Измерение электрических величин, Много вопросов Опции

[iit]

С недавних пор пришлось вплотную заняться измерениями и сразу обнаружил у себя кучу пробелов в этой области.
Короче, задача следующая:
С шунтирующего резистора снимается напряжение 50Гц и через измерительный усилитель подается на АЦП. Высокочастотные шумы при минимальном сигнале составляют 1/4 часть от амплитуды. Нужно измерить действующее (средневыпрямленное) значение напряжение с точностью 0,5% и период сигнала. Максимальное время измерения 1 сек.
Не мудрствуя лукаво средневыпрямленное измерял следующим образом: за 8 или 16 периодов складывал по модулю значения с АЦП и делил на объем выборки. Складывая значения без модуля - получал смещение. Но..
Первое с чем столкнулся "кривость" характеристики АЦП (AD7865) из-за нее погрешность составляла 5-10%. Для этого пришлось лианеризовать характеристику. Брал с образцового ЦАП напряжение и подавал на АЦП, короче получилась таблица размером 16 кБ.
ВНИМАНИЕ ВОПРОС!
Есть ли другие способы избавиться от погрешностей АЦП.
Каким образом можно точно измерить период сигнала (через ФНЧ пропустить?), по переходам через ноль не очень хорошо получается, потому как из-за шумов этих переходов слишком много получается.
И еще есть большое желание избавиться от шумов, но допускать изменения фазы нельзя.

[BVU]

Как показывает практика у всех ADC характеристика нелинейна (будь они - последовательного приближения или двойного интегрирования). Переход через ноль (с минуса на плюс) всегда внесет нелинейность, поэтому лучше выбрать способ измерения от нуля и выше (до напряжения опоры). Здесь получаются свои ньюансы. Характеристика напоминает - логариф. Поэтому необходимо выбрать наиболее линейный участок, а в качестве нуля подобрать постоянную составляющую с которой Ваш 'квази ноль' будет начинаться. Что касается фильтров перед ADC, то это классика (в зависимости от требуемой полосы Вашего сигнала), которая необходима при дальнейшем математическом (спектральном) анализе.

[BlackJack]

Каким образом можно точно измерить период сигнала (через ФНЧ пропустить?), по переходам через ноль не очень хорошо получается, потому как из-за шумов этих переходов слишком много получается.
И еще есть большое желание избавиться от шумов, но допускать изменения фазы нельзя.

Любой ФНЧ повернет фазу, другое дело , насколько. Если делать не сильно навернутый и срез не слишком близко к измеряемой частоте, то и сдвиг будет маленький, и самое главное, заренее известный. Думаю, от активного фильтра не увернуться, иначе так и будешь блох ловить.

[Edashkin]

Первое с чем столкнулся "кривость" характеристики АЦП (AD7865) из-за нее погрешность составляла 5-10%. Для этого пришлось лианеризовать характеристику. Брал с образцового ЦАП напряжение и подавал на АЦП, короче получилась таблица размером 16 кБ.

Не верю, что 14-ти разрядный АЦП настолько врёт - скорее всего, вмешивается оцифровка шумов при малом объёме выборки, либо недоиспользован динамический диапазон АЦП.

Не мудрствуя лукаво средневыпрямленное измерял следующим образом: за 8 или 16 периодов складывал по модулю значения с АЦП и делил на объем выборки. Складывая значения без модуля - получал смещение.

Вначале надо узнать точно период, за нечётное число периодов сложить значения без модуля для того, чтобы узнать смещение. Если есть смещение, то по переходу через ноль сигнала период узнать не всегда возможно, лучше пользоваться первой производной. Сумма массива производных и смещённого на полупериод массива производных должна быть минимальной.

Фильтровать лучше цифровым фильтром - для него можно точно посчитать смещение фазы.

[iit]

  Не верю, что 14-ти разрядный АЦП настолько врёт - скорее всего, вмешивается оцифровка шумов при малом объёме выборки, либо недоиспользован динамический диапазон АЦП.

