均值檢波、峰值檢波及方均根檢波電路原理及區(qū)別
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- 發(fā)布時(shí)間：2013/12/10 11:07:22
- 作者：銀河電氣
一均值檢波電路
均值檢波法廣泛應(yīng)用于萬(wàn)用表中交流電壓、電流測(cè)量電路的交直流轉(zhuǎn)換電路中。均值檢波法構(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，再對(duì)整流輸出的脈動(dòng)直流信號(hào)采用積分電路得到較平緩的直流信號(hào)，直流信號(hào)的幅值就是被測(cè)信號(hào)的半波整流平均值或全波整流平均值，再利用被測(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。
全波均值檢波電路輸出的是被測(cè)信號(hào)絕對(duì)值的平均值（下稱(chēng)整流平均值），而半波均值檢波電路輸出的是整流平均值的1/2。
波形因數(shù)是指信號(hào)的有效值與整流平均值的比值。因此，半波均值檢波法交直流轉(zhuǎn)換電路得到的測(cè)量結(jié)果需要乘以?xún)杀兜牟ㄐ我驍?shù)才是被測(cè)信號(hào)的有效值。
1均值檢波電路的最簡(jiǎn)模型
圖1為用于交流電流測(cè)量的均值檢波電路的簡(jiǎn)單模型。
圖1 交流電流均值檢波電路模型
上圖為用于電流的交直流轉(zhuǎn)換電路，圖中二極管D1和D2構(gòu)成半波整流電路，二極管D2用于保持被測(cè)回路電流的連續(xù)性，并非轉(zhuǎn)換電路本身需要。當(dāng)用于測(cè)量電壓信號(hào)時(shí)，二極管D2可以省略。
當(dāng)輸入處于正半周時(shí)，二極管D1導(dǎo)通，向電容C充電，微安表得到的是經(jīng)電容平滑濾波之后的直流電，當(dāng)輸入處于負(fù)半周時(shí)，電流從D2流過(guò)，二極管D1截止，電容電荷通過(guò)微安表內(nèi)阻放電，電容電壓下降。
電容兩端的電壓波形如圖2所示，流過(guò)微安表的電流波形與圖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(xiàn)。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(xiàn)。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。
圖2 均值檢波電路輸出電壓波形
均值檢波電路通常采用電容充放電電路作為平均值電路，由于輸出為整流平均值，要求電容充放電時(shí)間常數(shù)相等。
由圖1可知，電容充放電時(shí)間常數(shù)取決于微安表內(nèi)阻，充電時(shí)，微安表內(nèi)阻越大，電容越大，流過(guò)微安表的電流越小，電容充電電流越大，充電越快；放電時(shí)，微安表內(nèi)阻越大，電容越大，放電越慢。為了使充放電速度相同，因此，只有在微安表內(nèi)阻與電容符合特定關(guān)系時(shí)，才能使充放電速度相同。
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，半波整流的均值檢波電路如圖3所示。
圖3 交流電壓均值檢波電路模型
圖中R2一方面用于分壓，另一方面也用于調(diào)整電容充電速度，以便與放電速度相等或接近。
2實(shí)用的均值檢波電路
事實(shí)上，圖3的電路不論充放電時(shí)間是否相等，上述電路均不能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的整流平均值：
a、實(shí)際二極管有壓降，用于較低電壓測(cè)量時(shí)，二極管壓降不容忽視；
b、電阻電容串聯(lián)電路，不是嚴(yán)格的平均電路。
綜合考慮上述因數(shù)，第一個(gè)問(wèn)題較容易解決，將二極管半波整流電路采用基于精密整流的絕對(duì)值電路替代即可。
第二個(gè)問(wèn)題可以采用有源積分器替代簡(jiǎn)單阻容電路實(shí)現(xiàn)。
圖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。
圖4 實(shí)用的均值檢波電路
注：嚴(yán)格的積分器是R5為無(wú)窮大，而本電路R5用于控制直流分量的增益，不能采用過(guò)大的電阻，因此，只能增大電容C1，使被測(cè)交流電頻率下，C1的阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于R5。
二峰值檢波電路
峰值檢波法是常用的交直流轉(zhuǎn)換電路之一。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。
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峰值檢波電路的最簡(jiǎn)模型
如圖5所示，理論上，基于二極管無(wú)源半波整流的交流電壓峰值檢波電路可以采用與交流電壓均值檢波電路完全相同的形式。
圖5 交流電壓峰值檢波電路模型
峰值檢波電路與均值檢波電路的最大區(qū)別在于：
a、峰值檢波電路要求充電時(shí)間足夠短，用于窄脈沖測(cè)試的峰值檢波電路，要求在很短的時(shí)間之內(nèi)，電容可以快速充電至峰值。而放電時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)，否則，輸出波形不夠平滑。對(duì)于正負(fù)對(duì)稱(chēng)并且幅值相對(duì)穩(wěn)定的交流電而言，只要放電速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于充電速度，即使充電速度較慢，也能使輸出非常接近于峰值。
