2020TI省级电赛E题制作杂谈

写在前面
THD的计算准则
THD测量的步骤
- 频谱变换
- 计算部分
常用的波形和其THD
THD在系统中的重要性

写在前面

在这里记录2020TI省级电赛E题制作的方案，资料，经历，想法等等。可能会边写边整理，会分几篇CSDN记录，各位看官稍安勿躁~。如果觉得有收获，请给我点个赞，这样我会更有动力写出更多文章，谢谢啦！

THD的计算准则

关于THD的计算公式，不同标准的定义略有不同。
1.GBT–17626.7-2008

《GBT–17626.7-2008电磁兼容试验和测量技术供电系统及所连设备谐波、谐间波的测量和测量仪器导则》中，对THD的定义如下：

按照上述定义，THD不包含间谐波，并且，有一固定的谐波上限。
通俗的理解就是，只取基波的2、3、4…直到n倍频进行计算，没有DC，没有间谐波，n的值根据不同的测试要求与标准有所差异。

2.GB/T12668.2-2002
《GB/T12668.2-2002调速电气传动系统一般要求低压交流变频电气传动系统额定值的规定》对THD定义如下：

按照上述定义，THD包含间谐波和直流分量。
通俗的理解就是，把除了基波之外的所有的幅值都参与到计算中。

使用时，要注意根据哪个标准去进行选择。

THD测量的步骤

总体来说，THD的测量应该分为两大部分：频谱变换部分和计算部分。

频谱变换

关于频谱变换部分，这里不细讲了，可以去看我的CSDN博客《白话FFT频谱分析全流程（以工程使用的角度）》之一、二和三，里面有详细的频谱分析流程，个人觉得还是很生动形象滴。
这里我们只提一些注意事项：
1.采样率与FFT点数的选择：
二者原则上越高越好。对于测量正弦波的THD，较低采样率和点数的FFT即可满足要求，使用4096 ，8192，16384点的FFT对于最终的值没有显著的增加（1khz正弦，120m%@4096增加到143m%@16384），采样率增大后也增加较小。

但THD测量仪器还可能面临测试类方波，类三角波等与正弦波相差较大的信号（方波的带宽为无限大），这时对于FFT点数要求高。在测试1KHZ方波时，实际使用16384点的FFT，在100k采样率，计算到49次谐波，读数才与电参数测量仪较接近。

2.测得准其实看的是在低失真时准不准：
测量低失真信号的THD对于仪器本身提出了更高的要求，不仅对于模拟前端，ADC，走线要求更高，还考验仪器FFT的能力，此时要求采样点数大起来，这样相同频率的谱线会有更多的点去“拟合”（在工程上，每个正弦谱线至少要有10个点“拟合”才可以认为恢复了真实的信号），就会有更高的检测精度。

计算部分

常用的波形和其THD

方波和其做FFT变换后的形式：

方波的理论失真：

按照下图的测量方法（也就是GBT–17626.7-2008）：

我们带入测量公式：

也就是说：方波的理论失真大约为48.3%

测试中，我们可以方便的生成方波，这可以作为测试基准。
同时，这里也提供一个数据：我们使用信号发生器生成1KHZ 2Vvpp的方波输入电参数仪中进行测试，测试其VTHD，结果在42.6-43.5%之间浮动，可能是电参数仪正常使用的频段（工频）和信号发生器的误差所致。

THD在系统中的重要性

THD在多种类型的系统中都很重要，包括电力系统，其中THD较低意味着功率因数较高，峰值电流较低且效率较高；音频系统，THD低意味着音频信号是原始记录的更真实的再现；和THD较低的通信系统，意味着对其他设备的干扰较小，而对感兴趣信号的发射功率较高。