Нет, причина именно в АЦП. Измерение напряжения на входе АЦП образцовым прибором дает верный результат. После применения таблицы АЦП тоже дает правильную цифирь

Не мудрствуя лукаво средневыпрямленное измерял следующим образом: за 8 или 16 периодов складывал по модулю значения с АЦП и делил на объем выборки. Складывая значения без модуля - получал смещение.

Вначале надо узнать точно период, за нечётное число периодов сложить значения без модуля для того, чтобы узнать смещение. Если есть смещение, то по переходу через ноль сигнала период узнать не всегда возможно, лучше пользоваться первой производной. Сумма массива производных и смещённого на полупериод массива производных должна быть минимальной.

Фильтровать лучше цифровым фильтром - для него можно точно посчитать смещение фазы.

Понятно, что для определения средневыпрямленного значения нужно точно знать период.
А почему надо брать именно нечетное количество периодов для определения смещения?
Какаим образом получаем массив первых производных? (dU/dt ?)

[Edashkin]

Понятно, что для определения средневыпрямленного значения нужно точно знать период.
А почему надо брать именно нечетное количество периодов для определения смещения?
Какаим образом получаем массив первых производных? (dU/dt ?)

- Насчёт нечётного количества периодов - извиняюсь, заработался. Хотел сказать следующее: за некоторое количество периодов просуммировать отдельно измерения по чётным полупериодам и по нечётным полупериодам, после чего найти разность сумм.
- По-простому массив первых производных - это массив разностей между соседними выборками.

[anton]

Если мошный процессор то для определения частоты можеш сделать БПФ найти максиум и взвесить их с соседними для увеличеня точности.

[Stanislav]

Каким образом можно точно измерить период сигнала (через ФНЧ пропустить?), по переходам через ноль не очень хорошо получается, потому как из-за шумов этих переходов слишком много получается.
И еще есть большое желание избавиться от шумов, но допускать изменения фазы нельзя.

Любой ФНЧ повернет фазу, другое дело , насколько. Если делать не сильно навернутый и срез не слишком близко к измеряемой частоте, то и сдвиг будет маленький, и самое главное, заренее известный. Думаю, от активного фильтра не увернуться, иначе так и будешь блох ловить.

Нет, от активного фильтра увернуться можно, только нужно применить более подходящий для поставленной задачи АЦП - сигма-дельта. Найти можно у максима, аналог девиц, ЛТ и др. фирм. Эквивалентный фильтр НЧ их очень "хороший" и имеет строго линейную ФЧХ.
Период можно быстро и точно определить корреляционными методами. Если он меняется в узком диапазоне, выигрыш в вычислениях по сравнению с ДПФ может быть значительным, кроме того, не нужны таблицы синусов.

[Panych]

Сначала хотел открыть новую тему, но набрел на эту и решил чуть ее продолжить. У меня задача - измерять среднеквадратичное напряжение сети 220В 50Гц. Желаемая точность измерения так же 0.5%. Но можно в принципе и погрубее. Усреднять можно за период до 30 секунд (с потолка цифра).
Как я понял, тут речь шла о измерении непосредственно с силовой стороны? А после трансов несерьезно измерять? Конечно, откалибровав.
Изначчально ориентировался на сигма-дельта АЦП, возможно, встроенные в микроконтроллер. Но может у кого есть "полезные ссылки" по данной тематике?

[yung]

Сначала хотел открыть новую тему, но набрел на эту и решил чуть ее продолжить. У меня задача - измерять среднеквадратичное напряжение сети 220В 50Гц. Желаемая точность измерения так же 0.5%. Но можно в принципе и погрубее. Усреднять можно за период до 30 секунд (с потолка цифра).
Как я понял, тут речь шла о измерении непосредственно с силовой стороны? А после трансов несерьезно измерять? Конечно, откалибровав.
Изначчально ориентировался на сигма-дельта АЦП, возможно, встроенные в микроконтроллер. Но может у кого есть "полезные ссылки" по данной тематике?

