CN205193153U - 一种电压检测分析装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于电子测量领域，尤其涉及一种电压检测分析装置，被测信号经过保护电路，防止输入信号过大对系统造成损坏；信号调理电路与保护电路输出连接后，将信号进行滤波与放大；检波电路与信号调理电路的输出连接，将信号经峰值、有效值以及平均值的检波后转化为直流电压信号；A/D模块将直流电压信号经过A/D转换；ARM处理器将A/D模块转化后的信号进行数字滤波处理；LCD显示器将数字滤波处理的信号进行显示。可测量任意周期性交流信号的峰值、有效值和平均值，工作频带为1Hz～1MHz，可测信号幅度范围：0.1V～10V，测量过程全自动化，测量结果的相对误差小于±1％。

Description

一种电压检测分析装置

技术领域

本实用新型属于电子测量领域，尤其涉及一种电压检测分析装置。

背景技术

电压的测量是其他许多电参量测量的基础，很多电子测量仪器，如信号发生器、各种电子式的电压表、Q表、示波器以及电子设备都是用电压表作为他们的指示装置或辅助监测装置。在航空航天、海洋探测以及资源勘探作业中，电压的测量必不可少。为了更加全面地获得电压信号的信息，交流电压的测量应该实现峰值、有效值和平均值的检波功能。

在交流电压信号测量中，传统数字万用表只能准确测量频率在40Hz～10KHz范围内正弦波的有效值，若想获知信号的峰值和平均值，必须经过波形系数和波峰系数的人工数学换算。数字示波器能自动读取电压信号的峰值、有效值与平均值，但其价格高昂且不便携。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种电压检测分析装置，解决传统数字万用表只能准确测量频率在40Hz～10KHz范围内正弦波的有效值，若想获知信号的峰值和平均值，必须经过波形系数和波峰系数的人工数学换算，数字示波器能自动读取电压信号的峰值、有效值与平均值，但其价格高昂且不便携的问题。

本实用新型是这样实现的，一种电压检测分析装置，

按照信号流经的先后顺序，依次包括保护电路、信号调理电路、检波电路、A/D模块、ARM处理器以及LCD显示器；其中：

被测信号经过保护电路，防止输入信号过大对系统造成损坏；

信号调理电路与保护电路输出连接后，将信号进行滤波与放大；

检波电路与信号调理电路的输出连接，将信号经峰值、有效值以及平均值的检波后转化为直流电压信号；

A/D模块将直流电压信号经过A/D转换；

ARM处理器将A/D模块转化后的信号进行数字滤波处理；

LCD显示器将数字滤波处理的信号进行显示。

进一步地，所述检波电路包括峰值检波电路、有效值检波电路以及平均值检波电路。

进一步地，所述峰值检波电路信号输入一运算放大器A1，所述运算放大器A1的反相输入端与输出端之间连接并联的二极管D1和电容C2，所述运算放大器A1的输出端连接二极管D2后连接至运算放大器A2的同相输入端，并在运算放大器A2的同相输入端上连接并联的电容C1和电阻R2，所述运算放大器A2的输出端输出信号，并在运算放大器A2的输出端与运算放大器A1的反相输入端之间连接电容C3，电容C3上并联电阻R1后连接至运算放大器A2的反相输入端。

进一步地，所述有效值检波电路包括信号输入至模拟乘法器U21，所述模拟乘法器U21的两个输入端同时接入被测电压，使其输出端通过电阻R23和电阻R21输出一级输出电压，经过连接的运算放大器A21及辅助元件组成的积分电路实现对时间的平均，运算放大器A21输出至模拟乘法器U22和运算放大器A22组成的开方电路对运算放大器A21输出信号进行开方后输出有效值。

进一步地，所述平均值检波电路包括信号通过一电阻R31输入至一运算放大器A31的反相输入端，所述运算放大器的的反相输入端与输出端之间连接反相二极管D31，电阻R31依次连接电阻R32、电阻R33和电容C31后连接至运算放大器A32的输出端，运算放大器A32的同相输入端连接电阻R37接地，运算放大器A32的反相输入端与输出端之间连接电阻R35，运算放大器A32的输出端与平均值检波电路的信号输入端P31之间依次连接电容C32与电阻R34。

本实用新型与现有技术相比，有益效果在于：本实用新型可测量任意周期性交流信号的峰值、有效值和平均值，工作频带为1Hz～1MHz，可测信号幅度范围：0.1V～10V，测量过程全自动化，测量结果的相对误差小于±1％。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的装置模块框图；

