有效值电压表的设计与制作Word格式文档下载.docx

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√2

　　U=Um（峰值）÷

　　I=Im（峰值）÷

　　交变电压有效值和交变电流有效值符号通常与恒定电压，恒定电流符号一样。

分别是U和I。

正弦半波交流电E（有效值）=Em（峰值）/2。

4、真有效值

所谓真有效值，是说无论什么样的波形（当然有一定的限度），比如方波、三角波，测出来的都准确。

非真有效值的，只对于正弦波才有效。

即只有在正弦波的情况下，读数才准确。

真有效值测量的原理，最常用的是电子方式的，涉及平方或乘积算法。

另外一种是基于热效应的。

非真有效值测量电路，一般就是检波/整流，得到的是电压（或电流）的平均值。

调整放大/比例系数，使得在正弦波输入的情况下该平均值正好与有效值相等。

绝大多数电路元器件的极限容量值是由保证元器件不过热而可以散发的热量所决定的。

例如，电缆的容量是由特定的安装条件（决定散热的快慢）和最大的工作温度所决定的。

因为含有谐波的电流有着比普通平均测量值要高的有效值，电缆的实际运行电流值往往被低估，因而导致电缆的工作温度比预期的温度要高，结果是电缆的绝缘下降、过早损坏甚至引发火灾。

母线的尺寸取决于母线因对流和热辐射所散发的热量速率与电阻损耗发热速率。

上述速率相等时的温度就是母线的正常工作温度。

通常将母线的正常工作温度设计地足够低以使绝缘和支持材料不过早老化。

就电缆而言，真有效值的测量误差将会导致过高的工作温度。

而母线一般来说体积都很大，它的集肤效应比一般的小规格导线要明显的多，从而导致温度进一步提高。

其他的一些电力元器件，如熔断器和断路器的热元件，它们的额定电流值是根据有效值来制定的，因为它们的特性和散热紧密相关。

这就是误跳闸的根本原因所在。

真实电流大于所预期电流，导致断路器一直工作在过电流状态，长期工作可能会引起跳闸。

处于过电流状态断路器对温度非常敏感出的问题，难以预测。

任何由误跳闸引起的断电所造成的事故损失都可能是巨大的，例如，电脑系统数据丢失和生产控制系统瘫痪等等。

很明显，只有真有效值仪表才能给出正确的测量值，才能正确确定电缆、母线和断路器的额定值。

一个很重要的问题：

怎样才能知道仪表是否是真有效值仪表？

通常可以通过产品说明书作出判断，可往往是在实际需要的时候产品说明书并不在手边。

有一个很好的办法：

分别用已知的平均值仪表（往往是手头最便宜的那种）或真有效值仪表和待定的测量仪同时测量象个人电脑这样非线性负荷的电流和白炽灯回路的电流值，比较其读数。

对于白炽灯负荷，两种测量仪的读数应一致。

而在接入个人电脑后一台仪表的读数比另外一台仪表大很多（比如说２０％以上）则此仪表很可能是真有效值仪表。

若此时两表读数接近，说明两种仪表是同一类型的。

真有效值测量对于任何带有很多非线性负载（个人电脑、电子镇流器和紧凑型荧光灯等）的装置意义重大。

平均值测量仪的测量值比真实值最大可小４０％，从而会导致电缆和断路器在¡

不满载¡

状态下而出现故障和频繁误跳闸。

非真有效值的测量

1、非真有效值测量

在测量一个纯正弦波（仅限于纯正弦波）时，简单的测出平均值（0.636倍峰值），再乘以波形因数1.111（即0.707倍峰值）所得到的数值是完全正确的，这个数值也被称为有效值。

