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基于AD637高精度真有效值数字电压表的设计
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种改进的AD637芯片外围电路和由ICL7135为A/D转换器的显示电路，提供一种高精度频 摘 要： 率范围宽的可调式工频数字电压表的设计。 真有效值 测量准确度 频率响应 关键词： This paper introduces the improved peripheral ciruit of chip AD637 and indicated ciruit with chip Abstract： ICL7135 for A/D convertor.The adjustable 50Hz DVM with high precision and wide bandwidth is designed. True RMS Measurement accuracy Frequency response Key words：1 引言目前， 低精度交流数字表大多采用平均值原理 ， 只能测量不失 真正弦波的有 效值 ， 故受到波 形失 真 度的限制而影响测量准确度 和使用范围 。真 有 效值 数字仪表可以测量任何复杂波形而不必考虑波形种 类和失真度的优势以及测量准确度高、 频带范围宽、 响应速度快的优点而得到广泛推广 在真有效值数字 。 电压表设计中， 提高DV M的测量准确度、 稳定性、 改 善线性、 提高频率响应特性是关键。 本文采用高精度 A D637 K D芯片做为真有效值/直流转换器以及采用 ICL7135为A/D转换器构成的交流DVM， 在以上4个方 面进行研究和改进， 设计出一种高精度可调式的4 1/2 位工频交流DVM， 准确度达到0.02级， 频率响应最高 可达到5kHz。转换器 、 单片A / D转换器 、 数字显示等3部分构成， 其 中真有效值交流/直流转换器是核心元件。 本文采用 高准确度的AD637KD芯片， 量程为0~7V， 准确度为± 频带 （0.05%RDG＋0.25mV） 输入阻抗为100MΩ， ， 宽， IN =200mV R MS） f mzx =600kHz； IN≥1V， 当U U （ ， f mz x =8MHz 。 AD637K D的外部元件C AV 的选择至关重 要， 是影响测量准确度和响应时间的重要参数 ， 尽管 增加C AV 的容量可以减少纹波电压产生的交流误差， 但稳定时间也会按比例增加， 使测量时间大为延长。 一般外围电路可通过第9管脚OUT和第6脚DEN设置 一可调电阻来调节， 但难以达到高准确度要求 。 在实 际应用中， 本文从4个方面对外围电路进行改正， 解决 了以上难题 ， 并通过改善线性和增加可调电阻减少其 误差达到提高准确度的要求。 2.2 AD637的工作原理 A D637 K D的管脚排列及内部框图如图1所示主 要包括5部分： 1） （ 有源整流器（亦称绝对值电路） ； 平方/乘法器； 3） （2） （ 滤波放大器； 4） （ 缓冲放大器； 偏置电路。 （5）im.cn2 AD637芯片真有效值/直流转换器设计2.1 概述 真有 效值 交流 DV M一 般由真有 效值 交流 / 直流2008 年第 11 期57应用研究APPLICATION RESEARCH （1~100mV ）藉以提升A D637K D内部缓冲器的静态 工作点。 经实践证明， 此偏置电压能改善AD637KD的 线性性能。 2.3.2 设置两级有源低通滤波器 A D637的低通滤波电路C AV 的选择对A D637K D 的性能很重要。 因它既影响滤波功能 ， 同时也与测量 时间常数有关， AV 参数的选择对两者应互相兼顾， C 有 时则很难做到， 只能权衡兼顾， 使AD637KD性能达到 最佳效果。 而本设计采取了两级低通滤波器就能很好 地解决C AV 参数选择的矛盾。 首先， 在AD637电压输出图1 AD637 管脚排列及内部框图端第9脚增设一个低通滤波器， 起独立滤波作用， 选择 电容C 4的电容值为1μF。 虽其电容值不是很大， 但由于 这里采用由运放U 3 构成电容倍增电路， 使其等效电容 量大为增加， 能很好地改善稳定波形 ； 同时C 4点的电 （1） 容值只有1μ F， 与常规取4μ F相比电容值小了很多， 可 以大大提高测量速度。 此设计解决了滤波功能和测量 速度的矛盾， 改进了AD637KD性能。 另一级低通滤波器由运放U 3B 构成 ， 其电容值 选 择较小， 这里C 6＝C 7 = 0.47μF ， 起到提高测量速度的 （2） （3） 作用， 又可滤除低频分量， 使其输出稳定性好。 2.3.3 选择增益可调比例放大器 为了进一步提高测量准确度 ， 本设计在U 4 输出端 接入了可调比例放大器， 通过调节可调电阻R V1提高准 确度。 