譚巍 王衡 徐海明 黃少侃

【摘要】本文介紹了一種基于AD736的高精度真有效值測(cè)量電路，詳細(xì)論述了該電路的工作原理和性能特點(diǎn)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及實(shí)際運(yùn)行，驗(yàn)證了該電路在精確測(cè)量復(fù)雜波形的真有效值時(shí)具有一定的實(shí)用性。

【關(guān)鍵詞】AD736高精度真有效值

一、引言

在現(xiàn)代測(cè)量中經(jīng)常會(huì)遇到各種波形，傳統(tǒng)方法是通過(guò)計(jì)算平均值來(lái)對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，這種方法只能用于指定的波形如正弦波和三角波等，如果波形一變，測(cè)出的讀數(shù)就不準(zhǔn)確，故測(cè)量中應(yīng)當(dāng)采用有效值而非平均值。

交流電流的有效值（RMS-root mean square）針對(duì)的是正弦波，它等于在同一電阻性負(fù)載回路中，與其產(chǎn)生等熱量的直流電流的大小，通過(guò)電路對(duì)輸入交流電壓進(jìn)行“平方一求平均值一開(kāi)平方”運(yùn)算得到，而真有效值（True-RMS）對(duì)于正弦波而言，兩者完全相同，并且它是對(duì)復(fù)雜波形的RMS擴(kuò)展，其最大優(yōu)點(diǎn)是能夠精確測(cè)量各種電壓波形的有效值，而不必考慮被測(cè)波形的參數(shù)以及失真。由于平均值測(cè)量的測(cè)量值比真實(shí)值最大可小40%，諸如電力元器件中熔斷器和斷路器等熱元件如采用測(cè)量平均值，測(cè)量結(jié)果將產(chǎn)生錯(cuò)誤從而導(dǎo)致誤操作，故真有效值測(cè)量對(duì)于任何非正弦波和帶有非線(xiàn)性負(fù)載的裝置意義重大。

二、電路組成及工作原理

本文提出一種高精度真有效值測(cè)量電路，它主要以美國(guó)AD公司的AD736芯片為主，電路主要由量程變換、AC/DC轉(zhuǎn)換、精密放大三大部分組成。電路框圖如圖1所示。

AD736是經(jīng)過(guò)激光修正的單片精密真有效值A(chǔ)C/DC轉(zhuǎn)換器。如圖2，它采用雙列直插式8腳封裝，其主要特點(diǎn)是準(zhǔn)確性高、靈敏度好、測(cè)量速率快、頻率特性好、輸入阻抗高、輸出阻抗低、電源范圍寬且功耗低，用它測(cè)量正弦波電壓的綜合誤差不超過(guò)士0.3%。

由于AD736的滿(mǎn)量程為200mVRMS，輸入信號(hào)VIN在進(jìn)入AD736之前首先要經(jīng)過(guò)量程變換，即加入分壓電阻9.1kΩ和1.0kΩ，將輸入信號(hào)VIN衰減到200mV以?xún)?nèi)。

輸入信號(hào)VIN從AD736的2腳輸入，1腳經(jīng)隔直電容C1接至8腳（COM），6腳輸出電壓為即真有效值，它不包含直流分量。7腳接+12V電源，4腳接-12V電源。3腳CF為輸出端濾波電容，取10uF。5腳CAV為平均電容，它是AD736的關(guān)鍵外圍元件，用于進(jìn)行平均值運(yùn)算。其大小將直接影響到有效值的測(cè)量精度，在本電路中取33uF。

由于輸入前對(duì)VIN經(jīng)行了量程變換，為了對(duì)AD736輸出的信號(hào)進(jìn)行還原，在AD736輸出端應(yīng)加入相同比例的放大電路。本電路中，為提高精度，固定電阻R8取值應(yīng)盡量大，可變電阻VR1取值在保證放大范圍的同時(shí)應(yīng)盡量取小，以減小VR1在調(diào)節(jié)的過(guò)程中由于人為轉(zhuǎn)動(dòng)而帶來(lái)的誤差，故R8和VR1分別選50kΩ和2kΩ。同時(shí)運(yùn)放選用低失調(diào)、低溫漂高精度運(yùn)算放大器OPA2277。為抑制干擾，在運(yùn)放接電源的引腳處加入了去耦電容，在電路的電源輸入端加入了濾波電容。電路圖如圖3所示。

三、性能測(cè)試

3.1電壓轉(zhuǎn)換測(cè)試

對(duì)于上述電路設(shè)計(jì)，現(xiàn)在利用Tektronix AFG3022B信號(hào)源輸入50Hz、0～2V交流電、Agilent Technologies Dso-X 3054A示波器校準(zhǔn)真有效值和觀察頻率、Fluke 115C數(shù)字萬(wàn)用表在輸出端測(cè)量轉(zhuǎn)換后的直流電壓，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1：

測(cè)試結(jié)果說(shuō)明：本電路的AC/DC轉(zhuǎn)換精度高，誤差不超過(guò)0.26%。

3.2頻率特性測(cè)定

當(dāng)信號(hào)源輸入VACRMS=1.000V，頻率在50Hz～200kHz間變化時(shí)，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2：

測(cè)量結(jié)果說(shuō)明，AD736可在一定頻帶內(nèi)測(cè)量，但轉(zhuǎn)換精度受頻率影響較大，當(dāng)頻率在工頻（50Hz）左右時(shí)，誤差為0；頻率到1kHz時(shí)，誤差變?yōu)?.3%；當(dāng)頻率到200kHz時(shí)，誤差已達(dá)9.8%。從圖4頻率特性可以看出，隨著頻率增大，誤差總趨勢(shì)是繼續(xù)變大。故為使AC/DC轉(zhuǎn)換精度高，應(yīng)盡量在工頻段調(diào)整和工作。

3.3波形測(cè)試

當(dāng)輸入VACRMS=1.000V，頻率為50Hz時(shí)，分別對(duì)正弦波、方波、三角波及脈沖波進(jìn)行測(cè)試，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3：

通過(guò)測(cè)試可知，本電路可以較準(zhǔn)確地將各種波形輸入的真有效值轉(zhuǎn)換為直流電壓。

四、結(jié)論

本電路實(shí)現(xiàn)后，在某強(qiáng)電大功率發(fā)射試驗(yàn)中多次進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，控制終端收到的經(jīng)本電路輸出的檢測(cè)信號(hào)準(zhǔn)確無(wú)誤，指示終端顯示穩(wěn)定可靠，從而驗(yàn)證了該電路在精確測(cè)量復(fù)雜波形的真有效值時(shí)具有一定的實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)

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