这种方法被广泛用于所有的模拟测量仪（此时平均值是靠线圈运动的惯性和阻尼作用来实现的）和所有旧式、仪表和大多数电流表数字万用表上。

这种技术被称为¡

平均读数，按有效值校准¡

的测量方法。

问题是这种测量方法只适用于纯正弦波，而在现实的电气装置中根本不存在纯正弦波。

2、设想

最大值/有效值=0.707

有效值/平均值=1.11

我认为MCU做采样值的累加和最容易,而求最大值不易（可能不在采样点上）如果有效值/平均值=1。

11成立：

则10个周期111个点采样的平均值=111个点采样值的累加和/111。

故有效值=1.11*平均值=1.11*111个点采样值的累加和/111。

即10个周期的有效值=累加和/100。

如果上式的计算单位为伏特（V），为避免除法运算，可改为计算单位为mV。

即10个周期的有效值的mV值=累加和/100*1000=10*采样值的累加和（mV）。

或10个周期的有效值的10mV值=累加和/100*100=采样值的累加和（10mV）。

同理：

若搞它1个周期采样111个点（如果ADC速度够），应该更简单。

当然：

本算法要求是标准的正弦波信号...

注意：

以上累加和都表示为AD转换的结果值。

真有效值测量方法一（AD536）

（1）AD536A的工作原理

AD536A是将真有效值转换成直流的单片集成电路，可以连续、实时地计算输入信号平方、平均值，且得到的直流电压值正比于输入信号的有效值RMS。

AD536A计算RMS时，首先求行绝对值（整流电路）、第二步进行平方计算；

第三步是平均计算，即除以反馈回来的输出电压；

最后再经滤波器得出结果。

这里很重要的一条是要求平均的时间常数要远大于待测信号的周期，这样才能保证测试的精度。

（2）AD536A电路分析

AD536A的典型RMS连接图如图4所示。

AD536A由以下四部分组成：

绝对值电路（整流电路）；

平方电路和平均电路；

电流镜电路；

缓冲放大器电路。

AD536A的电路原理图如图5所示。

运算放大器A1、A2和晶体管Q6的B-E结及电阻R3、R4、R5、R6组成的部分是典型的求绝对值电路，该电路的主要作用是实现绝对值的电压/电流转换。

I1=|VIN|/R4

（1）

运算放大器A3和晶体管Q1、Q2、Q3、Q4组成的是单象限乘法/除法（平均）电路。

I1流过晶体管Q1、Q1、I3流过Q3，分别作用于Q4的发射极和基极，从而得到：

I4=I12/I3

（2）

电流I4流过低通滤波电路R1和CAV（外接电容）后，又返回驱动电流镜产生I3，当时间常数R1CAV远大于待测信号的周期时，则I3就是I4的平均值。

由有效值的定义和式

（2）可知，I4实际上就是I1的有效值I1rms。

电压输出是由Iout产生的。

从电流镜电路可知Iout=2I4，即Iout=2I1rms。

经过电阻R2，转换成输出电压：

Vout=IoutR2=2L1rms¡

1/2R4=I1rmsR4=（VIN）rms（3）

式中，R4=50kΩR2=25kΩ

（3）AD536A测量精度分析

AD536A使用极其方便，只有一个外接电容CAV。

因此，求平均值时的时间常数是R1CAV.时间常数的大小是影响测量精度的主要因素。

若输入信号是变化缓慢的直流信号，AD536A的输出能够准确地跟踪输入信号。

对于较高频率变化的输入信号，AD536A的输出就近似等于输入信号的有效值RMS，存在直流误差和波纹起伏。

直流误差的大小取决于输入信号的频率和外接电容CAV的值。

输出信号尚有波纹的起伏变化。

有两种方式可减小波纹：

一是增加外接电容CAV的。

因为波纹的大小是反比于CAV值的，所以增加CAV的值可以有效地减小波纹的大小。

对于测量低占空比的脉冲系列（这下

是液晶屏采样电流脉冲的特点）的输入信号，要求平均的时间常数R1CAV至少等于7倍输入信号周期。

AD736测量真有效值

1、概述

在科学实际和生产实践中，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，并使之不受被测量波形的限制，可以采用真有效值转换技术，即不通过平均这算而是直接将交流信号的有效值按比例转换为直流信号。

真有效值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。

AD736是美国AD公司生产的一种真有效值AD/DC芯片。

2、特性

AD736是经过激光修正的单片精密真有效值AC/DC转换器，其主要特点是准确度高，灵敏性好（满量程为200mVRMS）、测量速度快、频率特性好、输入阻抗高、输出阻抗低、电源范围宽且功耗低最大的电源工作电流为200uA。

