, ОУ создаст минимальную нагрузку для ТТ - просто неудачно выразился ( нулевое сопротивление нагрузки )

[_Vova]

Это о чем Вы?

из этих слов

трансформатор тока, который будет нагружен на ОУ в инверсном включении, с резистором в обратной связи.

я понял: автор хочет сделать преобразователь ток-напр. на ОУ, а не нагрузить ТТ на резистор/шунт
изложение мыслей с неоднозначным пониманием уже норма - "просто неудачно выразился "

[Nikkolaj]

ток вторичной обмотки трансформатора тока может быть много больше чем выходной ток ОУ. ТТ нагрузить на шунт и измерять напряжение на шунте.

Можно, конечно, и измерять напряжение на шунте.
Думаю, что оба эти варианта входных цепей вполне имеют право на жизнь,
у каждого из них есть свои преимущества и недостатки.

Шунт ухудшает характеристики трансформатора тока,
поэтому его сопротивление нужно выбирать небольшим,
соответственно на нём будет маленькое падение напряжения,
которое напрямую измерить сложно.
В большинстве случаев напряжение на шунте всё равно необходимо затем усиливать.

Вариант с ОУ в этом плане лучше, хотя у него тоже есть свои недостатки.
Во первых, как Вы правильно отметили, необходимо обеспечить ток вторичной обмотки трансформатора тока меньше выходного тока ОУ.
А для этого обычно необходимо увеличивать количество витков вторичной обмотки.
Во вторых, необходимость бороться с дрейфом нуля ОУ.
В этой схеме, другого варианта,
чем поставить электролит достаточно большой ёмкости, я не знаю.
Можете посоветовать что нибудь лучше?

Похоже, что я отклонился от темы поста.
Наверное преимущества и недостатки входных цепей для измерения тока
правильнее обсуждать в другом посте.
Просто, каждый раз , когда начинаешь что то разрабатывать,
приходится выбирать один из этих двух вариантов.

[_Vova]

Шунт ухудшает характеристики трансформатора тока,

ТТ при работе на номинальную нагрузку должен обеспечивать свои характеристики
и еще подумайте над тем, что будет если не будет подано (пропадет) питание ОУ
ПС. я не знаток ПУЭ, но ТТ тока всегда должен иметь нагруженную вторичную обмотку

[Nikkolaj]

ТТ при работе на номинальную нагрузку должен обеспечивать свои характеристики
и еще подумайте над тем, что будет если не будет подано (пропадет) питание ОУ
ПС. я не знаток ПУЭ, но ТТ тока всегда должен иметь нагруженную вторичную обмотку

Да, Вы правы.
Это ещё один недостаток этого варианта входной цепи.
Надо будет проверить величину напряжения на вторичной обмотке ТТ на холостом ходу.

[Guest_TSerg_*]

Просто, каждый раз , когда начинаешь что то разрабатывать,
приходится выбирать один из этих двух вариантов.

Умилило
Где Вы что-то начали разрабатывать?
У Вас пока, что поток неоформленного сознания с большими пробелами в электронике и электротехнике.

[Nikkolaj]

Согласен, я действительно написал это напрасно.

TSerg
С данными ТС, аналоговый будет еще тем монстром - 5-7 порядка.

Вы правы, он-лайн расчёт фильтра на сайте АД дал результат фильтр 6 порядка.
Фильтр действительно будет не подарок.

Вернёмся к измерению гармоник с помощью ДПФ.
Посоветуйте, как выбрать достаточное количество отсчётов за период сети.
Понятно что исходить надо из того,
что бы на максимальной гармонике получилось более 2 отсчётов за период.
Вопрос, на сколько больше 2 (3, 4, 5 ,...).
Исходя из чего это выбирать?
Поделитесь пожалуйста Вашим опытом.

Например,
если максимальная гармоника, которую буду измерять 15.
За период сети делать 64 отсчёта.
На 15 гармонике получится чуть больше 4 отсчётов.
Какую точность измерения 15 гармоники при этом можно получить 1%, 2%, 3%, 5%.
При условии что результат нужно измерить за 1 период сети.
Конечно точность измерения каждого отсчёта лучше 1%.

[Guest_TSerg_*]

http://www.dsplib.ru/content/win/win.html
+
требования к разрядности АЦП: СКП = LSB/sqrt(12)
и отношению С/Ш ( 6 дБ на бит )

В общем случае, для ДПФ характерны погрешности:
- П. усечения преоьразуемой функции;
- П. интегрирования;
- П. наложения боковых полос;
- П. вычислительная + квантования сетки.

[Guest_TSerg_*]

Пример генерации сигнала:

a := 0.0;
b := 1.0;
c := 0.2;
d := 0.1;
e := 0.05;
T := 2*cPi*x;
Value := a + b*Sin(T) + c*Sin(3*T) + d*Sin(9*T) + e*Sin(17*T);

Сигнал (64 точки на период):


FFT (64 точки/32 гармоники):


Таблица:


P.S.
Как видим, в случае точного попадания в бины и точность превосходная.

[Nikkolaj]

Спасибо за такой подробный ответ.
Скажите, правильно ли я понял,
что для обеспечения такого результата необходимо следить за частотой сети
(а проще за периодом сети),
и периодически корректировать длительность интервала между отсчётами.
Поскольку частота быстро измениться не может,
то такую коррекцию можно выполнять, например раз в секунду.

[Guest_TSerg_*]

Если Вы будете рассчитывать гармоники по каждому периоду основной, то имеет смысл делать так:
- измерить 1-й период ( за период );
- рассчитать шаг по времени для 2-го периода;

- набрать реализацию за второй период;
- вычислить FFT;
- измерить 2-й период по реализации и расчитать шаг для 3-го периода;

и т.д.

[Nikkolaj]

Спасибо за ответ.
Если я правильно понял, то в этом случае придётся существенно увеличить частоту отсчётов.
Для измерения длительности периода за каждый период
надо сделать гораздо больше отсчётов за период, чем для вычисления ДПФ.
Я правильно понял?

[Guest_TSerg_*]

Смотря, что понимать под "методом" измерения.
По минимуму, достаточно двух "измерений за пол-периода.

[Nikkolaj]

Спасибо за ответ.
Я знаю только один метод измерения длительности периода,
это время между соответствующими переходами через ноль.
Для измерения с дискретностью, соответствующей хотя бы 0,1Гц,
необходимо как минимум 500 отсчётов за период.

Получается, что в моём случае надо делать как минимум 512 отсчётов за период,
и по ним считать длительность периода,
а ДПФ вычислять по 64 отсчётам.
т. е. для ДПФ брать каждый восьмой отсчёт.

[Guest_TSerg_*]

Методов измерения частоты (периода) намного больше.
Между прочим, для энерго-Сетей существуют свои апробированные и внедренные методы.
См. АЧР.