【交流电压的真有效值测量研究现状的文献综述3800字】

–PAGE28–交流电压的真有效值测量研究现状的文献综述为了实现对高频非正弦交流电压信号有效值的精密测量，并使之不受被测波形的限制，采用真有效值（TRMS）转换技术把交流信号（AC）转换成直流信号（DC），最后通过对直流信号测量得到精确的结果。交流信号的有效值的测量通常有平均值法，峰值法和定义法三种方法。对于规则的电压信号（如正弦波、三角波、方波等），可以通过测量平均值、峰值等参数，根据定义公式计算得到有效值。这种方法比较简单实用，但是它只对标准的规则波形电压信号才能得到精确的有效值。对于不规则的电压信号或者未知波形的电压信号，使用平均值法，峰值法求电压的有效值就比较困难。定义法又称热转换法，它是根据交流信号的热效应原理来检测的。在相同时间内，交流电压通过采样电阻所发出的热量与直流电压通过同一采样电阻并所发出的热量相等，则该直流电压的大小就是交流电的有效值，又称均方根值（RMS）REF_Ref9599\r\h[4]。根据焦耳-楞次定律定义得到的交流电压真有效值表达式为： （1-1）从定义中可知，真有效值能真正反映被测信号能量大小，具有测量误差受波形的影响小，可以测量各种波形的信号，测量误差受输入信号失真度的影响小等优点。目前实现对非正弦交流电压信号有效值检测的常用方法有三种：基于电子式有效值变换REF_Ref26785\r\hREF_Ref18264\r\h[5REF_Ref18281\r\h~6]、基于数字采样式有效值转换REF_Ref18362\r\h[7~REF_Ref18375\r\h9]和基于热电式有效值转换REF_Ref18578\r\h[10~REF_Ref18614\r\h18]。1.1电子式有效值转换电子式有效值转换是根据式（1-1）利用了该式的定义，用模拟运算电路完成有效值转换，设法使电路稳定时输出电压等于输入交流电压有效值REF_Ref18774\r\h[19]。如图1.1为平方差式有效值变换器。图中变换器的输出电压V0及其反相后的信号-V0分别加在两运算放大器的输入端，被变换的交流信号vx亦同时被加至两运算放大器。若运放的放大增益A=1，则二运放的输出分别为（V0＋vx）及（V0－vx），将它们送至乘法器的二输入端，则乘法器的输出与二输入之积成正比，为k（V02－vx2），k为比例系数。当电路开始工作时，V0=0，积分器的输入电压为－kvx2，V0的电压值变大。这使积分器输入端另一成分V02以起作用，积分器输入电压绝对值减小。直至kV02以的积分与－kvx2的积分作用能相互抵消，V0不再增长，为稳定后的直流电压V0。输出端的直流电压值即为输入信号的有效值Urms。图1.SEQ图1.\*ARABIC1交流有效值数字采样系统框图当输入信号幅值很小时模拟乘法器输出信号特别小，且若V0为负值，则积分器输入k（V02－vx2）有可能使V0继续向负方向变化，造成电压表显示错误。因此该电路动态范围很窄，对于小信号测量精度较低。1.2数字式有效值转换在数字采样测量系统中，一个信号周期T内，根据采样定理对交流信号u(t)进行等间隔N点采样，交流电量的周期必须等于采样周期的整数倍或有理分数倍。交流有效值离散化采样计算公式为： （1-2）中国计量科学院刘越提出一种交流有效值数字采样系统REF_Ref18891\r\h[20]REF_Ref2459\r\h，如图1.2所示。由单片机控制数据采集器（ADC）对经过跟随器后的被测电压信号进行采样，将采样数据传输到CPU内储存，数据通过光电隔离器件发送到微机中，最后进行数据处理。其中ADC是数字采样有效值测量测量系统的核心器件，ADC的性能关系到最终测量结果的准确度。图1.SEQ图1.\*ARABIC2交流有效值数字采样系统框图采用数字采样法对交流电压进行测量，可以获得交流信号的全部信息，包括电压峰值，频率以及有效值等，但是，对于频率波动范围比较大的信号采样较难，导致测量结果不准确。并且为了保证采样测量的高准确度水平，在硬件及软件允许的情况下应该尽可能使得采样点更密集，或者多采集几个周期的信号。且被测交流信号的周期必须是采样周期的整数倍，否则就会产生频率泄漏，导致较大误差。这要求A/D变换器的位数增加，这使得这种转换方式目前只能局限于低频信号的测量。1.3热电式有效值转换热电式有效值转换是建立在西贝克效应基础上，交流电压有效值的定义就是在一周期内它与某直流电压在纯电阻上做功或者说产生热量相等来规定的REF_Ref18957\r\h[21REF_Ref18973\r\h~24]。因此利用热电转换的方法来衡量交流电压的真有效值，而且由于它是直接从有效值定义出发的，能测量各种不同波形的有效值。（2）基于热敏二极管有效值转换LT1088CD是日本生产的热转换型有效值检测专用芯片REF_Ref19133\r\h[25]。