用来测量正弦波电压的综合误差不会超过正负3%。

3、工作原理及引脚

AD736的内部框图如上图所示。

它主要由输入放大器、全波整流器、有效值单元、偏置电路、输出放大器等组成。

芯片的2脚为被测信号VIN输入端，工作时，被测信号电压加到输入放大器的同相输入端，而输出电压经全波整流后送到RMS单元并将其转换成代表真有效值的直流电压，然后再通过输出放大器的Vo端输出。

偏置电路的作用是为芯片内部各单元电路提供合适的配置电压。

AD736采用双列直插式8脚封装，各引脚功能如下：

+Vs：

电源正极，电压范围为2.8~16.5V；

-Vs：

电源负极，电压范围为-3.2~-16.5V；

Cc：

低阻抗输入端，用于外接低阻抗的输入电压，通常被测电压需经耦合电容Cc与此端相连，通常Cc的取值范围为10~20uf。

当此端作为输入端时，第2脚VIN应接到COM；

VIN：

高阻抗输入端，适合于接高阻抗输入电压，一般以分压器作为输入级，分压器的总输入电阻可选10M，以减少对被测电压的分流。

该端有两种工作方式可选择：

第一种为输入AC+DC方式，该方式将1脚Cc与8脚COM短接，其输出电压为交流真有效值与直流分量之和；

第二种方式为AC方式，该方式是将1脚经隔直电容Cc接至8脚，这种方式的输出电压为真有效值，它不包含直流分量。

COM：

公共端；

Vo：

输出端；

CF：

输出端滤波电容，一般取10uF；

CAV：

平均电容，它是AD736的关键外围元件，用于进行平均值运算。

其大小将直接响应到有效值的测量精度，尤其在低频时更为重要。

多数情况下可选33uf。

3、典型应用电路

4、应用注意事项

（1）当被测交流电压超过200mVRMS时，必须在AD736前加一级分压器，以将被测电压缩减到200mV以内。

在采用AD736典型电路制作RMS仪表时，可在AD736的输出端按1.0级、200mV直流毫伏表，或接3位半数字电压表（DVM）。

也可利用典型的500型万用表的直流电压档，加上AD736的典型应用电路改制成RMS仪表，AD736应用电路的电源可取自万用表内的9V电池。

（2）若要测量交流电流的真有效值，应在AD736前面加一级分流器，此时应用AD736可选图6所示电路。

（3）设计高精度真有效值RMS时，还应考虑被测电压的波峰因素Kp的影响，应仔细选择合适的CAV。

常见的正弦波、方波、三角波、锯齿波的Kp《2，此时CAV可取33uF。

但对于窄脉冲或晶闸管的波形，由于Kp》2，因此应适当增大CAV的容量，以延长取平均值的时间，从而减少由Kp》2所引起的附加误差。

基于单片机和ADC芯片进行有效值测量

有效值的定义：

有效值是根据电流热效应来规定的，让一个交流电流和一个直流电流分别通过阻值相同的电阻，如果在相同时间内产生的热量相等，那么就把这一直流电的数值叫做这一交流电的有效值。

在本系统中输入电压送A/D芯片，单片机AT89S52控制A/D转换芯片进行转换，转换后数据再送单片机AT89S52计算处理，处理后的数据送给数码管显示。

图系统框图

此设计主要是选用AD芯片转换输出数据进行显示，所以方案论证主要考虑使用何种AD芯片。

1.TLC1549串口转换芯片

TLC1549是美国德州仪器公司生产的具有串行控制、连续逐次逼近型的模数转换器，它采用两个差分基准电压高阻输入和一个三态输出构成三线接口，其中三态输出分别为片选（CS低电平有效），输入／输出时钟（I／OCLOCK），数据输出（DATAOUT）。

