交流輸入電壓、電流監測電路設計

　　引言

　　電子設備只有在額定電壓、電流下才能長期穩定工作，因此需要設計相應的監測、保護電路，防止外部輸入電壓或者負載出現異常時造成設備損毀。工頻交流電壓、電流的大小，通常是利用它的有效值來度量的。有效值的常用測量方法是先進行整流濾波，得出信號的平均值，然后再采用測量直流信號的方法來檢測，最后折算成有效值。但是由于供電主回路中存在大量的非線性電力、電子設備，如變壓器、變頻器、電機、UPS、開關電源等，這些設備工作時會產生諧波等干擾。大型電動設備啟動、負載突然變化、局部短路、雷電等異常情況出現時，供電主回路中會出現浪涌。當這些情況發生時，供電線路上已不是理想的正弦波，采用平均值測量電路將會產生明顯的測量誤差。利用真有效值數字測量電路，可以準確、實時地測量各種波形的電壓、電流有效值。下面介紹的監測電路安裝于配電箱中，與外圍保護電路一起實現對電子設備保護的功能。

　　真有效值數字測量的基本原理

　　電流和電壓的有效值采集電路原理基本相同，下面以電壓真有效值為例進行原理分析。所謂真有效值亦稱真均方根值(TRMS)。眾所周知，交流電壓有效值是按下式定義的：

　　分析式(1)可知，電路對輸入電壓u進行“平方→取平均值→開平方”運算，就能獲得交流電壓的有效值。因這是由有效值定義式求出的，故稱之為真有效值。

　　若將式(1)兩邊平方，且令，還可以得到真有效值另一表達式U_RMS=

　　式(3)中，Avg表示取平均值。這表明，對u依次進行“取絕對值→平方/除法→取平均值”運算，也能得到交流電壓有效值。式(3)比式(2)更具有實用價值。由于同時完成兩步計算，與分步運算相比，運算器的動態范圍大為減小，既便于設計電路，又保證了準確度指標。美國模擬器件公司(ADI)的AD536、AD637、AD737系列單片真有效值/直流轉換器，即采用此原理設計而成。

　　而凌力爾特公司的單片真有效值/直流轉換器LT1966、LT1967、LT1968在RMS-DC的轉換過程中采用一個?∑調制器作除法器，一個簡單的極性開關作乘法器。相比采用對數/反對數電路的產品，號稱有更好的線性度，增益受溫度影響更小。

　　另一方面，在計算機采集系統中U(t)是離散值，可以采用下面的公式計算 ：

　　U(i)為各瞬時采用值，i=1，2，…，n;n為采用次數。

　　交流電壓采樣電路設計

　　圖1為簡易平均值-有效值測量電路原理圖，平均值電路由變壓器T、整流橋BR、電容器C和電阻RL組成，虛線部分將平均值折算為有效值輸出。

　　用圖1所示平均值電路進行測量，存在如下問題：

　　變壓器和整流橋是非線性器件，因此必定會產生非線性誤差，難以精確補償;

　　整流橋BR后為得到穩定、平直的DC波形需要較大容值的電容器C，電容充放電時間長，因此響應速度慢;

　　由于電容器C容值不可能無限大，在電容C兩端測量到的必然是直流脈動波形。