图1.4为基于LT1088CD的RMS-DC有效值检测电路，其中灰色部分为集成芯片LT1088CD，D1、D2为感温二极管。输入信号的峰峰值为35V，内部加热电阻为可选50Ω和250Ω，决定了不同的输出有效值范围。被测交流电压VIN经管脚3输入到交流回路的加热电阻器，当电阻器中有交流电流通过时，其热效应产生温度T1，而经过调节电路调整后的直流电流经管脚10输入给直流回路的加热电阻器，由于直流电流的热效应产生温度T2。交流回路的温度通过二极管D1测量，送给的反向输入端，而直流回路通过二极管D2测量后供给运算放大器A1的同向输入端，运放A1对该交直流温度差信号进行放大，放大后的信号经放大器LT1010再次放大，经过二极管D3调节控制直流回路的电压。当T1≠T2时：(1)T1>T2，即运放A1的输出大于0，二极管D3处于导通状态，因而输入直流回路的电压增大，T2升高，使得T2接近T1，运放A1的输出趋于0。(2)T1<T2，即运放A1的输出小于0，二极管D3处于截止状态，因而输入直流回路的电压降低，T2变小，使得T2趋近于T1，运放A1的输出趋近于0。当T2=T1时，此时直流电压就是交流电压的有效值，经过运算放大器A2组成的电压跟随器隔离后输出。当输入频率小于50MHz时，LT1088CD的转换准确度为1%；在输入频率小于100MHz时，准确度为2%REF_Ref19195\r\h[26]。图1.SEQ图1.\*ARABIC3基于LT1088有效值检测电路框图（2）基于热敏晶体管有效值变换Fluke8506A型数字万用表中采用的有效值变换芯片由两组基于热敏晶体管热电变换器集成在一起REF_Ref19260\r\h[27]。如图1.4(a)所示，在一块集成芯片上制作两组特性完全相同的加热电阻和热敏晶体管，分别为R1、R2和Q1、Q2。有效值转换电路如图1.10(b)所示，其工作原理是：待测电压信号施加在加热电阻R1上，由于焦耳热效应，使其温度升高，导致Q1的基极-发射极之间电压变化，Q1控制集电极的电压，差分放大器A1将两个晶体管Q1、Q2的集电极电压Vc1、Vc2进行比较、放大，其输出电压对加热电阻R2施加平衡电压。与R1相同的方式，R2上产生的热量改变晶体管Q2基极-射极之间电压，从而控制集电极的电压Vc2。由于系统的电压负反馈调节，最终使系统达到闭环平衡状态。Fluke8506A电压有效值转换器件(b)电压有效值检测电路框图图1.SEQ图1.\*ARABIC4基于热电阻及热敏晶体管有效值检测电路框图这种电压表的测量范围为6.25mV~600V，测量电压的频率范围为10Hz~1MHz，其附加的频率响应误差小于3.5%。相比于热电偶，它降低了时间常数，提高了响应速度。采用IC工艺制作，两个晶体管参数易配对。但是同一基片上扩散的电阻和PN结靠得太近，会导致电子传感器在直流电压中呈现反向误差REF_Ref13789\r\h[28]。目前典型交流电压测量仪表性能参数如表1.1所示。国外的电子仪表发展较早，万用表在精确度方面更是比国内同类型仪表高出许多，可以测量很宽的带宽，但价格非常昂贵REF_Ref14158\r\h[29]。国内的万用表的研究先后经历了引进、发展、创新三个阶段，主要由于专项技术、工艺等各个方面的原因，发展相对国外来说一直很缓慢。现有的万用表技术也就相当于国外80年代的水平，研发的大多数是中低档的数字万用表，高档万用表的研发种类较少且不成熟。因此，本文采用实验室研制的热电堆式薄膜热电变换器作为交直流转换器件，根据多元薄膜热电变换器基本工作电压范围，设计了量程自动转换电路，自动完成对大电压信号进行衰减，对小电压信号进行放大的功能，将交流电压测量范围扩大到2mV~750V。表1.SEQ表1.\*ARABIC1典型交流电压测量仪表性能参数万用表类型频率范围量程范围频率响应误差VC890D三位半40Hz~400Hz~200V±(0.8%读数+5个字)40Hz~200Hz~750V±(1.2%读数+10个字)华谊MS8040四位半40Hz~10kHz~750V40Hz~60Hz：±(读数0.5%+30个字)60Hz~5kHz：±(读数1.5%+30个字)5kHz~10kHz：±(读数2.5%+30个字)Agilent34401六位半3Hz~300kHz~750V3Hz~5Hz：±(读数1%+量程0.03%)5Hz~10Hz：±(读数0.35%+量程0.03%)10Hz~20kHz：±(读数0.04%+量程0.03%)20kHz~50kHz：±(读数0.1%+量程0.05%)50kHz~100kHz：±(读数0.55%+量程0.08%)100kHz~300kHz：±(读数4%+量程0.5%)Fluke8508八位半1Hz~1MHz~1000V1Hz-10Hz：±（70ppm读数+60ppm量程）10Hz-40Hz：±