Общее гармоническое искажение

Суммарные гармонические искажения(THD) — это мера количества нелинейных искажений в электрических сигналах. Он играет решающую роль, в частности, в аудио, измерительных и энергетических технологиях, поскольку позволяет делать выводы о чистоте и качестве сигнала.

Определение и значение полного гармонического искажения

Суммарные гармонические искажения (THD) означают отношение гармоник к основной частоте сигнала. Это кратные значения основной частоты, которые не встречаются в идеальной форме сигнала — чистой синусоиде. Эти дополнительные частоты вызваны нелинейными искажениями в компонентах или цепях.

THD обычно указывается в процентах и показывает, насколько сильно сигнал отклоняется от идеала. Значение THD в 1 %, например, означает, что сумма гармоник соответствует 1 % от основного сигнала. Чем ниже это значение, тем «чище» сигнал.

Как измеряется THD

Полное гармоническое искажение получается из соотношения между эффективными значениями гармоник и основного сигнала. Решающим фактором для расчета является то, насколько сильны отдельные амплитуды гармоник по отношению к основной.

Чтобы проанализировать сигнал, его разбивают на частотные составляющие с помощью преобразования Фурье. Наиболее распространенным методом является быстрое преобразование Фурье (БПФ). Это позволяет точно определить, какие частоты — например, на опорной частоте 1 кГц — содержатся в сигнале.

Современные измерительные приборы отображают значение THD непосредственно после внутреннего расчета. В дополнение к процентному значению часто отображается частотный спектр, чтобы наглядно увидеть распределение гармоник.

Гармонические искажения на практике

На практике гармонические искажения вызываются нелинейными компонентами, такими как полупроводники, трансформаторы или громкоговорители. Эти компоненты генерируют дополнительные частотные составляющие, которые могут искажать исходный сигнал.

Типичные области применения:

• Аудиоусилитель: Значение THD ниже 0,1 % идеально подходит для воспроизведения звука без искажений.
• Источники питания: Высокие значения THD могут влиять на электросеть, например, через реактивную мощность или перегрев.
• Технология связи: Четкие сигналы с низким уровнем искажений имеют решающее значение для надежной передачи данных.

В промышленных приложениях, таких как преобразователи частоты или импульсные источники питания, высокий THD также может оказывать негативное влияние на качество электроэнергии.

Коэффициент искажения и THD — сравнение

Термин » коэффициент искажения» часто используется как синоним термина » полное гармоническое искажение «. Однако, строго говоря, между ними есть различия. Коэффициент искажений часто означает отношение нелинейных искажений к общему сигналу, в то время как THD рассматривает гармоники по отношению к основной частоте.

Существует также расширенный параметр измерения THD+N (Total Harmonic Distortion plus Noise), который учитывает шум в дополнение к гармоникам. Эта спецификация особенно распространена в аудио и измерительной технике, поскольку она обеспечивает более реалистичное представление фактических искажений сигнала.

Влияющие факторы и снижение THD

Величина THD зависит от различных факторов:

• Линейность схемы
• Качество и выбор компонентов
• Рабочая частота (например, при 1 кГц или 10 кГц)
• Амплитуда или уровень напряжения входного сигнала
• Температурное поведение электронных компонентов
• Качество электропитания и фильтрации

На THD влияет форма и величина напряжения, подаваемого на систему. Постоянный и чистый сигнал напряжения вносит значительный вклад в минимизацию искажений.

Помимо прочего, для снижения THD используются сбалансированные сигнальные тракты, активные фильтры, линейные усилители и отрицательная обратная связь. Использование высококачественных компонентов также помогает минимизировать искажения.

Типичные значения и применение

В зависимости от области применения, приемлемыми считаются различные значения THD:

Стандарты, такие как IEC 61000 или соответствующие нормы DIN, определяют предельные значения, особенно для промышленных применений или подключения приборов к сети.

Заключение

Суммарные гармонические искажения — это ключевой показатель для оценки качества сигнала в электрических и электронных системах. Он описывает долю гармонических искажений, вызванных гармониками, и указывается в процентах или дБ.

Низкий THD означает высокую чистоту сигнала — и поэтому крайне важен в таких областях, как аудиотехника, измерительная техника, связь и энергетические технологии. Благодаря современным методам анализа и целенаправленному проектированию систем, THD теперь можно эффективно измерять и минимизировать — решающий фактор для качества, эффективности и безопасности.