TLC1549引脚排列如图1所示。

TLC1549能以串行方式送给单片机，由于TLC1549采用CMOS工艺。

内部具有自动采样保持、可按比例量程校准转换范围、抗噪声干扰功能，而且开关电容设计使在满刻度时总误差最大仅为±

1LSB（4.8mV），因此可广泛应用于模拟量和数字量的转换电路。

它还具有以下特点：

1）TLC1549模拟数字转换器（A/D）串行控制

2）10位分辨率A/D转换

3）固有的采样保持

4）片上系统时钟

5）终端兼容TLC549和TLV1549

图1

该TLC1549开关电容，successiveapproximation模拟数字转换器。

这些器件有两个数字输入和一个3态输出[片选（CS）的，输入输出时钟（I/O时钟）和数据输出（数据）]的提供三线接口，串口主机处理器。

该采样保持功能是自动的。

那个转换纳入这些设备的特点差分高阻抗基准投入便利比率转换，缩放，和隔离模拟电路的逻辑和供应噪音。

开关电容设计，让lowerror转换的整个经营自由空气温度范围。

该TLC1549C运作的特点是从0°

C至70°

角该TLC1549I的特点是操作从-40°

C至85°

C该TLC1549M特点是操作，在整个军事温度范围-55℃至125℃之间。

工作原理：

在芯片选择（cs）无效情况下，I/OCLOCK最初被禁止且DATAOUT处于高阻状态。

单串行口把cs拉至有效时，装换时序开始允许I/OCLOCK工作并使DATAOUT脱离高阻状态。

串行接口然后把I/OCLOCK序列提供给I/OCLOCK并从DATAOUT接收前一次转换结果。

I/OCLOCK从主机串行接口接收长度在10和16个时钟之间的输入序列。

开始10个I/O时钟提供采样模拟输入的控制时序。

在cs的下降沿，前一次转换的MSB出现在DATAOUT端。

10位数据通过DATAOUT被发送到主机串行口接口。

为了开始转换，最少需要10个时钟脉冲。

如果I/OCLOCK传达大于10个时钟长度，那么在的10个时钟的下降沿，内部逻辑把DATAOUT拉至低电平以确保其余位的值为零。

在正常进行的转换周期内，规定时间内cs端高电平至低电平的跳变可终止该周期，器件返回初始状态（输出数据寄存器的内容保持为前次转换结果）。

由于可能破坏输出数据，所以在接近转换完成时要小心防止cs被拉至低电平。

TLC1549的理想转换特征如图2所示。

图2

（1）此曲线基于下列假设：

VREF+和VREF-已被调整以便从数字0至1跳变的电压（VZT）为0.0024V，满度跳变电压（VFT）为4.908V。

1LSB=4.8mV。

（2）满度值（VFS）是指其额定中点（midstep）值具有最高的绝对值的那级台阶。

零度值（VZS）是指其额定中点（midstep）值等于零的那级台阶。

但是TLC1549采用C语言设计软件，编译程序不同的编译模式产生的代码不同，因而延时时间很难准确的控制所以不采用TLC1549芯片。

2、A/D转换器芯片ADC0809

ADC0809是8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间为100μs左右。

ADC0809的内部结构

ADC0809的内部逻辑结构图如图4所示。

图4

图4中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。

地址锁存与译码电路完成对A、B、C3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连，表1为通道选择表。

表1

2.2信号引脚

ADC0809芯片为28引脚为双列直插式封装，其引脚排列见图3。

图3

ADC0809主要信号引脚的功能说明如下：

IN7～IN0——模拟量输入通道

ALE——地址锁存允许信号。

对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。

START——转换启动信号。

START上升沿时，复位ADC0809；

START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；

在A/D转换期间，START应保持低电平。

本信号有时简写为ST.

A、B、C——地址线。

通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。

其地址状态与通道对应关系见表9-1。

CLK——时钟信号。

ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。

通常使用频率为500KHz的时钟信号

EOC——转换结束信号。

EOC=0,正在进行转换；

EOC=1,转换结束。

使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。

D7～D0——数据输出线。

为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。

D0为最低位，D7为最高

OE——输出允许信号。

用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。

OE=0，输出数据线呈高阻；

OE=1，输出转换得到的数据。

Vcc——+5V电源。

Vref——参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。

其典型值为+5V（Vref（+）=+5V,Vref（-）=-5V）.