比例电阻R 11、R 12、R 13、R 14 选择精密电阻， 其阻+12V 3 +12V C2 105 + 6 C1 105 R1 330k R2 -12V R12 RV1 R10 10k - 2 2 R13 10k 6 U5 OP177 + -12V 3 R15 10k R11 10k 6 +12V U4 OP177 + -12V 3 R9 10k 2 -12V 20 1 + U2A 75k +5V R3 100k 6 3 4 10 C3 105 -12V 2 C4 105 14 13 U2B 9 3 + U3A LF411 1 C5 470P R5 15k R6 15k如图1， 输入电压通过有源整流器转换成单极性 电流I1 ， 加至平方/除法器的一个输入端。 平方/除法器 的输出电流为 ， 有关系式为：1 I= I 4 I 3 2利用I 4 驱动A 4并与C AV构成一个低通滤波器， 0经 U 外部提供一个电流I 3， 完 再通过A 3 返回平方/除法器， 成下述隐含式有效值计算 I = Avg &I F= I （有效值） 3 1 I 4 U 0 = U in U0 2.3 经改进的AD637外部原理电路 经改进的由A D637构成 的真有效值AC/DC转换电路 如图2所示。 A D 6 37 K D芯片真 有 效 值交流/直流转换器外围电路 主要 在以下4 个 地 方进 行 改 进。 2.3.1 设偏置电压改善其线 性性能 输入交 流电 压U i n 经 过 U 1放 大 器 的 缓 冲 隔 离 作 用 输入到A D637K D的1管脚， 同时在 运 放U 2 A 的输入端（1 脚 ）设 置一很小的偏置电压6 U0(DC) +12V + U6 OP177 -12V R14 10k 3 R16 10k 10k +12V in(AC)2 2 1U1 2 LF411 -R4+5V D1 INkR8 91k 474 +12V C6 3 6 U3B 5 + 4C7 474 7-12V图2 AD637KD芯片真有效值交流/直流转换器外部电路图58im.cn2008 年第 11 期APPLICATION RESEARCH 值取9.998 kΩ， 可调电阻RV1 选10Ω精密可调电位器。 2.3.4 在电路中选用高精度的电子元器件 在可调比例放大器部分采用低失调电压的精密运 算放大器OP-177和高精度低温度系数的金属膜精密 电阻。 在输入电压部分采用JEET输入高速运放LF411 做跟随器， 提高输入阻抗。 选用高精度运放可以提高 稳定性能， 减少噪声。 2.4 测试结果 2.4.1 准确度测试 利用FLUKE 5520A输入0.4~2V， 50Hz交流电压， 用FLUKE 8508A在输出端测量经其转换后的直流电 压， 测量结果如表1所示。 表1 AC/DC转换电路的测试结果输入 标准值 （ACV） 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0 100 1k 10k 100k U 0( V ) 1应用研究f ( Hz )图3 频率特性测量结果表明， AD637KD可用于宽频带测量， 但 其转换结果受频率影响较大 ， 频率达到10k H z时， 其 转换误差已接近0.2% 。 为使其在工频 50Hz） 下测量 （ 交流电压的转换精度高， 必须在50Hz下调整它的AC/ DC转换精度。 2.4.3 输入方波、 三角波、 截断正弦波时的测量结果 为了测定波形对其转换结果的影响， 在它的输入 端输入方波、 三角波和截断正弦波电压 ， 波形的峰峰 值为1V， 测量结果如表3所示。 峰峰值与有效值的转换 公式如下： 占空比为1的方波： 有效值=峰峰值×0.5=1×0.5=0.5V 三角波： 有效值=峰峰值×0..2886751V 截断正弦波： 有效值=峰峰值×0..2165063V 表3 输入方波、三角波、截断正弦波的测试结果波形 占空比为1的方波 0.5 0..020 三角波 0...129 截断正弦波 0...255输出 测量值 0......900005 （DCV） 输入 标准值 （ACV） 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5输出 测量值 1.00008 （DCV） 输入 标准值 （ACV） 1.61.100121.200201.300251.400371.500481.71.81.92.0输入标准值（V） 输出测量值 （DCV）输出 测量值 1.60056 （DCV）1.700621.800691.900712.00080误差（%）测试结果表明： 本设计电路的AC/DC转换电路误 差不超过0.05%。 2.4.2 频率特性测试 用FLUKE 5520A多功能校准仪输入40Hz~100kHz 的1V交流电压， 用FLUKE 8508A数字多功能万用表测 量其输出的直流电压， 测量结果如表2所示。 