Что касается того, с какой стороны мерить - дело вкуса (точнее, требований по наличию/отсутствию гальванической развязки). Несильно нагруженный транс больших искажений амплитуды не даст.
Я недавно решал проблему измерения среднеквадратического значения следующим образом. Помимо АЦП, встроенного в МК (ATMega64) я заложил в схему компаратор, отслеживающий переход через ноль. По первому переходу (начало положительной полуволны) через ноль запускал АЦП в циклическом режиме, в прерываниях по готовности возводил результат в квадрат, суммировал эти квадраты и увеличивал счетчик числа измерений (естественно, в начале цикла измерения эти переменные обнуляются). По второму переходу (т.е. окончание положительной полуволны) АЦП выключался, а результат вычислялся как корень квадратный от отношения суммы квадратов к числу измерений. Отрицательные полуволны я не учитывал, поскольку сигнал все равно симметрировался разделительным конденсатором по входу нормирующего усилителя. Это в упрощенном виде, поскольку
еще определся еще коэф-т передачи для этого усилителя, частота измеряемого напряжения и т.п.
Насчет дельта-сигма АЦП, ИМХО, идея не самая лучшая, т.к. реальная частота нашей сети может (и обязательно будет) отличаться от тех идеальных 50Гц, с которым работает АЦП. Назначение этих АЦП - очистить постоянку от 50 Гц , а не наоборот.

[Massi]

AD629....АналогДивайсис...высоковольтный измерительный ОУ...там даже схемы есть....возьми и будет тебе щастя...точность бешенный...фильтр там дан...на ОР

[Panych]

спасибо! ... пока буду работать, может еще споткнусь и постучусь

[Stanislav]

Сначала хотел открыть новую тему, но набрел на эту и решил чуть ее продолжить. У меня задача - измерять среднеквадратичное напряжение сети 220В 50Гц. Желаемая точность измерения так же 0.5%. Но можно в принципе и погрубее. Усреднять можно за период до 30 секунд (с потолка цифра).
Как я понял, тут речь шла о измерении непосредственно с силовой стороны? А после трансов несерьезно измерять? Конечно, откалибровав.
Изначчально ориентировался на сигма-дельта АЦП, возможно, встроенные в микроконтроллер. Но может у кого есть "полезные ссылки" по данной тематике?

Простите, а почему нужно измерить именно среднеквадратичное напряжение сети? Со всеми помехами? Может быть, речь идет все-таки о предварительном выделении частоты 50 Гц и определении ее амплитудного (действующего) значения?

[Stanislav]

Что касается того, с какой стороны мерить - дело вкуса (точнее, требований по наличию/отсутствию гальванической развязки). Несильно нагруженный транс больших искажений амплитуды не даст.
Я недавно решал проблему измерения среднеквадратического значения следующим образом. Помимо АЦП, встроенного в МК (ATMega64) я заложил в схему компаратор, отслеживающий переход через ноль. По первому переходу (начало положительной полуволны) через ноль запускал АЦП в циклическом режиме, в прерываниях по готовности возводил результат в квадрат, суммировал эти квадраты и увеличивал счетчик числа измерений (естественно, в начале цикла измерения эти переменные обнуляются). По второму переходу (т.е. окончание положительной полуволны) АЦП выключался, а результат вычислялся как корень квадратный от отношения суммы квадратов к числу измерений. Отрицательные полуволны я не учитывал, поскольку сигнал все равно симметрировался разделительным конденсатором по входу нормирующего усилителя...

Мне такой подход не кажется точным, т.к. компаратор чувствителен к помехам в сети (а они бывают довольно мощные). Кроме того, частоту дискретизации нужно выбирать довольно высокой, иначе точность результата пострадает. Лучше уж взять после запуска АЦП фиксированное кол-во выборок, соответствующее одному или нескольким периодам и расчет производить по ним. Тогда можно получить значение, более близкое к RMS.

