基于真有效值算法的电压测量仪表的方案设计

第10卷第4期

2010年8月

潍坊学院学报

Journal of Weifang University

V01．10 No．4

Aug．2010

基于真有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电压信号有效值的精密测量，并使之不受被测波形的限制，采用真有

效值(TRMS)转换技术，利用专用高性能真有效值TRMS Ac／DC转换芯片AD536，结合高精度AD转换

芯片ICL7135，利用5l单片机定时器和中断功能，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，可以准确、实时地测量各种波形的有效值电压或电平。

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(20lo)04—0025—05 0 引言

在科学研究和生产实践中，会遇到大量的非正弦波，传统测量仪表采用的是平均值转换法来对其进行

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，可以采用真有效值(True Root Mean Square，TRMS)转换技术，亦称为真均方根值。其定义

模型为：1伏真有效值的交流电压值与1伏直流信号电压对相同电阻值产生等值的热量，在数学上被定义

厂——-=『_

为VtnM。一√ARG(≥：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正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是一种四位半的双积分A／D转换器，具

有精度高、输入阻抗高、精确的差分输入等特点，而且具有很强的抗干扰能力，对正负对称的工频干扰信号

积分为零。

本文结合真有效值RMS AC／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。TRMS AC／DC转换

AD536A

AD转换

ICL7135 A剃t89一c5。H LEDlAt89c5

■■■■■■●●_H 示⋯

1 l l

圉1总体设计方票

1 RMS AC／DC转换芯片AD536A

AD536A是美国AD公司推出的一种专门用于真有效值一直流转换的单片集成电路，可直接计算出

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。

1．1 AD536A的基本性能参数

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％；输入级设有电压保护电路，简化

*收稿日期：20lO—03—16

作者简介：孙俊香(1972一)，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±2mV士2％，J级的最大读数总误差是土5mV±5％。

1．2标准连接

在大多数高精度的有效值测量时，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。利用该电路可以测出输入的直流或交流信号的有效值。当滤波电容Cav

为4肛F时，其附加的平衡误差在10Hz时为0．1％，在3Hz时为±1％。如果AD536A 的供电电源中含有

高频波纹，则可用两个0．1pF瓷片电容分别将正负电源端接地，并且瓷片电容应离AD536A尽量近些。

图2 AD536A的标准连接图3 AD536A的调整电路

1．3调整电路

要提高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。

其中，RP2用于调整补偿，应注意的是在补偿调整电路中，9脚上应串联一个365n

的电阻。在1脚接

RPl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％。

(1)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1000mY经校准的标准交流信号，然后调整RPl，使6脚应有1000mV 的直流电压输

出。

外部调整的最大优点是在尽量减小信号宽度范围的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，然后由定时器／计数器获得数字值。

2．I ICL7135的基本性能参数

ICL7135精度达14位，对50Hz工频干扰信号积分为零，在每次A／D转换前，内部电路都自动进行调

零操作，且最高位自动消隐；满度测量量程为±2．0000V，保证转换精度±1字；具有自动极性转换功能；输

入阻抗高于109‘'1，输入漏电流仅为1PA；具有精确的差分输入方式；所有输出端和TTL电路相容；采用多

位分时动态扫描显示技术，以闪烁方式表示超量程。

2．2 ICL 7135 A／D转换测量周期·

ICL 7135一次A／D转换输出测量周期时序图如图4所示，共分为四个阶段。

(1)自动调零(Auto—Zero)；

(2)被测信号积分(Signal—In—

tegrate)；’

(3)电压去积分(De—Integrate)；

(4)积分回零(Zero—Integrate)。

由图4可知，在信号积分相开始时，

ICL7135的BUSY信号线跳高并一直保

持高电平，直到去积分相结束时才跳回

低电平。在满量程情况下，这个区域中

一26一

自动调零彳纛＼去积分、＼＼积分器返零

，10001CLK、，10000CLK、

2Ⅸ)0lCLK 100-200CLK 竺厂———————]．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．_J I．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．一

图4 ICI。7135一次A／D转换输出测量周期时序图

万方数据

第4期孙俊香：基于真有效值算法的电压测量仪表的方案设计

的最多脉冲个数为30002个。其中去积分相的脉冲个数反映了转换结果。输出返回至零所需的时间正比

于输入信号的幅度，返回时问显示为数字读数，并由式(1)确定。满度或最大转换值发生在输入电压Vin

等于参考电压Vref的两倍时。

OU丁PU丁COUNT一10000(1等厂：柚) (1)

vre]