ADC0809与MCS-51单片机的连接如图5所示。

图5

电路连接主要涉及两个问题。

一是8路模拟信号通道的选择，二是A/D转换完成后转换数据的传送。

8路模拟通道选择

如图6所示模拟通道选择信号A、B、C分别接最低三位地址A0、A1、A2即（P0.0、P0.1、P0.2），而地址锁存允许信号ALE由P2.0控制，则8路模拟通道的地址为0FEF8H～0FEFFH.此外，通道地址选择以

作写选通信号，这一部分电路连接如图6所示。

图6图7

从图中可以看到，把ALE信号与START信号接在一起了，这样连接使得在信号的前沿写入（锁存）通道地址，紧接着在其后沿就启动转换。

启动A/D转换只需要一条MOVX指令。

在此之前，要将P2.0清零并将最低三位与所选择的通道好像对应的口地址送入数据指针DPTR中。

例如要选择IN0通道时，可采用如下两条指令，即可启动A/D转换：

MOVDPTR,#FE00H；

送入0809的口地址，MOVX@DPTR,A；

启动A/D转换（IN0）

此处的A与A/D转换无关，可为任意值。

转换数据的传送

A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。

数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。

为此可采用下述三种方式。

（1）定时传送方式

对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。

例如ADC0809转换时间为128μs，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。

可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。

（2）查询方式

A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。

因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可却只转换是否完成，并接着进行数据传送。

（3）中断方式

把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。

使用上述任一种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。

首先送出口地址并以

信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。

确认转换结束，便可通过指令进行数据传送。

所用的指令为MOVX读指令，则有MOVDPTR,#FE00H

MOVXA,@DPTR该指令在送出有效口地址的同时，发出

有效信号，使0809的输出允许信号OE有 

效，从而打开三态门输出，是转换后的数据通过数据总线送入A累加器中。

这里需要说明的示，ADC0809的三个地址端A、B、C即可如前所述与地址线相连，也可与数据线相连，例如与D0～D2相连。

这是启动A/D转换的指令与上述类似，只不过A的内容不能为任意数，而必须和所选输入通道号IN0～IN7相一致。

例如当A、B、C分别与D0、D1、D2相连时，启动IN7的A/D转换指令如下：

MOVDPTR，#FE00H 

；

送入0809的口地址

MOVA，#07H；

D2D1D0=111选择IN7通道

MOVX@DPTR，A；

启动A/D转换

故本设计最终选用ADC0809芯片。

软件设计

1.程序设计

1.1主程序

在刚上电时，系统默认喜欢显示8个通道的电压状态。

当进行一次循环一次测量后，将显示AD转换值。

主程序在调用显示子程序和读取数据之间循环。

流程图如下

1.2数据采集子程序流程图：

1.3数据转换子程序

80S52的ALE作为ADC0809的时钟CLK，A／D转换器的启动信号START和8路模拟输入地址允许信号ALE由单片机的写信号WR及地址译码输出信号逻辑提供。

ADC0809当作80S52的一个I／O扩展口，取P2．6低电平有效作为片选信号，则IN0～IN1这2个地址通道号分别为BFF8H和BFF9H。

因本设计中有两路输入，所以，B和C接地。

每执行一条输出指令，选通一个通道启动一次A／D转换。

单片机启动A／D转换后，延时等待128μs，再到ADC0809中读取转换结果。

延时子程序与显示子程序见附录源程序部分。

硬件设计

本设计是以单片机AT89S52芯片、A/D转换器为核心设计了一个简易电压有效值测量电路，在硬件方面，输入电压通过ADC0809的一个通道（IN0）送入并进行A/D转换后的数字信号送入D单片机AT89S52中进行处理，再转换成相应的实际电压值，最后通过LED数码管显示，精确到十分位，LED采用动态扫描，软件方面采用C语言编程。

使得整个系统完成一个简易的数字电压有效值表的功能。

系统原理图：

上图为本作品的原理图。

本电路的设计比较简单，主要原理就是利用单片机的控制并计算来自ADC0809的数字信息。

然后再用数码管来显示所转换的数据，即为电压的值。

本设计用P2.5控制ADC0809的START引脚，用P2.7控制OE引脚，P2.6控制EOC引脚。

用P1口接收来自ADC0809的数据信息。

用P0口控制输出给数码管显示。

调试

若没有显示数字首先查看数码管看数码管的几个引脚是否接与程序的定义接口是否一致。

测试验证：

ADC0808有效值的提出0~1.7vAD转换的数据176