基于电压/频率转换的极简交流电压测量方法

王 睿, 王 菲, 张宗达, 杨 罕

(吉林大学 电子科学与工程学院, 长春130012)

0 引 言

低频交流信号电压幅值的测量, 一般采用平均值AC-DC(Alternating Current-Direct Current)变换和有效值AC-DC 变换方式[1-6]。 平均值AC-DC 测量方式是将模拟交流电压信号经模数转换器后输出的结果进行多次平均, 记录待测信号波形采样点值, 从中筛选待测电压信息。 该方法要求模数转换器的转换速率远高于待测交流信号频率, 而且交流信号的波形失真对测量结果影响很大。 有效值AC-DC 变换的测量方式是将待测交流信号进行相敏检波, 即正半周期不变, 负半周期取反, 再通过低通滤波器, 将信号进一步处理为直流信号, 然后进行模数转换。 实际应用中多采用波形失真影响相对较小的有效值AC-DC变换方式实现[7]。 但该方法增加了硬件电路, 使测量电路的稳定性下降, 电路功耗和设计成本上升[8-10]。

模数转换器是将模拟量转换成数字量的转换器, 分为直接模数转换和间接模数转换两种[11-15]。 电压/ 频率转换型模数转换器是典型的间接模数转换器, 其将电压信号线性变换为数字频率信号。 笔者利用数字频率信号易做数学处理的特性, 推导出待测交流电压有效值与数字频率信号的数学关系, 通过对数字频率信号的处理, 实现有效值AC-DC 的硬件电路变换功能。 利用该方法设计的交流电压幅度测量电路仅包括同向加法器、 比较器和电压/ 频率转换芯片, 解决现有方法依靠器件性能, 电路复杂的问题。其中同向加法器将输入信号加偏置变为正输入, 比较器获得正负周期相位信息。

1 设计原理

笔者采用高线性度的电压/ 频率转换器ADVFC32 设计模数转换电路, 当ADVFC32 工作在电压/ 频率转换模式下, 输出F(t)与输入电压Uin(t)关系[16]为

图1 电压/ 频率转换器输出F(t)关于时间t 积分示意图Fig.1 Schematic diagram of voltage / frequency converter output F(t) with respect to time integral

则式(1)变为F(t)=KUin(t)。 其中C1为单稳态电容,外接于芯片5 脚;Rin为输入电压增益调节电阻, 串联入芯片1 脚。

ADVFC32 的输入要求在0 ～10 V 之间, 待测交流为正, 即Uin(t)=U(t)+Vref。

在输入交流信号一个周期内对输出信号的上升沿计数, 相当于对F(t)函数关于时间轴积分, 也可理解为F(t)函数与积分上下限间t轴包围的面积, 积分示意图如图1 所示。 令

由式(3) 可知, 输入交流信号的幅度与电压/频率转换器的输出值在信号周期内的积分值相关。因此, 通过对电压/频率转换器输出的数字频率信号计数, 可计算出待测交流电压的幅值。

2 电路设计

基于上述理论推导, 笔者设计了简洁的交流电压模数转换电路, 如图2 所示。 待测交流电压信号U(t)经过同向加法器, 叠加上参考电压Vref, 抬升至压频转换器输入范围: 0 ～10 V。 随后电压/ 频率转换器ADVFC32 将0 ～10 V 的输入电压线性变换为0 ～100 kHz 交流信号输出, 由于ADVFC32 频率输出引脚7 的内部结构为集电极开路, 将该信号加上拉电阻与适当的电源电压相连, 就可直接用处理器计数。 将加法器输出与参考信号Vref比较, 得到输入正弦波的正负周期信息, 比较器输出电平为±Vcc, 经过高速光耦6N137 隔离后将信号整理为OC(Open Collector)门输出方式, 作为后级处理器输入。

图2 交流电压模数转换电路原理图Fig.2 AC voltage analog to digital circuit diagram

通过处理器对ADVFC32 频率输出信号计数, 相当于对频率函数F(t)关于时间轴积分, 当正弦波正半周期时, Phase_S 为高电平, 对频率信号进行加法计数, 计数结果为N1; 当正弦波为负半周期时,Phase_S为低电平, 对频率信号进行减法计数, 计数结果为N2, 代入式(3), 可直接计算出输入正弦波的幅值。 该方法实质是将周期的电压幅度信息调制成数字频率信号, 通过分析数字频率信号, 计算出调制前的待测周期电压的幅值及平均电压值信息, 利用软件分析实现有效值AC-DC 的硬件电路变换功能。

3 实验数据处理

图3 N1-N2 随输入正弦波幅值Um 的测试数据Fig.3 The test data of N1-N2 with the input sine wave amplitude Um

待测正弦波信号U(t)由普源精电DG4202 函数发生器产生, 频率20 Hz, 幅值0 mV ～10 V 可调, 将该信号作为图2 中的交流电压输入U(t)。 实际测量发现该型号信号发生器输出信号幅值与设定的输出值存在偏差。 因此, 采用普源精电示波器MSO2202A测量信号发生器输出的正弦波幅值, 其测量结果作为交流电压的输入幅值。 在正弦波的正半周期, 即Phase_S 为高电平时, 对F(t)加法计数。 在正弦波的负半周期, 对F(t)进行减法计数, 得N1-N2随输入正弦波幅值Um的测试数据如图3 所示。 对测试数据进行线性拟合得N1-N2= 328 Um+4, 拟合误差小于0.000 1, 转换精度相当于平均值AC-DC 法中选用转换速率100 kHz 的10 位AD 转换器。 拟合直线的相对零点偏移4, 由信号发生器输出波形不对称和示波器测量误差引起。

图2 中Rin=R5=40 kΩ, C8=330 pF(经过LRC 测试仪测量), 代入式(2), 计算得K = 9.98×103。 将图3 中实验数据的线性拟合系数代入式(3), 逆推出K 值为10.29×103, 与理论计算值基本一致, 且实测数据线性度较好, 证明该方法正确, 电路设计合理有效。

4 结 语

笔者依据电压/ 频率转换器原理, 推导出输入为正弦波信号时, 电压/ 频率转换器ADVFC32 输出与输入待测交流电压幅度的理论关系。 根据上述原理设计硬件电路进行实验, 通过对实验数据分析结果表明,设计的电路实现了对输入正弦波信号电压幅度的精确测量, 其线性度高, 稳定性好, 与理论推导相符合。该方法电路简洁, 稳定性高, 利用电压/ 频率转换器的输出易做数学处理的特性, 用数学分析实现了有效值AC-DC 的电路功能。 其本质是利用电压/ 频率转换器将周期的电压幅度信息调制成数字频率信号, 通过对采集的数字频率信号分析, 计算调制前的待测周期电压的幅值及平均电压值信息。