高精度真有效值测量电路的设计与实现

谭巍 王衡 徐海明 黄少侃

【摘要】本文介绍了一种基于AD736的高精度真有效值测量电路，详细论述了该电路的工作原理和性能特点。通过现场测试及实际运行，验证了该电路在精确测量复杂波形的真有效值时具有一定的实用性。

【关键词】AD736高精度真有效值

一、引言

在现代测量中经常会遇到各种波形，传统方法是通过计算平均值来对其进行测量，这种方法只能用于指定的波形如正弦波和三角波等，如果波形一变，测出的读数就不准确，故测量中应当采用有效值而非平均值。

交流电流的有效值（RMS-root mean square）针对的是正弦波，它等于在同一电阻性负载回路中，与其产生等热量的直流电流的大小，通过电路对输入交流电压进行“平方一求平均值一开平方”运算得到，而真有效值（True-RMS）对于正弦波而言，两者完全相同，并且它是对复杂波形的RMS扩展，其最大优点是能够精确测量各种电压波形的有效值，而不必考虑被测波形的参数以及失真。由于平均值测量的测量值比真实值最大可小40%，诸如电力元器件中熔断器和断路器等热元件如采用测量平均值，测量结果将产生错误从而导致误操作，故真有效值测量对于任何非正弦波和带有非线性负载的装置意义重大。

二、电路组成及工作原理

本文提出一种高精度真有效值测量电路，它主要以美国AD公司的AD736芯片为主，电路主要由量程变换、AC/DC转换、精密放大三大部分组成。电路框图如图1所示。

AD736是经过激光修正的单片精密真有效值AC/DC转换器。如图2，它采用双列直插式8脚封装，其主要特点是准确性高、灵敏度好、测量速率快、频率特性好、输入阻抗高、输出阻抗低、电源范围宽且功耗低，用它测量正弦波电压的综合误差不超过士0.3%。

由于AD736的满量程为200mVRMS，输入信号VIN在进入AD736之前首先要经过量程变换，即加入分压电阻9.1kΩ和1.0kΩ，将输入信号VIN衰减到200mV以内。

输入信号VIN从AD736的2脚输入，1脚经隔直电容C1接至8脚（COM），6脚输出电压为即真有效值，它不包含直流分量。7脚接+12V电源，4脚接-12V电源。3脚CF为输出端滤波电容，取10uF。5脚CAV为平均电容，它是AD736的关键外围元件，用于进行平均值运算。其大小将直接影响到有效值的测量精度，在本电路中取33uF。

由于输入前对VIN经行了量程变换，为了对AD736输出的信号进行还原，在AD736输出端应加入相同比例的放大电路。本电路中，为提高精度，固定电阻R8取值应尽量大，可变电阻VR1取值在保证放大范围的同时应尽量取小，以减小VR1在调节的过程中由于人为转动而带来的误差，故R8和VR1分别选50kΩ和2kΩ。同时运放选用低失调、低温漂高精度运算放大器OPA2277。为抑制干扰，在运放接电源的引脚处加入了去耦电容，在电路的电源输入端加入了滤波电容。电路图如图3所示。

三、性能测试

3.1电压转换测试

对于上述电路设计，现在利用Tektronix AFG3022B信號源输入50Hz、0～2V交流电、Agilent Technologies Dso-X 3054A示波器校准真有效值和观察频率、Fluke 115C数字万用表在输出端测量转换后的直流电压，详细数据见表1：

测试结果说明：本电路的AC/DC转换精度高，误差不超过0.26%。

3.2频率特性测定

当信号源输入VACRMS=1.000V，频率在50Hz～200kHz间变化时，详细数据见表2：

测量结果说明，AD736可在一定频带内测量，但转换精度受频率影响较大，当频率在工频（50Hz）左右时，误差为0；频率到1kHz时，误差变为1.3%；当频率到200kHz时，误差已达9.8%。从图4频率特性可以看出，随着频率增大，误差总趋势是继续变大。故为使AC/DC转换精度高，应尽量在工频段调整和工作。

3.3波形测试

当输入VACRMS=1.000V，频率为50Hz时，分别对正弦波、方波、三角波及脉冲波进行测试，详细数据见表3：

通过测试可知，本电路可以较准确地将各种波形输入的真有效值转换为直流电压。

四、结论

本电路实现后，在某强电大功率发射试验中多次进行试验，结果表明，控制终端收到的经本电路输出的检测信号准确无误，指示终端显示稳定可靠，从而验证了该电路在精确测量复杂波形的真有效值时具有一定的实用性。

参考文献

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

[2]刘春生. 真有效值AC/DC转换器AD736及其在RMS仪表电路中的应用. 国外电子元器件. 2001.9

[3]崔智勇，李建科. 真有效值转换器AD736及其应用. 河北工业大学学报. 2005.8