高精度真有效值測量電路的設計與實現

譚巍 王衡 徐海明 黃少侃

【摘要】本文介紹了一種基于AD736的高精度真有效值測量電路，詳細論述了該電路的工作原理和性能特點。通過現場測試及實際運行，驗證了該電路在精確測量復雜波形的真有效值時具有一定的實用性。

【關鍵詞】AD736高精度真有效值

一、引言

在現代測量中經常會遇到各種波形，傳統方法是通過計算平均值來對其進行測量，這種方法只能用于指定的波形如正弦波和三角波等，如果波形一變，測出的讀數就不準確，故測量中應當采用有效值而非平均值。

交流電流的有效值（RMS-root mean square）針對的是正弦波，它等于在同一電阻性負載回路中，與其產生等熱量的直流電流的大小，通過電路對輸入交流電壓進行“平方一求平均值一開平方”運算得到，而真有效值（True-RMS）對于正弦波而言，兩者完全相同，并且它是對復雜波形的RMS擴展，其最大優點是能夠精確測量各種電壓波形的有效值，而不必考慮被測波形的參數以及失真。由于平均值測量的測量值比真實值最大可小40%，諸如電力元器件中熔斷器和斷路器等熱元件如采用測量平均值，測量結果將產生錯誤從而導致誤操作，故真有效值測量對于任何非正弦波和帶有非線性負載的裝置意義重大。

二、電路組成及工作原理

本文提出一種高精度真有效值測量電路，它主要以美國AD公司的AD736芯片為主，電路主要由量程變換、AC/DC轉換、精密放大三大部分組成。電路框圖如圖1所示。

AD736是經過激光修正的單片精密真有效值AC/DC轉換器。如圖2，它采用雙列直插式8腳封裝，其主要特點是準確性高、靈敏度好、測量速率快、頻率特性好、輸入阻抗高、輸出阻抗低、電源范圍寬且功耗低，用它測量正弦波電壓的綜合誤差不超過士0.3%。

由于AD736的滿量程為200mVRMS，輸入信號VIN在進入AD736之前首先要經過量程變換，即加入分壓電阻9.1kΩ和1.0kΩ，將輸入信號VIN衰減到200mV以內。

輸入信號VIN從AD736的2腳輸入，1腳經隔直電容C1接至8腳（COM），6腳輸出電壓為即真有效值，它不包含直流分量。7腳接+12V電源，4腳接-12V電源。3腳CF為輸出端濾波電容，取10uF。5腳CAV為平均電容，它是AD736的關鍵外圍元件，用于進行平均值運算。其大小將直接影響到有效值的測量精度，在本電路中取33uF。

由于輸入前對VIN經行了量程變換，為了對AD736輸出的信號進行還原，在AD736輸出端應加入相同比例的放大電路。本電路中，為提高精度，固定電阻R8取值應盡量大，可變電阻VR1取值在保證放大范圍的同時應盡量取小，以減小VR1在調節的過程中由于人為轉動而帶來的誤差，故R8和VR1分別選50kΩ和2kΩ。同時運放選用低失調、低溫漂高精度運算放大器OPA2277。為抑制干擾，在運放接電源的引腳處加入了去耦電容，在電路的電源輸入端加入了濾波電容。電路圖如圖3所示。

三、性能測試

3.1電壓轉換測試

對于上述電路設計，現在利用Tektronix AFG3022B信號源輸入50Hz、0～2V交流電、Agilent Technologies Dso-X 3054A示波器校準真有效值和觀察頻率、Fluke 115C數字萬用表在輸出端測量轉換后的直流電壓，詳細數據見表1：

測試結果說明：本電路的AC/DC轉換精度高，誤差不超過0.26%。

3.2頻率特性測定

當信號源輸入VACRMS=1.000V，頻率在50Hz～200kHz間變化時，詳細數據見表2：

測量結果說明，AD736可在一定頻帶內測量，但轉換精度受頻率影響較大，當頻率在工頻（50Hz）左右時，誤差為0；頻率到1kHz時，誤差變為1.3%；當頻率到200kHz時，誤差已達9.8%。從圖4頻率特性可以看出，隨著頻率增大，誤差總趨勢是繼續變大。故為使AC/DC轉換精度高，應盡量在工頻段調整和工作。

3.3波形測試

當輸入VACRMS=1.000V，頻率為50Hz時，分別對正弦波、方波、三角波及脈沖波進行測試，詳細數據見表3：

通過測試可知，本電路可以較準確地將各種波形輸入的真有效值轉換為直流電壓。

四、結論

本電路實現后，在某強電大功率發射試驗中多次進行試驗，結果表明，控制終端收到的經本電路輸出的檢測信號準確無誤，指示終端顯示穩定可靠，從而驗證了該電路在精確測量復雜波形的真有效值時具有一定的實用性。

參考文獻

[1]Low Cost，Low Power，Ture RMS-to-DC Converter AD736Analog Device DATASHEET，USA，2004

[2]劉春生. 真有效值AC/DC轉換器AD736及其在RMS儀表電路中的應用. 國外電子元器件. 2001.9

[3]崔智勇，李建科. 真有效值轉換器AD736及其應用. 河北工業大學學報. 2005.8