...Насчет дельта-сигма АЦП, ИМХО, идея не самая лучшая, т.к. реальная частота нашей сети может (и обязательно будет) отличаться от тех идеальных 50Гц, с которым работает АЦП. Назначение этих АЦП - очистить постоянку от 50 Гц , а не наоборот.

Это почему же АЦП должен обязательно подавлять 50 Гц? Вовсе не так. Берите выборку герцах на 200-400 - и наслаждайтесь...

Кстати, есть очень эффективные алгоритмы вычисления амплитуды (действующего значения) напряжения с фиксированной частотой, например, Гёрцеля, да и я вот тут еще прикинул... Если интересно - расскажу.

[__nik__]

измерять переменный напряг можно и по одному полупериуду( так даже точнее). если очень помех много можно конечные измерения в волтах усреднить за определенное кол-во измерений.
1 подобрать делитель чтобы не перещитывать корень из 2х!
2 счет ведется от 0 до 0 с максимально разумной скоростью выборки 8000... 1мгц
чем скорость выше тем точность выше
3 поделить сумму амплитуд на коэффициент
4 все

точность по такой реализации составляла при 220в=0.5в. всем диаппазоне линейна от 0 до 380в

[Fachleute]

Кстати, есть очень эффективные алгоритмы вычисления амплитуды (действующего значения) напряжения с фиксированной частотой, например, Гёрцеля, да и я вот тут еще прикинул... Если интересно - расскажу.

Интересно, расскажите пожайлуста...

[nadie]

измерять переменный напряг можно и по одному полупериуду( так даже точнее).

А как вы боретесь в этом случае с zero offset, и zero drift. Возможно, что для заявленной вами точности это и не очень существенно, то в принципе предложенный вами алгоритм, IMHO, должен включать очень хорошо реализованную калибровку нуля.

[__nik__]

измерять переменный напряг можно и по одному полупериуду( так даже точнее).

А как вы боретесь в этом случае с zero offset, и zero drift. Возможно, что для заявленной вами точности это и не очень существенно, то в принципе предложенный вами алгоритм, IMHO, должен включать очень хорошо реализованную калибровку нуля.

я так понимаю это мне....
zero offset и zero drift в условии измерения синуса всегда одна итаже. точность измерения обусловлена больше выпрямительной частью, на прямом диоде падает 0,6..1,2в тут ничего не поделать поэтому точность у нуля скажем вольт до 5...15 сложно выжать более пары вольт может и по более, обычно при измерении 220в такие значения не нужны если нужно маленькое значение померить тосхему нужно перещитать в этом случае сигнал будет схож с предыдущим. смещение и дрейф при большом кол-ве измерений отсекаются в математике их значения редко превышает более 1.5 lsb на 1000 измерений разброс будет при делении не болшим. вот так и боремся. если измерение одно то действительно это придется учесть хотябы увеличив входной сигнал в 2 раза, то есть чтоб искажения были не существенна. добовление константы мне кажется трудно так как может возникнуть конфликт при котором чс-во может показать напряг когда его нет. да и к томуже основное измерение происходит в пике синуса а наростание и спад корректируют измерение.
от себя могу сказать что я реализовывал на AVR Mega8 измерение 3х фозного напряжения( 3фазы по 220в) которые измерялись одновременно на одном контроллере и измерение было готово в конце каждой фазы(спад в 0). то скорость реакции может быть достигнута до 1.50 сек понятно по чему.
как видно смещения для контроллера всегда одни да еще внешняя обвязка просто необходима настройка но она делается при изготовлении и проверке одним нажатием на кнопку.

