電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽電源題(2)-檢波與采樣

1  有效值檢波技術(shù)

1.1  均值檢波技術(shù)

??在工業(yè)中，我們常用的檢波技術(shù)主要有三種：均值檢波技術(shù)、峰值檢波技術(shù)以及均方根值檢波技術(shù)。其中，均值檢波法主要應(yīng)用于交直流轉(zhuǎn)換電路中，其主要實(shí)現(xiàn)方法是將交流信號(hào)進(jìn)行半波或者全波整流，再對(duì)整流輸出的脈動(dòng)直流信號(hào)進(jìn)行積分得到較為平緩的直流信號(hào)，最后再根據(jù)被測(cè)信號(hào)的半波整流平均值或全波整流平均值與有效值的關(guān)系即可計(jì)算出被測(cè)信號(hào)的有效值。圖1.1為均值檢波的典型電路圖：

??電容兩端的電壓波形如圖1.2所示，流過(guò)微安表的電流波形與圖1.2電壓波形相同，可見(jiàn)，只要輸入交流電流幅值不變，流過(guò)電流表的波形非常接近一條直線。充放電電路的時(shí)間常數(shù)越大或信號(hào)頻率越高，輸出波形越接近直線。充放電電路的時(shí)間常數(shù)越大，當(dāng)輸入電流幅值發(fā)生變化時(shí)，輸出響應(yīng)越慢。因此，均值檢波電路較適合于幅值相對(duì)穩(wěn)定或變化緩慢，而頻率較高的交流電測(cè)量。

??而峰值檢波則是對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行半波或者全波整流，再用充電電容保持整流輸出的脈動(dòng)直流信號(hào)的峰值，得到較為平緩的直流信號(hào)。

??對(duì)于數(shù)字采樣的儀表，圖中微安表可用取樣電阻替代。并且一般會(huì)先將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)再作轉(zhuǎn)換，電壓半波整流的均值檢波電路如圖1.3所示。
??但是，上圖存在一些問(wèn)題：
??① 由于二極管存在壓降，當(dāng)測(cè)量電壓較小時(shí)，二極管壓降帶來(lái)的影響不能忽略。
??② 這是電阻電容串聯(lián)電路，并不是嚴(yán)格的平均電路。
??因此，圖1.3電路不能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的整流平均值，我們可以通過(guò)將變?nèi)荻O管半波整流電路采用基于精密整流的絕對(duì)值電路替代來(lái)解決第一個(gè)問(wèn)題，圖1.4為實(shí)用的均值檢波電路，圖中只要去除C1，就是全波精密整流電路，本電路在A2構(gòu)成反相加法器上增加積分電容，將其變?yōu)榉聪嗉臃胺e分電路。圖中R3=2R4。

1.2  峰值檢波技術(shù)

??峰值檢波法構(gòu)建的交直流轉(zhuǎn)換電路對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行半波或全波整流，再用充電電容保持整流輸出的脈動(dòng)直流信號(hào)的峰值，得到較平緩的直流信號(hào)，直流信號(hào)的幅值就是被測(cè)交流信號(hào)的峰值，再利用被測(cè)信號(hào)的峰值與有效值的關(guān)系即可計(jì)算出被測(cè)信號(hào)的有效值。與均值檢波技術(shù)不同的是，它利用的是被測(cè)信號(hào)的峰值而不是均值來(lái)計(jì)算有效值。
??峰值因數(shù)是指信號(hào)的峰值與有效值的比值。因此，峰值檢波法交直流轉(zhuǎn)換電路得到的測(cè)量結(jié)果需要除以峰值因數(shù)才是被測(cè)信號(hào)的有效值。

1.3  均方根值檢波技術(shù)

??均方根值檢波技術(shù)可以用硬件方法或者軟件算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，如果要用硬件實(shí)現(xiàn)的話，可以采用專用的真有效值轉(zhuǎn)換芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。常用有效值轉(zhuǎn)換芯片有AD536、AD637、LTC1966、LTC1967、LTC1968等。其用法可以參考芯片的datasheet，這里不再贅述。我們來(lái)詳細(xì)探討下軟件算法的實(shí)現(xiàn)。
??均方根值，顧名思義，就是在輸入信號(hào)的整數(shù)周期內(nèi)，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行平方，相加平均再開(kāi)方。我們采用均方根值算有效值的流程通常是先將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再根據(jù)信號(hào)的頻率選用高速AD對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，最后，我們將采樣值輸入FPGA或者單片機(jī)中進(jìn)行算法處理，得到信號(hào)的有效值。這里有兩點(diǎn)要特別注意：
??① 對(duì)于頻率較高的信號(hào)，我們最好選用采樣率足夠高的AD和主頻足夠高的FPGA來(lái)進(jìn)行處理，否則的話，算出來(lái)的有效值誤差會(huì)非常大。
??② 在采樣時(shí)，最好是按照周期的整數(shù)倍來(lái)進(jìn)行采樣和數(shù)據(jù)處理，如果數(shù)據(jù)處理時(shí)不是按照整數(shù)個(gè)周期來(lái)處理的話，得到的值將會(huì)是一個(gè)跳動(dòng)的數(shù)字。
流程圖如下：

