谐波、谐间波发生器校准方法的研究

阚飞，丁翔

（工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610）

1 引言

在GB/T 17626.13-2006《电磁兼容试验和测量技术交流电源端口谐波、谐间波及电网信号的低频抗扰度试验》中，谐波、谐间波发生器是试验的核心设备。通常，对发生器的校准都是使用符合GB/T 17626.7 A级精度的谐波分析仪，本文则使用Agilent 3458A数字多用表结合谐波分析软件来进行校准。

2 试验发生器的技术指标

试验发生器应具有产生50 Hz基波频率，以及叠加所需要的频率（谐波以及谐波之间的频率）的能力，如表1所示。

表1 试验发生器的特性

3 校准系统

3.1 谐间波电压的校准

采用数据采集+谐间波分析软件进行校准。首先通过Agilent 3458A数字多用表进行数据采集，然后通过编制的谐间波分析软件进行分析，对谐间波电压进行校准。由于本文中涉及的谐间波电压最高频率为2 kHz，最小分度为5 Hz(16～100 Hz时)，因此要求谐波分析频谱最小分辨力应低于5 Hz，采样率大于20 kHz。

3458A的数字化功能有3种采样方式：

1） Direct sampled方式：最高50 kHz采样率、16位，准确度为0.02%；

2） Sub-sampled：周期信号，最高12 MHz采样率、16位，准确度为0.02%；

3） DCV方式：最高100 kHz采样率、18位，准确度为0.00005%～0.01%；

采取ASCII码存储方式，3458A的一次测量可以完成最大采样数为10240个。

根据理论估算可知，当采用DCV方式50 kHz采样率，采样数为10000个时，频谱分辨力为5 Hz；采用DCV方式10 kHz采样率，采样数为10000个时，频谱分辨力为1 Hz。

按照南奎斯特采样理论对采样率的要求，以及项目对谐间波分析的要求，可以认为3458A满足项目要求。

3.2 基波和尖顶波的校准

对于基波和谐波组合试验中的尖顶波（3次谐波与5次谐波的叠加），校准方法采用谐波测量装置（数据采集+谐间波分析软件）进行测量，如图1所示。

图1 谐波电压的校准

3.3 平顶波的校准

对于谐波组合试验中的平顶波，其要求削顶后的电压（有效值） 与削顶前的电压（有效值） 相等，因此，实际用示波器观测到的输出波形是已经削顶的波形，未削顶的实际波形则无法测到，如何测量平顶波电压的削顶比例是本课题的难点之一。拟采用示波器+衰减探头+软件分析的方法或数据采集+软件分析的方法进行校准，如图2所示。

图2 平顶波的校准

3.4 主要参数及技术指标

1） 基波电压：100～240 V，±0.05%；

2） 谐间波电压：1～24 V，15～1000 Hz，±0.1%；1～2 kHz，±0.1%；

3） 尖顶波：1～33.6 V，150 Hz、250 Hz，±0.1%；

4） 平顶波： （95±0.3） %， （90±0.3）%，（80±0.3） %。

4 方案

a） 谐间波电压的测量

采用数据采集+谐间波分析软件进行校准。

目前，使用初步建立的谐间波测量装置测量FLUKE 6100A谐间波输出的试验结果如表2所示。

因此，从功能上分析，此技术方案可行。

表2 谐间波电压的测量结果

b）谐间波电压的溯源

由于目前具有谐间波测量功能的表或源的技术指标不高，FLKUE 6100A谐间波功能技术指标为：16 Hz～6k Hz，±1%。

本项目采用5520A叠加的方案，分析5520A的交流电压技术指标（电压1～24 V，频率15 HZ～2 kHz时，最大允许误差：±0.03%），可以满足项目的要求。

c） 平顶波电压的测量

平顶波：波形随时间变化，一个半波由三部分组成。

第1部分：从0开始，以纯正统波上升至一定的值；

第2部分：是一个恒定值；

第3部分：以纯正弦波波形下降至零点。

对平顶波的时间函数如表3所示。

表3 平顶波的时间函数

在实验中，基波的有效值保持不变。

与谐波组合试验中的平顶波，其要求削顶后的电压（有效值）与削顶前的电压（有效值） 相等，因此，实际用示波器观测到的输出波形是已经削顶的波形，未削顶的实际波形则无法测到。

注：发生器输出平顶波的稳定性是影响测量的关键。需要通过实验目测来观察波形的质量。

平顶波电压的削顶比例转化为时间轴的比例进行测量。采用示波器+衰减探头的方法进行校准。

时间轴分析：

Asin(ωt2)/Asin(ωt1)=0.8；

sin(ωt2)=0.8；

ωt80=arcsing(0.8)；

ωt100=arcsing(1.0)；

t80/t1=0.59033，t80/T=0.14758；

t90/t1=0.71287，t90/T=0.17822；

t95/t1=0.79783，t95/T=0.19946；

T=20 ms。

5 校准结果的溯源问题及不确定度分量分析

5.1 谐间波电压的测量

采取5520A叠加方案，不确定度主要来源是5520A交流电压技术指标、测量重复性、装置的稳定性。分析5520A的交流电压电压1～24 V，频率15 Hz～2 kHz时，最大允许误差：±0.03%。

5.2 尖顶波电压的测量

采用谐波测量装置（3458A+谐波分析软件）直接测量，测量结果不确定度的主要来源是谐波测量装置最大允许误差。在250 V量程、频率为150 Hz、250 Hz时，谐波测量最大允许误差优于±0.1%，满足项目要求。

5.3 平顶波电压的测量

采用示波器+分析软件进行校准，不确定度的主要来源是示波器时间测量准确度。选用的示波器TDS680C，时间测量准确度为0.1%。

6 结束语

通过方案验证和不确定度分析，可以证明本方法完全可以替代谐波分析仪对谐波、谐间波发生器进行校准。

[1] GB/T 17626.6-2008，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 [S].

[2] GB/T 17626.13-2008，电磁兼容试验和测试技术 交流电源端口谐波、谐间波及电网信号的低频抗扰度试验 [S].