基于真有效值算法的电压测量仪表的方案设计

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1、第10卷第4期2010年8月潍坊学院学报JournalofWeifangUniversityV01.10No.4Aug.2010基于真冇效值算法的电压测量仪表的方案设计。孙俊香(潍坊学院，山东潍坊261061)摘要：为了实现对非正弦交流屯压信号冇效值的精密测量，并使之不受被测波形的限制，采用真有效值(TRMS)转换技术，利用专用高性能真冇效值TRMSAc/DC转换芯片AD536,结合高精度AD转换芯片ICL7135,利用51单片机定吋器和中断功能,给出一种实用的、准确度高的真有效值测量仪表设计方案。实践证明，该仪表实现了0.5级表的设计要求

2、，可以准确、实时地测量各种波形的冇效值电压或电平。关键词：非正弦信号；真有效值；模数转换；电压测量；单片机中图分类号:TM930文献标识码：A文章编号:1671~4288(201o)04—0025—050引言在科学研究和生产实践中，会遇到大量的非止弦波，传统测量仪表采用的是平均值传换法来对其进行测量，但这种方法存在着较大的理论误差。为了实现对交流信号电压有效值的精密测量，并使之不受被测波形的限制，口J以采用真冇效值(TrueRootMeanSquare,TRMS)转换技术，亦称为真均方根值。其定义模型为：1伏真冇效值的交流电压值与1伏直流信

3、号电压对相同电阻值产生等值的热量，在数学上被定义厂——二『—为VtnMo-VARG(^：可；),是通过电路对输入交流电压进行“平方一求平均值一开平方”的运算而得到，V—I__1的。真有效值仪表的最大优点是能够精确测量各种电压波形的有效值，而不必考虑被测波形的参数以及失真。目前真有效值数字仪表止在国内外获得迅速发展，出现了各种专用的单片真有效值AC/DC转换芯片。美国AD公司的AD536A是其中非常典型的一种，其主要特点是灵敏度好，高输入阻抗、低输出阻抗；高精密度(±0.3mV±0.3%)、低输入偏置电流等特性。ICL7135是一种四位半的双

4、积分A/D转换器，貝冇精度高、输入阻抗高、精确的差分输入等特点，而月•具冇很强的抗干扰能力，对正负对称的工频干扰信号积分为零。本文结合真有效值RMSAC/DC转换芯片AD536A,高精度AD转换芯片ICL7135,利用单片机处理，给出一种实用的、准确度高的真有效值测量仪表设计方案，如图1所示。TRMSAC/DC转换AD536AAD转换1CL7135A剃t89—c5oHLEDlAt89c5■示…111圉1总体设计方票1RMSAC/DC转换芯片AD536AAD536A是美国AD公司推出的一种专门用于真冇效值一直流转换的单片集成电路，可直接计算出

5、任何包含直流的交流分量的复杂输入波形的真有效值，将其转换成直流输出信号。1.1AD536A的基木性能参数AD536A的性能十分优良，可以直接计算输入的任何复杂波形(包括交、直流成分)的真有效值。AD536A的频带很宽，它可以测量到频率为300kHz.电压值在100mV以上带有3dB误差的信号电平；它特有的峰值冈数补偿电路，使其在峰值因数达到7时，测量误差仅为1%；输入级设冇电压保护电路，简化*收稿日期：2010—03—16作者简介：孙俊香(1972-)，女，山东潍坊人，潍坊学院计算机与通信工程学院讲师，工学硕士。万方数据潍坊学院学报2010

6、年8月外围设计；功耗低，1-2mA静态电流。AD536A在商业级应用中有两个精度级(J,K)可供选择，K级的最大读数总误差是土2mV士2%,J级的最人读数总误差是±5mV±5%o1.2标准连接在大多数高精度的冇效值测量时，AD536A的连接非常简单，只需一个外接电容来设置平均时间常数即可，其标准连接如图2所示。利用该电路可以测岀输入的直流或交流信号的有效值。当滤波电容Ceiv为4肛F时,其附加的平衡误差在lOIIz时为0.1%,在3Hz时为±1%。如果AD536A的供电电源屮含冇高频波纹，则可用两个0.lpF瓷片电容分别将正负电源端接地，并

7、且瓷片电容应离AD536A尽量近些。图2AD536A的标准连接图3AD536A的调整电路1.3调整电路要捉高AD536A的转换精度，需要对外部电路进行相应地调整，其调整电路如图3所示。其屮，RP2用于调整补偿，应注意的是在补偿调整电路屮，9脚上应串联一个365n的电阻。在1脚接RP1电阻可使比例因素增大1.5%,比例因素校正的范围为士1.5%。⑴将1脚Vin接地，调整RP4使6脚的输出电压为零；(2)从1脚输入lOOOmY经校准的标准交流信号，然后调整RP1,使6脚应有lOOOmV的直流电压输出O讨部调整的最大优点是在尽量减小信号宽度范围的

8、情况下优化芯片的性能。2双积分型A/D转换器ICL7135积分型AD工作原理是将输入直流电压转换成频率，然后由定吋器/计数器获得数字值。2.IICL7135的基木性能参数1CL7