[nadie]

To nik
У вас несколько смешиваются понятия о готовности результата измерения. С одной стороны

смещение и дрейф при большом кол-ве измерений отсекаются в математике их значения редко превышает более 1.5 lsb на 1000 измерений

С другой стороны

было готово в конце каждой фазы

В моем вопросе было сомнение, что можно получить надежное измерение только по одному полупериуду. Своим ответом вы его только усилили.

Второе замечание. Ваши рассуждения привязаны в значительной степени к измерению 220В, хотя и в этом случае как вы сами пишите на прямом диоде падает напряжение порядка 0.5% от измеряемого. Если измерять небольшие напряжения, то IMHO говорить о надежности измерения амплитуды по одному полупериоду с высокой точностью не совсем корректно

[__nik__]

то nadie
смещение это константа зависящая от партии или единици изделия и величина постоянная
дрейф это если одной величине показывает разные значения.
не так ли?
и какой конкретно сигнал вам нужно мерить? обсолютно универсального приема нет, и нестоит мерить сигнал величина измерения которого будет сопоставима его шумам и погрешностям. почти любой сигнал можно усилить.
нащет

>В моем вопросе было сомнение, что можно получить надежное измерение только по одному >полупериуду. Своим ответом вы его только усилили.
синус величина переодическая. если извесна ее положительная часть то с 99% вероятности ее отрицательная часть точно такаяже. измерив полупериуд умножить на 2 это даст измерение целой синусоиды а далее все по формуле, раз корень найден на делителе то все остальное проблемм не составляет.

[*Leks*]

Я тоже занимался измерением и токов и напряжений 50 Гц. Токи мерили через трансформаторы, напряжение через резистивный делитель, гальванически связанный с сетью.
Сначала было решение входную цепь реализовать на диодах. Не понравилось, что на малых напряжениях возрастает погрешность из-за падения на диодах. Было решено сдвигать всю синусоиду на входе микроконтроллера относительно нуля на 2,5 В с помощью ОУ. Т.е. вся синусоида без искажений заходит в контроллер. Питание ОУ и контроллера 5 В от стабилизаотра с крен19 для большей термостабильности. Калибруется нуль элементарно: при отсутствии входного сигнала. Это значение (примерно 2,5 В) является как бы виртуальной осью (нулём) синусоиды. Переход через нуль контролировался программой. Это всё было удобно тем, что для вычисления одного мгновенного напряжения нужно из результата с АЦП вычесть значение АЦП при 2,5 В, сохранённое при калибровке. Неважно, получился ли минус (точка ниже 2,5 В) или плюс потому, что при нахождении квадрата значения выборки этот минус превращается в плюс. Затем сумма квадратов выборок и деление на 32 (сдвиг 5 раз вправо). Было подобрано так, что за пол периода укладывалось строго 32 измерения. Ну и корень. Время реакции на повышение (понижение) тока или напряжения нормировалось и было не более 35 мС.
Плюсы: точность выше, чем с диодами, простота реализации.

[nadie]

To nik
Возможно, что наше взаимонепонимание имеет корни в том, что вы анализируете ситуацию большей частью соотносительно измерения 220В, мои же доводы относятся к измерению синусоид различных амплитуд приборами с перестраиваемыми делителями, усилителями и т.п.
Для этих приборов, под смещением нуля обычно понимается погрешность нулевого показания, возникающая в силу отличия реально возникающего поведения прибора от теоретически рассчитанной. Если в приборе есть, к примеру, электронный аттенюатор, то при его переключениях вы не получите один и тот же коеффициент деления заданный с бесконечной точностью. Будет разброс значения. Таким образом, для таких приборов ваше утверждение

смещение это константа зависящая от партии или единици изделия и величина постоянная

не верно.

В high end приборах, например Agilent E4440A, в документации есть прямо прописанное значение погрешности, связанной с переключениями.

