間接測(cè)量交流電壓有效值的方法與應(yīng)用*

張振國(guó)，胡姍姍

（上海理工大學(xué)，上海 200093）

交流電壓有效值是根據(jù) “焦耳·楞次”定律來(lái)定義的?；诖硕x，早期實(shí)現(xiàn)有效值的測(cè)量方法有：利用熱電偶的熱電變換器，或者采用峰值檢測(cè)法、絕對(duì)平均法分別測(cè)出交流信號(hào)的峰值或絕對(duì)平均值，再進(jìn)行換算[1]。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，較為理想的方法是利用集成器件實(shí)現(xiàn)有效值的實(shí)時(shí)計(jì)算[1]，這樣的集成器件有真有效值-直流變換器（如AD637），或者其他功能更強(qiáng)大的、基于交流采樣的集成電路[2]（如CS5463）。這類方式均在芯片內(nèi)部或外圍電路中執(zhí)行了A/D轉(zhuǎn)換，硬件電路相對(duì)復(fù)雜，且成本較高。

本文所介紹的測(cè)量方法沒(méi)有采用A/D轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)，雖然測(cè)量精度不及熱功率法或真有效值轉(zhuǎn)換方法，而且當(dāng)測(cè)量信號(hào)頻率變化大、含較多諧波成分時(shí)更會(huì)影響有效值的測(cè)量精度，但測(cè)量速度相比于其他方式有明顯優(yōu)勢(shì)，更適于當(dāng)電源電壓高于或低于某一正常值時(shí)需要做快速處理的工業(yè)設(shè)備的電壓測(cè)量。

1 測(cè)量原理

圖1 交流電壓曲線

圖2 有效值UVA與脈寬T之間的函數(shù)曲線

2 UAV與N的擬合多項(xiàng)式

在Matlab中搭建模型，得到有效值UAV與脈寬T之間數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖3所示。在Proteus中，通過(guò)單片機(jī)對(duì)正脈沖測(cè)寬（單片機(jī)的時(shí)鐘頻率設(shè)為 12 MHz），得到與脈寬T對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值N。綜合Matlab與Proteus的仿真結(jié)果，利用Matlab的Cftool工具箱，可以得到擬合二次多項(xiàng)式：UAV=1.208×10-5×N2-0.058 77×N+372.8， 以及對(duì)應(yīng)的殘差，如圖4所示。

圖3 有效值UAV與脈寬T之間數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 測(cè)量方法與應(yīng)用

以上只是仿真實(shí)現(xiàn)的測(cè)量過(guò)程，實(shí)際應(yīng)用中需要利用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源和硬件仿真器記錄一組實(shí)際電壓和對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值，根據(jù)這組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用 Matlab的 Cftool工具箱得到實(shí)際應(yīng)用中UAV和N之間的擬合多項(xiàng)式，將擬合多項(xiàng)式寫入程序后，才能通過(guò)計(jì)數(shù)值N實(shí)現(xiàn)電壓的間接測(cè)量。

圖5所示為測(cè)量電路框圖，被測(cè)電壓經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后與基準(zhǔn)信號(hào)VDC相比較，利用單片機(jī)對(duì)比較器輸出的矩形波正脈沖測(cè)寬，將計(jì)數(shù)值N代入擬合多項(xiàng)式即可得到輸入電壓Uin。調(diào)理電路中的強(qiáng)弱隔離、隔直以及針對(duì)浪涌等現(xiàn)象增加的保護(hù)是設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)需要注意的。在尋找擬合多項(xiàng)式的過(guò)程中，為減小殘差或者降低擬合多項(xiàng)式階次可對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分段處理。

圖4 有效值UAV與計(jì)數(shù)值N之間擬合曲線

圖5 測(cè)量電路框圖

本文介紹了利用單片機(jī)對(duì)正脈沖測(cè)寬，通過(guò)測(cè)寬得到的計(jì)數(shù)值N間接計(jì)算被測(cè)交流電壓有效值UAV的新方法。這種測(cè)量思想不僅適用于工頻電壓的測(cè)量，而且對(duì)一切已知波形信號(hào)的測(cè)量都有參考價(jià)值。在整個(gè)測(cè)量過(guò)程，信號(hào)調(diào)理電路的性能和擬合多項(xiàng)式的精確度是誤差的主要來(lái)源。在滿足這兩個(gè)前提下，可以提高單片機(jī)的時(shí)鐘頻率來(lái)提高測(cè)量精度。

[1]陶紅艷，余成波.傳感器與現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[2]張小鳴，李永新，王正洪.交流采樣電參量測(cè)量模型仿真與 DSP 編程[J].電測(cè)與儀表，2003，40（3）：1，5-8.

[3]陳靜，鄒潔，黃文聰.一種交流電壓的間接測(cè)量方法及其應(yīng)用[J].電測(cè)與儀表，2004，41（9）：3，14-15.