張振國，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”定律來定義的?；诖硕x，早期實現(xiàn)有效值的測量方法有：利用熱電偶的熱電變換器，或者采用峰值檢測法、絕對平均法分別測出交流信號的峰值或絕對平均值，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現(xiàn)有效值的實時計算[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，硬件電路相對復(fù)雜，且成本較高。

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

1 測量原理

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的擬合多項式

在Matlab中搭建模型，得到有效值UAV與脈寬T之間數(shù)值對應(yīng)關(guān)系，如圖3所示。在Proteus中，通過單片機(jī)對正脈沖測寬（單片機(jī)的時鐘頻率設(shè)為 12 MHz），得到與脈寬T對應(yīng)的計數(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式：UAV=1.208×10-5×N2-0.058 77×N+372.8， 以及對應(yīng)的殘差，如圖4所示。

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

3 測量方法與應(yīng)用

以上只是仿真實現(xiàn)的測量過程，實際應(yīng)用中需要利用標(biāo)準(zhǔn)信號源和硬件仿真器記錄一組實際電壓和對應(yīng)的計數(shù)值，根據(jù)這組試驗數(shù)據(jù)，利用 Matlab的 Cftool工具箱得到實際應(yīng)用中UAV和N之間的擬合多項式，將擬合多項式寫入程序后，才能通過計數(shù)值N實現(xiàn)電壓的間接測量。

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

圖4 有效值UAV與計數(shù)值N之間擬合曲線

圖5 測量電路框圖

本文介紹了利用單片機(jī)對正脈沖測寬，通過測寬得到的計數(shù)值N間接計算被測交流電壓有效值UAV的新方法。這種測量思想不僅適用于工頻電壓的測量，而且對一切已知波形信號的測量都有參考價值。在整個測量過程，信號調(diào)理電路的性能和擬合多項式的精確度是誤差的主要來源。在滿足這兩個前提下，可以提高單片機(jī)的時鐘頻率來提高測量精度。

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

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

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