b、均值檢波電路要求充放電時(shí)間相等，否則，得到的不是整流平均值，均值檢波電路適用于正負(fù)對(duì)稱(chēng)并且幅值相對(duì)穩(wěn)定的交流電的測(cè)量。
2實(shí)用的峰值檢波電路
與均值檢波電路類(lèi)似，對(duì)于較低的交流電壓測(cè)量，如圖6所示，實(shí)用的峰值檢波電路應(yīng)當(dāng)消除二極管壓降的影響。
圖6 實(shí)用的峰值檢波電路
當(dāng)Vi大于Vo時(shí)，A1輸出正電源電壓，D1截止，D2導(dǎo)通，電容C迅速充電至Vi。
當(dāng)Vi小于Vo時(shí)，A1輸出負(fù)電源電壓，二極管D1導(dǎo)通，二極管D2截止，電容C通過(guò)電阻Rc緩慢放電。
三方均根檢波電路
方均根值是有效值的代名詞，方均根值等于有效值，顧名思義，方均值就是對(duì)輸入信號(hào)順序進(jìn)行平方，平均和開(kāi)方運(yùn)算。上述運(yùn)算以在信號(hào)的一個(gè)或整數(shù)個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行。
1方均根檢波電路的原理
如圖7所示，方均根檢波電路采用乘法器進(jìn)行平方運(yùn)算，采用積分電路實(shí)現(xiàn)平均運(yùn)算，積分電路輸出經(jīng)過(guò)開(kāi)方電路即可得到方均根值。
圖7 方均根檢波電路原理
2方均根檢波實(shí)用電路
方均根檢波電路廣泛應(yīng)用于各種真有效值電壓表、電流表和萬(wàn)用表，實(shí)際應(yīng)用中，通常采用專(zhuān)用的真有效值轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)。常用真有效值轉(zhuǎn)換芯片有AD536、AD637、LTC1966、LTC1967、LTC1968等。
圖8為真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD637的官方推薦電路，圖中輸入電容主要起到隔離直流分量的作用。AD637內(nèi)部集成了絕對(duì)值電路、平方電路、開(kāi)方電路和積分器電路。除了積分器電路需要外接電容之外，幾乎不需要任何外圍元件，此外， AD637還提供了一個(gè)電壓跟隨器供靈活使用，若信號(hào)源阻抗較大，建議加在信號(hào)源與輸入電路之間。
圖8 AD637真有效值轉(zhuǎn)換電路
四三種檢波方式的應(yīng)用于對(duì)比
均值檢波電路輸出結(jié)果等于被測(cè)信號(hào)有效值除以波形因數(shù)；
峰值檢波電路輸出結(jié)果等于被測(cè)信號(hào)有效值乘以峰值因數(shù)；
方均根檢波電路輸出結(jié)果等于被測(cè)信號(hào)有效值。
因此，三種檢波電路都屬于交直流轉(zhuǎn)換電路，均可用于交流信號(hào)的有效值測(cè)量。均值檢波電路適用于特定波形因數(shù)的交流信號(hào)；峰值檢波電路適用于特定峰值因數(shù)的交流信號(hào)；而方均根檢波電路適用于任意信號(hào)的有效值測(cè)量。
三種檢波電路均廣泛應(yīng)用于交流電壓表、交流電流表、毫伏表、萬(wàn)用表等交流電測(cè)儀表。通常，采用均值檢波電路和峰值檢波電路儀表按照正弦波的波形因數(shù)和峰值因數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這就是均值檢波表或峰值檢波表不適用于非正弦交流電測(cè)量的原因。
從原理可知，三種檢波電路中均有電容充放電電路，當(dāng)電容充放電的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輸入信號(hào)周期時(shí)，輸出信號(hào)趨于平滑，當(dāng)輸入信號(hào)周期較大或大于充放電時(shí)間常數(shù)時(shí)，輸出是脈動(dòng)直流信號(hào)。當(dāng)輸入發(fā)生變化時(shí)，電容充放電時(shí)間越長(zhǎng)，輸出響應(yīng)越慢，因此，電容充放電時(shí)間應(yīng)該設(shè)置在一個(gè)相對(duì)合理的時(shí)間之內(nèi)，當(dāng)輸入信號(hào)頻率過(guò)低時(shí)，輸出將會(huì)出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，測(cè)量精度也會(huì)隨之降低。
掌握上述電路原理對(duì)于分析各種電測(cè)量?jī)x表在實(shí)際測(cè)量中遇到的問(wèn)題很有幫助，而對(duì)于電測(cè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)者而言，更合理的方案是采用交流采樣技術(shù)，實(shí)時(shí)跟蹤信號(hào)頻率變化，始終在整周期內(nèi)對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行方均根運(yùn)算，可以最大限度提高交流電量的測(cè)量精度。WP4000
變頻功率分析儀就是這樣的一種適合任意交流電量測(cè)量的新型電測(cè)量?jī)x器。
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