电压有效值检波器报告

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1、数字式电压真有效值检波器摘要：本设计以MSP430F149单片机为核心，采用数字式真有效值检测方法对任意波形的有效值进行精确测量。前端信号处理电路包括由运放组成的大信号信号衰减电路，由AD7533和0P27组成的可编程放大器对小信号进行放大，由运放组成的绝对值电路，经过处理后的信号输入MSP430的AD转换端口和频率捕捉测量端口，利用软件进行频率测量和信号采集、峰值、有效值的计算，并利用12864液晶对信号频率、峰值、信号类型、有效值进行显示。硬件部分方案综述:测量交流信号有效值最常用的是平均值响应方法。其测量原

2、理是利用平均值AC/DC转换器获得平均值电压V,再根据正弦波有效值与平均值的确定关系，得到被测信号的有效值VRMS。但是这种方法仅适用丁•不失真的止弦波，假如被测信号存在失真，或者为方波、矩形波、三角波、锯齿波等非正弦波形这种方法就不再成立。而真有效值法在理论上可以求取任意波形信号的真有效值。真有效值的定义式为：%⑴力⑴‘经离散化处理并简化为：%=需£，(町⑵对于不同畸变率的正弦波，如果N取足够大,一般取N二2k,k二1,2,…就能保证准确测量。一、方案选择：方案一：強拟有效值检波器。由交流信号有效值公式(1)可

3、知，有效值检波器应当首先把输人的瞬时电压平方，然后在一定平均时间内取平均值再开方，再在电表上指示输人信号的均方根值。用模拟乘法器来实现平方器，后继一个运放组成的积分器或RC电路进行平均值运算，再用一个乘法器进行开根号运算以组成有效值检波器，若用高质量乘法器和平方根器，则系统误差可以降低至满量程的土0.1%o利用此方法，还可以实现出色的带宽和高速精度。图1.模拟真有效值检波器原理图方案二数字式有效值检波器由A/D转换器、数字信号处理器二犬部分组成。A/D转换器把交流信号转换成数字信号，送入数字信号处理器后，再按有效

4、值的计算公式算出有效值，可见有效值的性能取决于A/D的性能。A/D的最主要指标有位数和转换速度，AD的位数乂和检波器的线性工作范围和精度有关，数字式有效值检波器是按照有效值计算公式设计的，它受温度的影响很小，其带宽由A/D采样的速度所决定，只要输人信号的频率小于A/D采样频率的一半，就可以得岀准确的有效值能。图2.数字有效值检波器原理图综合分析，由于方案一硬件电路相对复杂，电路板的制作、焊接、调试等工作量大，而且精度不容易保证，而方案二的数字式有效值检波器有如下优点：1、线性工作范围大，且随A/D的位数提高而提高

5、2、稳定性好，温度变化影响小3、可以同吋显示信号的有效值、峰值、峰峰值。又考虑到可以采用MSP430内部的12位AD进行数模转换，精度高，而且转换速率高，减少硬件电路，节省成本。故采用方案二。二、AD转换器的选择方案一：采用MSP430内部ADo内部AD的主要特点是：12位高精度，大于200ksps的采样率，软件设定采样保持时间，参考电压软件可编程，ADC核和参考电压模块可以独立关闭，便于控制。方案二采用外部AD转换器AD7810cAD7810是美国模拟器件公司(AnalogDevices)生产的一种低功耗10位

6、高速串行A/D转换器。该产品有8脚DIP和SOIC两种封装形式，并带有内部时钟。它的外围接线极其简单，AD7810的转换时间为2ps,采用标准SPI同步串行接口输出和单一电源(2.7V〜5.5V)供电。在自动低功耗模式下，该器件在转换吞吐率为IkSPS时的功耗仅为27pW,因此特点适合于便携式仪表及各种电池供电的应用场合使用。方案最初选择方案二，但是在调试AD7810的过程中，发现AD始终不工作,在经过了多次调试失败后，最终选择方案一。三、信号前端处理处理因为输入到MSP430单片机的信号电压值必须限制到0〜3V

7、,所以要采用必要的前端处理电路对信号进行衰减、放大、取绝对值运算，使输入到MSP430单片机的信号满足幅值要求。方案一：采用多路反馈电阻加模拟开关选择的方式，对信号进行处理。优点是可以根据需要灵活的对输入信号放大或者衰减，只需改变反馈电阻阻值即可。但是由于反馈电阻阻值不连续和模拟开关的导通电阻不确定造成放大倍数或者衰减倍数很难精确的达到设定值。方案二采用T型电阻网络DA转换器AD7533加运放0P27组成可编程电压放大器，由于DA内部电阻阻值精确，且放大倍数容易由单片机端口进行控制。木设计采用方案二，如果输入信号

8、电压峰值在2V以下，经过绝对值处理后，由MSP430单片机的AD直接对未经处理的小信号进行采样，如果输入信号大于2V,采用另一个量程，先对信号衰减1/3,经过绝对值处理后再输入MSP430单片机的AD端口进行采样，采样信号存在数组中，然后找出采样信号峰值，由单片机端口输出合适电平，将信号放大至需要的倍数，从而构成一个闭环控制系统，提咼前端信号处理电路的精确性和稳定性。He