2  高精度采樣技術(shù)

??采樣對(duì)于電源設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，是極其重要的一部分，采樣精度往往決定了整個(gè)系統(tǒng)最終輸出的精度，性能以及穩(wěn)定性，因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)系統(tǒng)的采樣部分時(shí)，應(yīng)盡可能地高標(biāo)準(zhǔn)。要想實(shí)現(xiàn)高精度采樣，有兩點(diǎn)最重要，第一是AD的選擇，第二則是采樣電路以及濾波算法的選擇。

2.1  AD的選擇

??根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換原理可以把A/D轉(zhuǎn)換器分為兩大類：直接型A/D和間接型A/D。
??直接型A/D將輸入的模擬電壓通過(guò)比較直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。而間接型A/D轉(zhuǎn)換器，模擬電壓先被轉(zhuǎn)換為一種中間變量（像時(shí)間、頻率、脈沖等），然后再把中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。
??直接型A/D中應(yīng)用較為廣泛的主要有逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器、流水線A/D轉(zhuǎn)換器；間接型A/D轉(zhuǎn)換器中應(yīng)用較為廣泛的主要有雙積分A/D轉(zhuǎn)換器和V/F變換A/D轉(zhuǎn)換器。

2.1.1  A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)

??在選擇A/D轉(zhuǎn)換器的時(shí)候，要根據(jù)需要選擇性能指標(biāo)合適的A/D轉(zhuǎn)換器，這就需要我們對(duì)A/D的性能指標(biāo)有一定的了解。
??（1）分辨率
??分辨率表示輸出數(shù)字量變化一個(gè)數(shù)字量，輸入的模擬電壓的變化量，轉(zhuǎn)換器的分辨率定義為滿刻度電壓與2的n次方的比值，其中n代表A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)。
??（2）轉(zhuǎn)換速率
??轉(zhuǎn)換速率是指A/D轉(zhuǎn)換器完成一次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。不同的A/D的轉(zhuǎn)換時(shí)間是不一樣的，根據(jù)實(shí)際需要轉(zhuǎn)換速率合適的A/D。
??（3）量化誤差
??量化誤差是由于A/D轉(zhuǎn)換器的有限分辨率而引起的誤差。量化誤差是指量化結(jié)果和被量化模擬量的差值，顯然量化級(jí)數(shù)越多，量化的相對(duì)誤差越小。分辨率高的A/D具有較小的量化誤差。
??（4）非線性度
??非線性度是指轉(zhuǎn)換器實(shí)際的轉(zhuǎn)換曲線與理想轉(zhuǎn)換曲線的偏移，也可以稱為線性度。
??（5）偏移誤差
??偏移誤差是指輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出信號(hào)不為零的值，也叫做零值誤差。偏移誤差通常是由A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的放大器或比較器輸入的失調(diào)電壓或電流引起的。在使用A/D轉(zhuǎn)換器前，要先將偏移誤差降到最低，有的A/D轉(zhuǎn)換器有零點(diǎn)調(diào)節(jié)的功能。
??（6）輸入電壓范圍
??A/D轉(zhuǎn)換器一般都有規(guī)定的輸入電壓范圍，使用過(guò)程中盡量不要超出范圍，因?yàn)檫@樣會(huì)造成對(duì)A/D的永久損壞。

2.1.2  A/D轉(zhuǎn)換器的選擇

??對(duì)于品種繁多、性能各異的A/D轉(zhuǎn)換器，在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)要按照以下幾點(diǎn)要求進(jìn)行選擇。
??（1）A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)
??A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)的確定與整個(gè)測(cè)量控制系統(tǒng)所要測(cè)量控制的范圍和精度有關(guān)。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)至少要比總精度要求的最低分辨率高一位。雖然分辨率與轉(zhuǎn)換精度是不同的概念，但是沒(méi)有基本的分辨率就談不上轉(zhuǎn)換精度。但是，選的太高也沒(méi)有實(shí)際意義，而且會(huì)增加系統(tǒng)的成本。
??（2）確定A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率
??A/D的轉(zhuǎn)換速率從s級(jí)到ns級(jí)都有，實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)系統(tǒng)需要選擇合適的轉(zhuǎn)換速率。像積分型的A/D轉(zhuǎn)換速率就比較慢，一般用于對(duì)溫度、壓力、流量等緩變參量的測(cè)量和控制。逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器屬于中速轉(zhuǎn)換器，常用于單片機(jī)控制系統(tǒng)、音頻采集等。FLASHA/D轉(zhuǎn)換器屬于高速轉(zhuǎn)換器，適用于雷達(dá)、數(shù)字傳輸、瞬態(tài)記錄等實(shí)時(shí)要求高的測(cè)量系統(tǒng)。
??（3）確定工作電壓和基準(zhǔn)電壓
??早期設(shè)計(jì)的集成A/D轉(zhuǎn)換器需要±15V的工作電源，現(xiàn)在的A/D轉(zhuǎn)換器大多可以在5V～12V范圍內(nèi)工作?；鶞?zhǔn)電壓是A/D轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確的保證，有的A/D帶有內(nèi)部基準(zhǔn)比較方便，對(duì)于要外接基準(zhǔn)的A/D轉(zhuǎn)換器，一定要保證基準(zhǔn)電壓幅度穩(wěn)定、準(zhǔn)確。必要時(shí)使用基準(zhǔn)電壓芯片。
??（4）輸入電壓范圍
??A/D轉(zhuǎn)換器根據(jù)用途不一，輸入電壓范圍各異，選擇A/D前一定要注意輸入電壓的范圍，超范圍的電壓輸入可能會(huì)導(dǎo)致A/D轉(zhuǎn)換器的永久損壞。

