1  有效值檢波技術(shù)

1.1  均值檢波技術(shù)

??在工業(yè)中，我們常用的檢波技術(shù)主要有三種：均值檢波技術(shù)、峰值檢波技術(shù)以及均方根值檢波技術(shù)。其中，均值檢波法主要應(yīng)用于交直流轉(zhuǎn)換電路中，其主要實現(xiàn)方法是將交流信號進行半波或者全波整流，再對整流輸出的脈動直流信號進行積分得到較為平緩的直流信號，最后再根據(jù)被測信號的半波整流平均值或全波整流平均值與有效值的關(guān)系即可計算出被測信號的有效值。圖1.1為均值檢波的典型電路圖：

??電容兩端的電壓波形如圖1.2所示，流過微安表的電流波形與圖1.2電壓波形相同，可見，只要輸入交流電流幅值不變，流過電流表的波形非常接近一條直線。充放電電路的時間常數(shù)越大或信號頻率越高，輸出波形越接近直線。充放電電路的時間常數(shù)越大，當輸入電流幅值發(fā)生變化時，輸出響應(yīng)越慢。因此，均值檢波電路較適合于幅值相對穩(wěn)定或變化緩慢，而頻率較高的交流電測量。

??而峰值檢波則是對交流信號進行半波或者全波整流，再用充電電容保持整流輸出的脈動直流信號的峰值，得到較為平緩的直流信號。

??對于數(shù)字采樣的儀表，圖中微安表可用取樣電阻替代。并且一般會先將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘栐僮鬓D(zhuǎn)換，電壓半波整流的均值檢波電路如圖1.3所示。
??但是，上圖存在一些問題：
??① 由于二極管存在壓降，當測量電壓較小時，二極管壓降帶來的影響不能忽略。
??② 這是電阻電容串聯(lián)電路，并不是嚴格的平均電路。
??因此，圖1.3電路不能實現(xiàn)嚴格的整流平均值，我們可以通過將變?nèi)荻O管半波整流電路采用基于精密整流的絕對值電路替代來解決第一個問題，圖1.4為實用的均值檢波電路，圖中只要去除C1，就是全波精密整流電路，本電路在A2構(gòu)成反相加法器上增加積分電容，將其變?yōu)榉聪嗉臃胺e分電路。圖中R3=2R4。

1.2  峰值檢波技術(shù)

??峰值檢波法構(gòu)建的交直流轉(zhuǎn)換電路對交流信號進行半波或全波整流，再用充電電容保持整流輸出的脈動直流信號的峰值，得到較平緩的直流信號，直流信號的幅值就是被測交流信號的峰值，再利用被測信號的峰值與有效值的關(guān)系即可計算出被測信號的有效值。與均值檢波技術(shù)不同的是，它利用的是被測信號的峰值而不是均值來計算有效值。
??峰值因數(shù)是指信號的峰值與有效值的比值。因此，峰值檢波法交直流轉(zhuǎn)換電路得到的測量結(jié)果需要除以峰值因數(shù)才是被測信號的有效值。

1.3  均方根值檢波技術(shù)

??均方根值檢波技術(shù)可以用硬件方法或者軟件算法來實現(xiàn)，如果要用硬件實現(xiàn)的話，可以采用專用的真有效值轉(zhuǎn)換芯片來實現(xiàn)。常用有效值轉(zhuǎn)換芯片有AD536、AD637、LTC1966、LTC1967、LTC1968等。其用法可以參考芯片的datasheet，這里不再贅述。我們來詳細探討下軟件算法的實現(xiàn)。
??均方根值，顧名思義，就是在輸入信號的整數(shù)周期內(nèi)，對輸入信號進行平方，相加平均再開方。我們采用均方根值算有效值的流程通常是先將輸入信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，再根據(jù)信號的頻率選用高速AD對信號進行采樣，最后，我們將采樣值輸入FPGA或者單片機中進行算法處理，得到信號的有效值。這里有兩點要特別注意：
??① 對于頻率較高的信號，我們最好選用采樣率足夠高的AD和主頻足夠高的FPGA來進行處理，否則的話，算出來的有效值誤差會非常大。
??② 在采樣時，最好是按照周期的整數(shù)倍來進行采樣和數(shù)據(jù)處理，如果數(shù)據(jù)處理時不是按照整數(shù)個周期來處理的話，得到的值將會是一個跳動的數(shù)字。
流程圖如下：

2  高精度采樣技術(shù)

