手上有塊TI的LM3S811開發(fā)板,雖然不是專業(yè)的ADC,但其包含4通道的ADC,采樣率500kbps,10位分辨率,可以量程在-1.5V~1.5V或0V~3V,還有一路模擬比較器,應(yīng)該足可以測量交流有效值了,就看能測量到什么程度了。我手上有個項目,需測量的信號是400Hz,最大±12V,就以此為例,怎樣才能最大發(fā)揮該芯片ADC測量交流有效值的能力呢?
在航空電氣、自整角機、旋轉(zhuǎn)變壓器中都是需要同時測量幾路信號,這樣先得考慮該芯片是否具有同步測量的可能性,假設(shè)其中一路信號為,可用V=Acos(wt)來表示,其中A為幅度,w就是2*pi*400Hz了。ADC量程為-1.5V~1.5V或0V~3V,10bit的分辨率,最低電壓分辨率為3/1024=2.93mv,500bps的采樣率對應(yīng)2us,呵呵,4路通道之間的間隔就是6us,如果在6us內(nèi)變化小于2.93/2=1.46mv即采集的數(shù)據(jù)的誤差僅ADC的分辨率決定,對于該芯片則為同步采集。對于400Hz的信號,每個周期其幅度變化1.46mv/6us/400Hz=0.6v,而該信號的幅度才1.2v,一個周期內(nèi)幅度就變化至少一半,那是不可能的事情,所以理論上可以滿足同步采集的要求。
測量正弦波交流電有效值有好幾種方法,一種是通過二極管、電容構(gòu)成的檢波電路,將交流轉(zhuǎn)換成直流,但該方法對400Hz這樣的低頻信號誤差較大,放棄。一種是通過AD736這樣的專用芯片測量,精度我沒查數(shù)據(jù)手冊,價格不便宜,放棄。一種是直接ADC采樣,可以多次采集求面積,也可以只測量最大值,這種方法測400Hz的低頻交流電最好了。
開始想直接測量,LM3S811有一個模擬比較器,可以很容易地知道每周期的開始,對于400Hz的正弦波信號,可以精確在其1/4周期處采集最大值,將±12V的交流信號利用電阻分壓成±1.2v,對于±1.5的量程,還留有25%的余量。但對于正弦波這樣對稱的波形,就浪費了一半的信息,能夠測量的電壓分辨率只有3V/1024=2.93mv,對應(yīng)到交流信號為2.93mv*10=29.3mv。
接著想到采用多次采樣求面積的方法,對于絕大部分信號可以通過多次采樣提高精度,也可在軟件算法上加上抗干擾措施,但對于幅度小于29.3mv的信號就無能為力了。
既然交流信號是對稱的,如果只采集上半波,將上半波擴充到整個ADC量程內(nèi),精度則可提高一倍。但二極管單向?qū)ú荒芤?為界限精確半波整流,需要0.7v以上才能導(dǎo)通,而且相對于原始信號存在0.7v的誤差,呵呵,這可比上述的29.3mv嚴(yán)重多了。想了幾天,既然不能夠精確地以0v為界來劃分,那可以以-0.7v乃至-1v劃分,后面在軟件中修正,至少ADC采集的信號要精確。
如圖1,T3是電阻分壓后的信號,T4是調(diào)理后的信號,雖然翻遍了LM3S811的datasheet沒看到其ADC的輸入電壓極限值,目前也沒有測試如果在設(shè)置0v~3v的情況下輸入負(fù)電壓會怎么樣,但我想其可以測量0v~3v和-1.5v~1.5v,輸入-1v~3v的電壓應(yīng)該沒有問題,負(fù)電壓要是直接當(dāng)0v處理,那倒免得我在軟件上修正了。該方法如果可行,測量信號的精度應(yīng)該為14.6mv,對應(yīng)的交流電壓就是10mv了,呵呵。
圖1 原理圖
圖2 瞬態(tài)分析圖
綜上所述,如果交流信號頻率變化,那可以多次采樣求面積。如果交流信號是頻率固定的,而且頻率不高,這種情況也是最常見的,利用模擬比較器可精確地算出周期,其ADC采集信號時也只需在1/4周期處測量最大值即可,這樣計算也少,精度也能滿足,同時認(rèn)為是同步采集的,對于有效值為15/1.414=10.6v以下的信號,精度可以達(dá)到10mv,達(dá)到了10位ADC的極限,物盡其用了。