摘 要: 介紹了一種間接測(cè)量交流電壓有效值的新方法?;诓煌译妷号c基準(zhǔn)電壓比較,會(huì)得到脈寬不同的矩形波這一基本物理現(xiàn)象,利用單片機(jī)測(cè)量矩形波正脈寬,通過(guò)測(cè)寬得到的計(jì)數(shù)值N間接反映正弦電壓有效值。詳細(xì)解釋了測(cè)量原理,并給出了在Matlab/Cftool和Proteus仿真情況下交流電壓UAV、脈沖寬度T、正脈沖測(cè)寬計(jì)數(shù)值N之間的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系,以及計(jì)數(shù)值N與交流電壓有效值UAV間的擬合多項(xiàng)式。此外,還搭建了主要由89C51和LM139組成的硬件電路,實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程,驗(yàn)證了此方法在實(shí)際應(yīng)用中的有效性。
關(guān)鍵詞: 電壓測(cè)量;正脈沖測(cè)寬;多項(xiàng)式擬合
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(lèi)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。
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。
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(xiě)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。
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(mǎn)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。
參考文獻(xiàn)
[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.