Дрейф нуля обычно связывается с динамическим поведением прибора и окружения. Опять же, например Agilent E4440A, для обеспечения высокой точности идет постоянный мониторинг температуры блоков, влиящих на точность измерения. Если температура уходит, то происходит перекалибровка.
Из окружения, на дрейф нуля существенным образом влияет электромагнитное окружение, так как обеспечить 100% экранировку достаточно сложно. Электромагнитный дрейф нуля наиболее простым образом исключается, когда рассматривается полная синусоида.

Еще раз повторюсь, IMHO предложенный вами способ имеет право на существование при определенных условиях, но не стоит его переносить на все случаи измерения амплитуды синусоиды.

[__nik__]

то nadie
скажем так, тут никто не указывал условия измерения, я в тексте везде уазывал измерение переменного напряжения 220в (сталобыть его усиливать нет необходимости в этом можно догодаться погрешность не вносят)
понятно откудо такие проблеммы, сигналлы сравнимые с шумами и наводками...
и я указал что он изберателен и подходит для одной частоты сигналла, хотя если попутно определять частоту то проблемм не будет не сложно приминить к другому.

такой вопросик а вы как мериете? ведь если форма не синус там все считается уже по другому

[*Leks*]

такой вопросик а вы как мериете? ведь если форма не синус там все считается уже по другому

Среднеквадратическое измерение тем и хорошо, что ему чихать на форму сигнала. Особенно, когда идёт усреднение не только одного периода.

[nadie]

To nik
Мои измерения такого рода это в основном так называемые "транспортные измерения" четырех точечной или шеститочечной схемой, сигнал процесс выполнен на I/Q преобразовании, так как надо знать как амплитуду, так и фазу сигнала в зависимости от времени. I/Q преобразование по классике, домножение на exp(w*t) с последующей фильтрацией LPF с заданными параметрами. Реализовано это как в виде простейшего измерения на быстром многоразрядном АЦП, с последующей обработной на компьютере (в случае однократных измерений), и на плате Pentek, в этом случае все крутится в real time.

Соответсвенно измеряемый сигнал может быть и не чистый синус, а смесь из полезного сигнала и кучи паразитных, но если паразитные сигналы отстроены по частоте, то все работает на ура.

Сообщение отредактировал nadie - Mar 2 2006, 15:34

[Tanya]

Сначала хотел открыть новую тему, но набрел на эту и решил чуть ее продолжить. У меня задача - измерять среднеквадратичное напряжение сети 220В 50Гц. Желаемая точность измерения так же 0.5%. Но можно в принципе и погрубее. Усреднять можно за период до 30 секунд (с потолка цифра).
Как я понял, тут речь шла о измерении непосредственно с силовой стороны? А после трансов несерьезно измерять? Конечно, откалибровав.
Изначчально ориентировался на сигма-дельта АЦП, возможно, встроенные в микроконтроллер. Но может у кого есть "полезные ссылки" по данной тематике?

Прежде чем измерять, надо четко поставить себе задачу - что измерять. Тут море вариантов.
Средний квадрат реального сигнала или его синусоидальной 50-ти герцовой компоненты, и за какое время должно проводится усреднение. В зависимости от ответа будут разные решения. И требуемая точность. Вот например, если надо измерить тепловыделение за некоторый промежуток времени на безынудктивном постоянном резисторе, то в древние времена в регуляторе температуры (ВРТ-3) применялась некая пародия на калориметр!

[Designer56]

Приходилось заниматься такой работой на уровне создания промышленного прибора.Если нужно измерить параметры сетевой синусоиды, задача решается так: выпрямитель, сигма-дельта АЦП с тактовой частотой, синхронизированной от сети, период счёта должен быть установлен кратным 20 мс (1/50Гц).Это гарантирует отсутствие погрешностей от пульсаций выпрямленного напряжения за счет интегрирования периодической функции точно в пределах периода.Частота измеряется счётным методом, как у обычного частотомера, при достаточно большом периоде счёта помехи можно убить до пренебрежимо малого уровня.