（70ppm读数+10ppm量程）40Hz-100Hz：±（50ppm读数+10ppm量程）100Hz-2kHz：±（30ppm读数+10ppm量程）2kHz-10kHz：±（50ppm读数+10ppm量程）10-30kHz：±（100ppm读数+20ppm量程）30-100kHz：±（250ppm读数+100ppm量程）100kHz-300kHz：±（0.15%读数+0.1%量程）300kHz-1MHz：±（1%读数+0.5%量程）TH1912A双通道数字交流毫伏表5Hz~5MHz~300V5Hz-20Hz：±(4%读数+0.5%满度)20Hz-2MHz：±(2%读数+0.5%满度)2MHz-3MHz：±(3%读数+0.5%满度)3MHz-5MHz：±(4%读数+0.5%满度)SP2271型数字超高频毫伏表10kHz~1000MHz~10V10kHz~100MHz：±2%100MHz~200MHz：±4%200MHz~500MHz：±10%500MHz~1000MHz：±15%参考文献赵群.基于51单片机量程自动转换系统设计[J].现代电子技术,2014,37(05):140-142.匡迎春.一种数字式仪表的量程自动转换装置的研制[J].湖南农业大学学报,2002,28(06):519-521张永友.高精度万用表降噪与校准技术研究[D].电子科技大学，2016.Kolanko,JK.Accuratemeasurementofpower,energy,andtrueRMSvoltageusingsynchronouscounting[J].IEEETransactionsonInstrumentation&Measurement,1993,42(3):752-754.BudovskyI,AbidinARBZ,YanAYK.APMPinternationalcomparisonofAC-DCtransferstandardsatthelowestattainablelevelofuncertainty[J].IEEETransactionsonInstrumentationandMeasurement,2005,54(2):795-798.吴正伟,王建赜,纪延超.任意信号波形真有效值检测的实现[J].继电器,2001(12):25-26+42.徐垦.交流信号真有效值数字测量方法[J].华中科技大学学报,2006,34(2):51-54.IhlenfeldWGK,MohnsE,BachmairH,etal.Evaluationofthesynchronousgenerationandsamplingtechnique[J].IEEETransactionsonInstrumentation&Measurement,2003,52(2):371-374.Pogliano,U.PrecisionmeasurementofACvoltagebelow20HzatIEN[J].IEEETransactionsonInstrumentationandMeasurement,1997,46(2):369-372.李沂乘.采样计算方法测量交流电压有效值误差分析[J].电子测量与仪器学报,2008,22(S2):62-65.HermachFL,KinardJR,HastingsJR.MultijunctionThermalConvertersastheNBSPrimaryAC-DCTransferStandardsforACCurrentandVoltageMeasurements[J].IEEETransactionsonInstrumentation&Measurement,1987,IM-36(2):300-306.顾洪涛,竺春.双热偶交直流变换器（AC／DC）的研究[J].仪器仪表学报,1996,017(002):183-187.A.I.Nefedev,E.E.Nefedeva,AccurateAC/DCvoltagemeasurementsusingelectrostaticcomparator,JoumalofElectrostatics[J].2016,82:17-21.BudovskyI,AbidinARBZ,YanAYK.APMPinternationalcomparisonofAC-DCtransferstandardsatthelowestattainablelevelofuncertainty[J].IEEETransactionsonInstrumentationandMeasurement,2005,54(2):795-798.KatzmannFL,KlonzM.Fastthin-filmisothermalac-dcconverterwithradiometricsensing[J].IEEETra