正弦交流電壓表

2020-07-29 15:21 作者:硬木課堂 0人讀過 | 我要投稿

背景知識：有效值定義是如果交流電和直流電分別通過同一電阻，兩者在相同時間內(nèi)消耗的電能相等，則此直流電的數(shù)值就稱為交流電的有效值。正弦波的峰峰值是指正弦信號的波峰減去波谷的電壓值，也就是最大減最小的差值。對于正弦交流信號，交流有效值 = 峰峰值/2 * 0.707 。正弦全波整流的直流平均值 = 0.9*交流有效值。這個關(guān)系式是正弦波有效值的計算，其它波形并不試用。

設(shè)計目標(biāo)：設(shè)計一個正弦交流電壓表，輸入電阻大于1MΩ，能在頻率范圍10Hz到10KHz內(nèi)測試5mV到5V有效值的正弦信號。

方案分析：正弦交流電壓表可以用數(shù)字方法，模擬方法和數(shù)?；旌戏椒▉磉M行設(shè)計。如下表

本文檔選擇模擬方法進行設(shè)計，這樣便于分析各級模擬電路，并且適合初學(xué)模電沒有單片機基礎(chǔ)的人員。

可變量程單元設(shè)計

根據(jù)設(shè)計目標(biāo)，輸入電阻大于1MΩ，頻率范圍10Hz到10KHz，5mV到5V有效值。1000倍分為3個檔，每個檔10倍。計算下來第一檔5mV到50mV，第二檔50mV到500mV，第三檔500mV到5V。電壓表頭的電壓范圍是0到5V。設(shè)定三個檔的分壓比例分別為K1，K2，K3。運放固定的總增益為A。

電阻使用1M，100K，11.1K來分壓，實現(xiàn) 1/10 和1/100。其中11.1K用10K 1K和100歐串聯(lián)。這樣總電阻為 1.11M，大于1MΩ。

需要注意的是，由于分壓電阻大，需要選擇FET輸入型的運放。這樣運放的輸入端偏置電流影響小。選擇TL082運放。

考慮到最大頻率10KHz和運放的帶寬，所以將總增益分為兩部分，各10倍。一個10倍增益放在分檔的固定增益運放里。一個10倍放在最后一級的正向放大器中。

精密全波整流電路設(shè)計

這里用到的精密整流電路，是教科書中的經(jīng)典電路。利用了運放的負(fù)反饋，抵消了二極管的導(dǎo)通壓降。電路原理分析如下

第一級運放

?????? Vin正時，D2導(dǎo)通，D1斷開。UA= -2*Vin正

?????? Vin負(fù)時，D2斷開，D1導(dǎo)通。UA=0.

第二級反向加法器

?????? Vo= -（（Vin正+Vin負(fù)）+ （-2*Vin正）+0）

?? ? ? ? ? = -（ -1*Vin正）+ Vin負(fù)）

?????????? = Vin正+ （-1*Vin負(fù)）

?????? -1*Vin負(fù)表示把負(fù)半周翻轉(zhuǎn)上來。實現(xiàn)整流。

原理圖如下：（調(diào)節(jié)Rp使兩個半波的峰值一致，Rp在10K附近）

用硬木課堂測試波形

AIN1（CH1）觀察Vin，AIN2（CH2）觀察Vo，AIN3（CH3）觀察UA。信號源設(shè)置200Hz，1000mVpp。

反向加法器輸出= -1*（CH1+CH3），就是-1*math的結(jié)果?？梢钥吹?math取反后跟CH2一致。

最后一級RC低通和正向放大器

根據(jù)10Hz和100K，f = 1/（2πRC）計算得出C =159nF，選擇220nF陶瓷片電容來使用。根據(jù)前面的分析，正弦全波整流的直流平均值 = 0.9*交流有效值。在最后一級調(diào)節(jié)增益（10倍附近），使分檔的滿量程對應(yīng)到電壓表頭的滿量程，完成定標(biāo)。

整體實物電路搭建如下

第一級分檔和固定增益電路測試

開啟電源給電路供電，信號源設(shè)置1K，100mVpp信號輸出。分檔開關(guān)撥在1檔。

示波器AIN1（CH1）測試輸入信號，AIN2（CH2）測試輸出信號。在測量區(qū)域右鍵添加有效值測量?？梢钥吹皆鲆鏋?387.67/35.58=10.89 跟原理圖中正向放大器11倍吻合。

同樣方法，將分檔開關(guān)撥到1/10和1/100進行測試。1/10時，信號源發(fā)1000mVpp信號。1/100時，信號源發(fā)8000mVpp信號。

實測增益1.07（理論值1.1） ? ? ? ? ? 實測增益0.106（理論值0.11）

增益誤差可以在最后一級定標(biāo)時進行補償。這里只要保證每個檔之間10倍的關(guān)系

精密全波整流電路測試

前面測試過整流前后的波形。這里測試一下全部整流電路的輸入輸出特性。在示波器里，AIN1（CH1）測試輸入，AIN2（CH2）測試輸出。點擊“水平”按鈕，左下角菜單里選擇XY模式。

最后一級定標(biāo)

步驟，將分檔開關(guān)撥在1檔。設(shè)置信號源 1KHz，141mVpp。（141mVpp/2*0.707 = 49.84mV有效值）。調(diào)節(jié)P1可調(diào)電阻，使指針指示在5. 這一檔是 x10mV，所以5表示 5x10mV，也就是50mV有效值。定標(biāo)完成。x10mV定標(biāo)后，其它檔位不用再定標(biāo)。電路的線性保證了其它檔的最大值也對應(yīng)表針5.