2.1.3  A/D轉(zhuǎn)換器的使用注意事項(xiàng)

??A/D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)一般需要外部控制啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)，一般由CPU提供。A/D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)一般分為兩種：脈沖控制啟動(dòng)和電平控制啟動(dòng)。對(duì)于電平控制類A/D轉(zhuǎn)換器，電平應(yīng)在轉(zhuǎn)換的全過(guò)程中保持不變，否則會(huì)中止轉(zhuǎn)換。
??在正常使用中，A/D轉(zhuǎn)換芯片可能會(huì)電流突然增大、突然發(fā)熱，這是可控硅現(xiàn)象，是所有CMOS集成電路在使用中都可能發(fā)生的現(xiàn)象。出現(xiàn)這種情況以后，要切斷電源，然后重新打開(kāi)，又會(huì)回復(fù)正常工作。為防止這種現(xiàn)象發(fā)生可采取以下措施：
??（1）盡量避免較大電流干擾竄入電路；
??（2）加強(qiáng)電源穩(wěn)壓濾波措施，在A/D轉(zhuǎn)換芯片的電源入口處加去耦電路。為防止窄脈沖竄入，應(yīng)加一個(gè)高頻濾波電容（0.01μF左右）；
??（3）在A/D轉(zhuǎn)換芯片的電源端串一個(gè)100～200?的限流電阻，可在出現(xiàn)可控硅現(xiàn)象時(shí)有效地限定電流，保護(hù)芯片。
??另外現(xiàn)在使用的A/D中一般都自帶采樣保持電路，不需要外面再外接采樣保持電路。

2.2  采樣電路的設(shè)計(jì)

??說(shuō)完了AD的選擇，我們就來(lái)聊聊采樣電路的設(shè)計(jì)。在電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，AD的采樣管腳直接采樣的一般都是電壓信號(hào)，如果需要采樣電流信號(hào)，我們可以先將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)之后再進(jìn)行采樣，而電壓采樣一般也分為兩種：直流電壓采樣和交流電壓采樣，接下來(lái)我們來(lái)分別討論這兩種采樣的電路設(shè)計(jì)。

2.2.1  直流電壓采樣

??最簡(jiǎn)單，最直接的采樣方法：判斷采樣電壓的峰值是否在AD的采樣范圍之內(nèi)，如果信號(hào)范圍和AD采樣范圍相吻合，濾波后直接送入AD采樣口進(jìn)行采樣，這里濾波可以用簡(jiǎn)單的LC或者RC濾波。如果信號(hào)的范圍超出了AD的采樣范圍，可以用電阻分壓之后再將信號(hào)送入AD采樣口進(jìn)行采樣。如果分壓之后信號(hào)幅值太小，可以用運(yùn)放將信號(hào)放大之后再送入AD采樣口采樣。典型的電路圖如圖2.1所示：

2.2.2  交流電壓采樣

??在我國(guó)，交流電的頻率一般都是50Hz，對(duì)交流電壓的采樣，我們可以先用電壓電流互感器將強(qiáng)交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為較弱的交流信號(hào)，以方便后級(jí)采樣。這里對(duì)交流互感器的選擇也是有講究的，普通的線圈互感器只能互感交流信號(hào)，如果采樣信號(hào)是交流加上直流偏置的話，直流信號(hào)會(huì)被直接過(guò)濾掉，從而破壞信號(hào)的完整性，為了同時(shí)采集直流信號(hào)和交流信號(hào)，我們可以采用霍爾交流互感器，它可以同時(shí)互感直流和交流信號(hào)，最大程度地保證信號(hào)的完整性。然后，我們可以利用高速AD，以周期為單位采集信號(hào)的瞬時(shí)值并保存在數(shù)組里，為之后求信號(hào)有效值值或者峰值做準(zhǔn)備，這里以求信號(hào)有效值為例，我們可以用FPGA搭建一個(gè)DDS信號(hào)發(fā)生器或者買一個(gè)DDS發(fā)生器模塊，使得DDS信號(hào)發(fā)生器的周期和交流信號(hào)的周期成整數(shù)倍關(guān)系，然后根據(jù)DDS信號(hào)的節(jié)拍去對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行均方根運(yùn)算，最后將結(jié)果除以那個(gè)整數(shù)，即可求得較為精確的交流電壓有效值。

典型采樣電路如圖2.2所示：

      

       

        

         

          

           
            

             

              

               

                

                 

                  

                   

                    

                     

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