频低电压真有效值测量系统正文本科论文.doc

1绪论 在科学研究和生产实践中，会遇到大量的非正弦波。电压是一个很重要的参数，如何准确地测量模拟信号的电压值，一直是电测仪器研究的内容之一。目前所用的模拟电压表测非正弦信号误差较大测小信号时漂移较大致使仪器灵敏度受到限制。(True Root Mean Square，TRMS)转换技术，亦称为真均方根值。在电气测量中，本文讨论的低频电压真有效值测量系统，从原理上克服了模拟电压表的缺陷。而且在具体设计和实现过程中有效地保证了仪器的灵敏度。近年来随着计算机在社会领域的渗透，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制日新月异更新。在实时监测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用。电子计算机的飞跃进步，单片机的普及与推广，为电压测量系统智能化做出了贡献。作为重要的测量工具，真有效值测量系统的发展可以说见证了现代工业的发展和科技进步。从传统的模拟多用表，到现在精确度和灵敏度越来越高的数字仪表，多用表的发展可谓是日新月异。目前的有效值测量系统的设计大概可以分为以下几类： （1）基于单片机的数字有效值测量系统，这类系统中，最有代表性的是89C51系列的。由于8位机在价格和性能方面的优点，这类系统可以说是越来越成熟，并且能根据不同的场合选用不同的核心芯片来满足实际的要求。 （2）将传统测量方法和现代数字化测量方法有机结合起来，能适用于工频交流电特征，同时也能适用于非工频电参数测量，以提高通用性。在这类系统中，由单片机实现测量控制、数据分析处理、显示和量程自动转化等功能；由CPLD器件和高速A/D芯片组成双通道高速同步数据采集电路，由锁相倍频电路实现周期内均匀等样间隔。 在电子测量技术和自动控制系统中, 通常要测量正弦波、矩形波、三角波等波形的交变电压有效值和微弱信号中的噪声, 尤其在随机过程测量中,只要能准确测出各个窄频带内与被测波形无关的有效值, 就可以得到该随机过程的功率谱密度函数,进行频谱分析和过程控制, 而且电压有效值也是电力系统中一个十分重要的参数。因此, 交流真有效值的测量是电测领域内一个重要的研究课题。目前, 虽然一些数字式电压表和智能仪器具有真有效值的测量功能, 但结构复杂, 价格昂贵; 而数字万用表虽然价格低廉, 但大多仅能测量正弦电压的有效值, 且准确度不太高, 频率范围不大。本文介绍的测量电路, 结构简单, 价格低廉, 精度较高, 频率范围较宽, 波形适应性强。　 2总体方案设计 方案一：利用单片机控制A/D对一个周期内的信号进行连续多点采样，然后通过编写单片机程序在软件中根据有效值计算公式，利用傅里叶变换等算法积分求平均得到有效值并且通过数码管显示。 被测信号 方案二：采用专用有效值检测芯片如AD736直接将交流信号转换为直流有效值信号，然后通过A/D转换器AD0808进行采样处理，最后经由单片机控制数码管显示输出。 方案一软件算法过于复杂，编程难度较大，而方案二软硬件都较简单，故设计中选用方案二。 3单元模块设计 系统总体框图： 系统主要由真有效值转换模块、AD0808采样处理模块、单片机处理模块、LED显示模块组成。 3.1各单元模块功能介绍及电路设计 3.1.1真有效值转换模块 真有效值转换模块采用的芯片是AD736，AD736是AD公司推出的真有效值直流变换器。和以往的有效值测量技术不同，真有效值直流变换可以直接测得各种波形的真实有效值，它不是采用整流加平均测量技术，而是采用信号平方后积分的平均技术。采用AD736可以简化仪器的设计，增加信号测量品种，并且灵敏度、精确度也大大改善。 系统的核心是测量交流电压的有效值，因此有效值测量的精度将直接影响系统最终的精度。该器件是按有效值隐含运算而设计，能计算任意复杂波形的高精度真有效值--直流转换器件，其精度优于0.3%，波峰因素≤ 5，相对稳定时间快，是当前集成真有效值转换器性能较好的一种。 AD736有效值测量原理如下:一个交变信号的有效值定义为 （1） 这里，为信号的有效值，T为测量时间，是一个时间的函数，但不一定是周期性的。 对等式两边进行平方得： （2） 右边的积分项可以用一个平均来近似 （3） 这样式（2）可以简化为： （4） 等式两边除以得： （5） 这个表达式就是测量一个信号真实有效值的基础。AD736也是采用的这一原理。 图中CC为低阻抗输入端耦合电容一般取值为10～20uF；CF为输出端滤波电容一般取10uF；CAV为平均电容，它是AD736的关键外围元件，用于进行平均值运算。其大小将直接影响到有效值的测量精度，尤其在低频时更为重要。多数情