??采樣對于電源設(shè)計來說，是極其重要的一部分，采樣精度往往決定了整個系統(tǒng)最終輸出的精度，性能以及穩(wěn)定性，因此，我們在設(shè)計系統(tǒng)的采樣部分時，應(yīng)盡可能地高標準。要想實現(xiàn)高精度采樣，有兩點最重要，第一是AD的選擇，第二則是采樣電路以及濾波算法的選擇。

2.1  AD的選擇

??根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換原理可以把A/D轉(zhuǎn)換器分為兩大類：直接型A/D和間接型A/D。
??直接型A/D將輸入的模擬電壓通過比較直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。而間接型A/D轉(zhuǎn)換器，模擬電壓先被轉(zhuǎn)換為一種中間變量（像時間、頻率、脈沖等），然后再把中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。
??直接型A/D中應(yīng)用較為廣泛的主要有逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器、流水線A/D轉(zhuǎn)換器；間接型A/D轉(zhuǎn)換器中應(yīng)用較為廣泛的主要有雙積分A/D轉(zhuǎn)換器和V/F變換A/D轉(zhuǎn)換器。

2.1.1  A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標

??在選擇A/D轉(zhuǎn)換器的時候，要根據(jù)需要選擇性能指標合適的A/D轉(zhuǎn)換器，這就需要我們對A/D的性能指標有一定的了解。
??（1）分辨率
??分辨率表示輸出數(shù)字量變化一個數(shù)字量，輸入的模擬電壓的變化量，轉(zhuǎn)換器的分辨率定義為滿刻度電壓與2的n次方的比值，其中n代表A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)。
??（2）轉(zhuǎn)換速率
??轉(zhuǎn)換速率是指A/D轉(zhuǎn)換器完成一次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換所需要的時間。不同的A/D的轉(zhuǎn)換時間是不一樣的，根據(jù)實際需要轉(zhuǎn)換速率合適的A/D。
??（3）量化誤差
??量化誤差是由于A/D轉(zhuǎn)換器的有限分辨率而引起的誤差。量化誤差是指量化結(jié)果和被量化模擬量的差值，顯然量化級數(shù)越多，量化的相對誤差越小。分辨率高的A/D具有較小的量化誤差。
??（4）非線性度
??非線性度是指轉(zhuǎn)換器實際的轉(zhuǎn)換曲線與理想轉(zhuǎn)換曲線的偏移，也可以稱為線性度。
??（5）偏移誤差
??偏移誤差是指輸入信號為零時，輸出信號不為零的值，也叫做零值誤差。偏移誤差通常是由A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的放大器或比較器輸入的失調(diào)電壓或電流引起的。在使用A/D轉(zhuǎn)換器前，要先將偏移誤差降到最低，有的A/D轉(zhuǎn)換器有零點調(diào)節(jié)的功能。
??（6）輸入電壓范圍
??A/D轉(zhuǎn)換器一般都有規(guī)定的輸入電壓范圍，使用過程中盡量不要超出范圍，因為這樣會造成對A/D的永久損壞。

2.1.2  A/D轉(zhuǎn)換器的選擇

??對于品種繁多、性能各異的A/D轉(zhuǎn)換器，在設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時要按照以下幾點要求進行選擇。
??（1）A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)
??A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)的確定與整個測量控制系統(tǒng)所要測量控制的范圍和精度有關(guān)。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)至少要比總精度要求的最低分辨率高一位。雖然分辨率與轉(zhuǎn)換精度是不同的概念，但是沒有基本的分辨率就談不上轉(zhuǎn)換精度。但是，選的太高也沒有實際意義，而且會增加系統(tǒng)的成本。
??（2）確定A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率
??A/D的轉(zhuǎn)換速率從s級到ns級都有，實際應(yīng)用中根據(jù)系統(tǒng)需要選擇合適的轉(zhuǎn)換速率。像積分型的A/D轉(zhuǎn)換速率就比較慢，一般用于對溫度、壓力、流量等緩變參量的測量和控制。逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器屬于中速轉(zhuǎn)換器，常用于單片機控制系統(tǒng)、音頻采集等。FLASHA/D轉(zhuǎn)換器屬于高速轉(zhuǎn)換器，適用于雷達、數(shù)字傳輸、瞬態(tài)記錄等實時要求高的測量系統(tǒng)。
??（3）確定工作電壓和基準電壓
??早期設(shè)計的集成A/D轉(zhuǎn)換器需要±15V的工作電源，現(xiàn)在的A/D轉(zhuǎn)換器大多可以在5V～12V范圍內(nèi)工作?；鶞孰妷菏茿/D轉(zhuǎn)換準確的保證，有的A/D帶有內(nèi)部基準比較方便，對于要外接基準的A/D轉(zhuǎn)換器，一定要保證基準電壓幅度穩(wěn)定、準確。必要時使用基準電壓芯片。
??（4）輸入電壓范圍
??A/D轉(zhuǎn)換器根據(jù)用途不一，輸入電壓范圍各異，選擇A/D前一定要注意輸入電壓的范圍，超范圍的電壓輸入可能會導(dǎo)致A/D轉(zhuǎn)換器的永久損壞。

