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)

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)

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(TRM S)转换技术,利用专用高性能真有效值TRM S AC/DC转换芯片AD536,结合高精度AD转换芯片ICL7135,利用51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。

非正弦信号;真有效值;模数转换;电压测量;单片机

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 M ean Square,TRM S)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,在数学上被定义为,是通过电路对输入交流电压进行“平方→求平均值→开平方”的运算而得到的。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(±0.3m V±0.3%)、低输入偏置电流等特性。ICL 7135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RM S 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。

图1 总体设计方案

1 RM S 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-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300k Hz、电压值在100m V以上带有3dB误差的信号电平;它特有的峰值因数补偿电路,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,简化外围设计;功耗低,1.2m A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±2m V±2%,J级的最大读数总误差是±5m V±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4μF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0.1μF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 A D536A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365Ω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±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1000m V经校准的标准交流信号,然后调整RP1,使6脚应有1000m V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ICL 7135

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。

2.1 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109Ω,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-In2 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, ICL 7135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,返回时间显示为数字读数,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V ref的两倍时。

图4 ICL7135一次A/D转换输出测量周期时序图

3 利用51单片机定时器功能获得输入电压的数字量

3.1 硬件设计思路与连接图

利用A T89C51单片机的定时器T0和中断功能,通过获取ICL7135的BUSY高电平时间长度的方法来获得输入直流电压的大小,设计接线图如图5所示,将ICL 7135的BUSY信号接至A T89C51的P3.2(IN T0)引脚上,并且将定时器T0的选通控制信号GA TE位置1,此时定时器T0是否工作将受BUSY信号的控制。当ICL 7135开始工作时,即在积分波形的信号积分相开始时,也就是ICL 7135的BUSY信号跳高时,定时器T0才开始工作,且定时器T0的TH0、TL0所记录的数据与ICL 7135的模拟输入电压值大小存在一定的比例关系。单片机系统的晶振为6M Hz,单片机的ALE信号频率为1M Hz频率,ICL 7135的输入频率为ALE信号的四分频,即选用125k Hz,这样T0定时器在测量脉冲计数时就不会产生溢出。

图5 A T89C51与ICL7135的接线图

3.2 软件设计流程图与实例

主程序完成初始化和定时器T0模式设置,主程序流程图如图6所示。要得到测量BUSY高电平脉冲的个数,只需将定时器所记录的脉冲个数除以2即可,而要得到A/D转换结果所对应的脉冲数则应将测量脉冲的个数减去10001后,就可得到被测的模拟输入电压值,这些采集电压数据转换过程由IN T0中断子程序完成,子程序流程图如图7所示。

图6 主程序流程图

图7 INT0中断子程序流程图

主程序实例代码如下:

MOV TMOD,#99H ;设置定时器模式Gate位为1

MOV TH0,#0H

MOV TL0,#0H ;定时器T0数据清零

SETB TR0 ;启动T0计数

MOV IP,#01H ;设置IN T0为最高中断优先级

MOV IE,#81H ;允许IN T0中断//CPU开中断

IN T0中断子程序完成采集电压数据,实例如下:

CLR TR0 ;先暂停定时器T0

MOV VOL TDA TA,TH0

MOV VOL TDA TA+1,TL0 ;提取定时器T0数据

CLR C

MOV A,VOL TDA TA

RRC A

MOV VOL TDA TA,A

MOV A,VOL TDA TA+1

RRC A

MOV VOL TDA TA+1,A ;定时器T0数据除以2得到BUSY高电平时间长度

CLR C

MOV A,VOL TDA TA+1

SUBB A,#11HMOV VOL TDA TA+1,A

MOV A,VOL TDA TA

SUBB A,#27H

MOV VOL TDA TA,A ;BUSY高电平时间长度减去10001得到要测量的直流输入电压

4 真有效值电压测量仪表设计方案

综合上述两种主要芯片功能,再利用单片机智能管理,可以设计出一款调试简单,性能优越的真有效值电压测量仪表方案,具体硬件设计结构框图如图8所示。

图8 硬件设计结构框图

被测交流电压作为一次大信号通过电压互感器PT隔离,在PT二次产生与一次有一定比例关系的采样小信号,该小信号通过低温漂、低失调、高性能的斩波运算放大器进行交流放大,然后送到AD536电路做AC交流转DC直流真有效值变换,这样生成的DC信号就能直接送到模数AD转换电路ICL7135进行数字化处理,单片机利用定时器特定功能和中断功能非常简捷地读取ICL 7135模数转换芯片处理得到对应的数字化的交流信号电压真有效值,再通过自己的处理电路把数字信号数据由5位数码管动态显示出来。

5 结束语

结合高性能AD536A实现AC/DC的真有效值转换,ICL7135实现高精度AD转换,由高性能单片机完成输入交流信号对应的数字信号的综合处理,该方案的优点是设计思路清晰、程序简洁、可提高仪表的抗干扰能力和可靠性。仪表所用电阻全部采用E192系列金属模电阻,精度选用0.1%;电容采用稳定性好的涤纶电容和钽电容,还有PCB板合理布局等措施,使该仪表基本实现了0.5级表、5位显示的设计要求,完全可以满足一些要求较高的工业和电力测量需求。

[1]梁琴.基于AD637高精度真有效值数字电压表的设计[J].中国仪器仪表,2008,(11):57-58. [2]彭光鑫.真有效值数字表及其应用[J].云南电力技术,2009,37(3):42-43.

[3]徐垦.新型的真有效值测量仪表[J].电测与仪表,2005,(6):10-12.

[4]崔智勇,李建科.真有效值转换器AD736及其应用[J].河北工业大学学报,2005,(8):34-36.

[5]杜秀芳,曹玉强,张静.智能型真有效值电压监测仪[J].兵工自动化,2006,(5):84-85.

A Design Project of Voltage Measuring Instrument Based on True Root Mean Square Algorithm

SUN Jun-xiang
(Weifang University,Weifang 261061,China)

In order to accurately measure non-sinusoidal AC voltage RM S,and not restricting the measured waveform.In this paper,using TRM S conversion technology,and using special high-performance true RM SAC/DC conversion chip AD536 and high accuracy AD conversion chip ICL7135,and also use of timer and interrupt functions of 51 MCU,it p resents a practical,accurate measurement of true RM S in strument design.Practice has proved that the instrument can achieve 0.5 form of design requirements.It can be accurate,real-time to measure of various waveform RM S voltage.

non-sinusoidal signal,TRM S,A/D conversion,voltage measurement,MCU

TM 930

A

1671-4288(2010)04-0025-05 0 引言

(责任编辑:肖恩忠)

2010-03-16

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。