表2 频率特性测试结果输入频率标准 40 45 50 55 60 100 值（Hz） 输出测量电压 0.05 1.28 1.62 值（DCV） 输入频率标准 500 1k 5k 7k 10 k 100 k 值（Hz） 输出测量电压 1.74 1.40 0.37 值（DCV）从以上结果可以看出： 实际的电路可以较准确地 测量各种波形的有效值。 综上所述， 由AD637构成的转换电路具有准确度 高， 稳定性好， 测量速度快等特点， 可以测量各种波形 的有效值， 且频带较宽， 是一种较理想的设计。3 由ICL7135A/D转换器组成的测量显示电路的 设计3.1 组成及其作用 ICL7135是满量程为2.0000V， 准确度为±1个字 的高精度A/D转换器， 具有自动调零功能， 可以保证在 输入为零时读数为零。 本文采用LM399作基准电压， MC14513作段码译码器， 1413作位译码器， 由ICL7555im.cn频率特性如图3所示。2008 年第 11 期59应用研究时基电路提供时钟信号。 3.2 提高A/D测量显示电压稳定性措施 ICL7135采用双积分原理 ， 基准电压源的稳定性 对其影响较大， 本文选择LM399做电压基准， 电压温 温漂影响极小， 具有长期 度系数可达0.3×10 - 6 V/ ℃， 稳定性好， 噪声电压低等优点。 IC L7135外部时钟信号的频率的选 取也非常 重 要， 只要选取的时钟信号频率恰好等于50H z的整 数 倍， 电网串膜干扰就完全被抑制掉， 但电网频率并不稳 定， 只要破坏整数倍关系， 就会造成显示值不稳定 ， 使表出现跳字。 可采用锁相技术使时钟频率与电网频 率严格保持同步， 就可提高电压表显示的稳定性。APPLICATION RESEARCH 表4 真有效值数字电压表测试结果标准值（ACV） 标准值（ACV） 标准值（ACV） 0.2 0.9 1.6 0.3 1.0 1.7 0.4 1.1 1.8 0.5 1.2 1.9 0.6 1.3 1.95 0.7 1.4 0.8 1.5 -实测值（DCV） 0.8 0.7 0.9 0.7999 实测值（DCV） 0.1 1.1 1.3 1.5003 实测值（DCV） 1.4 1.5 1.9505测试结果表明： 该真有效值数字电压表能满足工 频0~2V交流电压0.02级的设计要求 按引用误差计） （ ， 可以广泛应用于测量工频低电压的电路中， 也可应用 于在较宽频率40Hz~1kHz下使用， 适用于各种波形有 效值的测量。 参考文献 1 段尚枢.运算放大器应用基础.哈尔滨工业大学出 版社,1992. 2 沙占友.新型数字电压表原理与应用.机械工业出 版社,2006,1.作者简介：梁琴，工程师，主要从事电磁计量工作。4 真有效值数字电压表综合测试将A D637芯片真有效值/直流转换器输出的直流 电压U O 输入到ICL7135A /D转换器显示电路， 即可组 成一个真有效值数字电压表。 对其进行测试， 测试数 据结果如表4所示。 （ 上接第 53 页） 要， 对于主站通信必须建立访问控制机制。 目前终端 和主站通信大多采用网络和拨号方式， 在网络通信中 终端必须能对主站 IP 地址进行甄别， 拒绝未经允许 的连接请求 ； 在拨号通信中终端必须通过判断电话号 码等方式甄别主站。分， 内容全面， 但仅规定了测试内容， 测试方法和步 骤都未明确， 需要针对实际应用进行适当简化和完善。7 结论终端作为电能计量系统中的重要组成部分， 其性 能直接关系到系统的应用水平， 因此需要受到高度重 视。 目前针对这个方面的探讨和相关文献较少， 本文希 望通过对终端重要性能的分析， 提出合理的实现方法， 为进一步提高终端性能和系统应用水平提供借鉴。 参考文献 1 卢树峰.关口电能计量装置的现状分析与思考.电 测与仪表,2005,(8). 2 王思彤,李红武.华北电网天津地区联络线关口远 方电量计费系统.电网技术, 周孔均.电能表与采集终端通信测试系统的设 计.电测与仪表，2006,(12).作者简介：张胜，硕士研究生，主要从事远动系统运行和 标准化工作。6 通信规约一致性与主站通信的规约一致性是保证信息准确传输 的基础 。 与很多通信协议的应用情况类似 ， 目前普遍 采用的DL/T 719-2000也存在实现不完整、 不正确的 情况， 影响了设备和系统的互操作。 为解决此类问题， 可以从以下两方面着手： （ 1） 统一和规范通信协议的实现 。 制定详细的 规约实施规范 ， 主要内容应包括 ：对需要实现的数 据类型 、 应用功能等互操作选项进行明确 ；统一通 信过程 ； 对标准中未规定的细节部分进行明确 。 （ 2） 加强 通信 规 约 一 致 性 测 试。 DL/Z 634.562004IEC 60870-5 中 含 有 DL/T 719-2000 的 测 试 部60im.cn2008 年第 11 期
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