2.1.3  A/D轉(zhuǎn)換器的使用注意事項

??A/D轉(zhuǎn)換器的啟動一般需要外部控制啟動轉(zhuǎn)換信號，一般由CPU提供。A/D轉(zhuǎn)換器的啟動轉(zhuǎn)換信號一般分為兩種：脈沖控制啟動和電平控制啟動。對于電平控制類A/D轉(zhuǎn)換器，電平應(yīng)在轉(zhuǎn)換的全過程中保持不變，否則會中止轉(zhuǎn)換。
??在正常使用中，A/D轉(zhuǎn)換芯片可能會電流突然增大、突然發(fā)熱，這是可控硅現(xiàn)象，是所有CMOS集成電路在使用中都可能發(fā)生的現(xiàn)象。出現(xiàn)這種情況以后，要切斷電源，然后重新打開，又會回復(fù)正常工作。為防止這種現(xiàn)象發(fā)生可采取以下措施：
??（1）盡量避免較大電流干擾竄入電路；
??（2）加強電源穩(wěn)壓濾波措施，在A/D轉(zhuǎn)換芯片的電源入口處加去耦電路。為防止窄脈沖竄入，應(yīng)加一個高頻濾波電容（0.01μF左右）；
??（3）在A/D轉(zhuǎn)換芯片的電源端串一個100～200?的限流電阻，可在出現(xiàn)可控硅現(xiàn)象時有效地限定電流，保護芯片。
??另外現(xiàn)在使用的A/D中一般都自帶采樣保持電路，不需要外面再外接采樣保持電路。

2.2  采樣電路的設(shè)計

??說完了AD的選擇，我們就來聊聊采樣電路的設(shè)計。在電源系統(tǒng)的設(shè)計中，AD的采樣管腳直接采樣的一般都是電壓信號，如果需要采樣電流信號，我們可以先將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號之后再進行采樣，而電壓采樣一般也分為兩種：直流電壓采樣和交流電壓采樣，接下來我們來分別討論這兩種采樣的電路設(shè)計。

2.2.1  直流電壓采樣

??最簡單，最直接的采樣方法：判斷采樣電壓的峰值是否在AD的采樣范圍之內(nèi)，如果信號范圍和AD采樣范圍相吻合，濾波后直接送入AD采樣口進行采樣，這里濾波可以用簡單的LC或者RC濾波。如果信號的范圍超出了AD的采樣范圍，可以用電阻分壓之后再將信號送入AD采樣口進行采樣。如果分壓之后信號幅值太小，可以用運放將信號放大之后再送入AD采樣口采樣。典型的電路圖如圖2.1所示：

2.2.2  交流電壓采樣

??在我國，交流電的頻率一般都是50Hz，對交流電壓的采樣，我們可以先用電壓電流互感器將強交流信號轉(zhuǎn)化為較弱的交流信號，以方便后級采樣。這里對交流互感器的選擇也是有講究的，普通的線圈互感器只能互感交流信號，如果采樣信號是交流加上直流偏置的話，直流信號會被直接過濾掉，從而破壞信號的完整性，為了同時采集直流信號和交流信號，我們可以采用霍爾交流互感器，它可以同時互感直流和交流信號，最大程度地保證信號的完整性。然后，我們可以利用高速AD，以周期為單位采集信號的瞬時值并保存在數(shù)組里，為之后求信號有效值值或者峰值做準備，這里以求信號有效值為例，我們可以用FPGA搭建一個DDS信號發(fā)生器或者買一個DDS發(fā)生器模塊，使得DDS信號發(fā)生器的周期和交流信號的周期成整數(shù)倍關(guān)系，然后根據(jù)DDS信號的節(jié)拍去對采樣信號進行均方根運算，最后將結(jié)果除以那個整數(shù)，即可求得較為精確的交流電壓有效值。

典型采樣電路如圖2.2所示：

      

       

        

         

          

           
            

             

              

               

                

                 

                  

                   

                    

                     

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