图2是本实用新型实施例提供的峰值检波电路的电路原理图；

图3是本实用新型实施例提供的有效值检波电路的电路原理图；

图4是本本实用新型实施例提供的平均值检波电路的电路原理图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参见图1，一种电压检测分析装置，按照信号流经的先后顺序，依次包括保护电路、信号调理电路、检波电路、A/D模块、ARM处理器以及LCD显示器；其中：被测信号经过保护电路，防止输入信号过大对系统造成损坏；信号调理电路与保护电路输出连接后，将信号进行滤波与放大；检波电路与信号调理电路的输出连接，将信号经峰值、有效值以及平均值的检波后转化为直流电压信号；A/D模块将直流电压信号经过A/D转换；ARM处理器将A/D模块转化后的信号进行数字滤波处理；LCD显示器将数字滤波处理的信号进行显示。

检波电路包括峰值检波电路、有效值检波电路以及平均值检波电路。

参见图2，为峰值检波电路的电路原理图，包括峰值检波电路信号输入一运算放大器A1，运算放大器A1的反相输入端与输出端之间连接并联的二极管D1和电容C2，运算放大器A1的输出端连接二极管D2后连接至运算放大器A2的同相输入端，并在运算放大器A2的同相输入端上连接并联的电容C1和电阻R2，运算放大器A2的输出端输出信号，并在运算放大器A2的输出端与运算放大器A1的反相输入端之间连接电容C3，电容C3上并联电阻R1后连接至运算放大器A2的反相输入端。

输入电压未达到峰值时，二极管D1关断、二极管D2导通，信号通过运算放大器A1对保持电容C1充电，由于二极管D1的关断，后运算放大器A2、电阻R1和二极管D2构成一个反馈通路，使得运算放大器A1的输入端之间保持“虚短”，又由于“虚断”使得电阻R1上没有电流流过(电压为0V)，可视为短路。运算放大器A1、运算放大器A2构成电压跟随器，使后运算放大器A2的输出电压跟随于运算放大器A1的输入。当输入电压从峰值下降时，运算放大器A1的输出电压变小，当电压小于保持电容C1上的电压时，二极管D1导通、二极管D2关断。由于保持电容C1无放电回路，所以Uc1保持输入信号的峰值，又由于后运算放大器A2的“虚短”，Uout＝Uc1，从而实现了信号峰值的检测。

为了消除输入失调电流维持运算放大器A1的稳定，在二极管D1和电阻R1上并联一个39pF的电容。二极管D2和运算放大器A2接在运算放大器A1的反馈通路上，消除了由二极管D2上的电压降和运算放大器A2的输入失调电压所引起的误差。

所测信号频带范围为1Hz～1MHz，峰值检波电路的运算放大器A1须有足够大的压摆率和足够强的电容驱动能力，以起到捕获电压峰值的作用。为避免运算放大器A1工作在非线性区，选择ADI公司生产的低噪声、1GHzFastFET运算放大器ADA4817作为运算放大器A1。ADA4817的-3dB带宽为1050MHz，压摆率为870V/μs，完全满足本电路设计的需要。运算放大器A2须有较高的输入阻抗，在保持电容C1和输出之间起缓冲作用，防止通过电阻R1和负载所引起的放电，选择OP37作为运算放大器A2。选用结电容小于1pF、反向恢复时间为4ns的快速恢复二极管1N3064，保证高频信号的峰值检测。

参见图3，有效值检波电路的电路原理图，包括信号输入至模拟乘法器U21，所述模拟乘法器U21的两个输入端同时接入被测电压，使其输出端通过电阻R23和电阻R21输出一级输出电压，经过连接的运算放大器A21及辅助元件组成的积分电路实现对时间的平均，运算放大器A21输出至模拟乘法器U22和运算放大器A22组成的开方电路对运算放大器A21输出信号进行开方后输出有效值。在运算放大器A21的反相输入端与输出端之间连接电容C21和电阻R24，运算放大器A21的同相输入端通过电阻R25接地，运算放大器A21的输出端依次连接电阻R26和电阻R27以及电阻R29以及电阻R210，电阻R210以及电阻R29之间连接在模拟乘法器U22上，运算放大器A22的同相输入端通过电阻R28接地。

参见图4，平均值检波电路的电路原理图，平均值检波电路包括信号通过一电阻R31输入至一运算放大器A31的反相输入端，所述运算放大器的的反相输入端与输出端之间连接反相二极管D31，电阻R31依次连接电阻R32、电阻R33和电容C31后连接至运算放大器A32的输出端，运算放大器A32的同相输入端连接电阻R37接地，运算放大器A32的反相输入端与输出端之间连接电阻R35，运算放大器A32的输出端与平均值检波电路的信号输入端P31之间依次连接电容C32与电阻R34。

在电子测量中，电压的平均值是指检波后信号的平均值，即全波平均值，因此被测信号需先经过精密全波整流电路整流后再进行平均值滤波，从而实现电压平均值的检测。

运算放大器A31构成半波检波电路，对于正极性信号，二极管D31关断、二极管D32导通，运算放大器A31的输出电压为﹣2Uin；对于负极性信号，二极管D31导通、二极管D32关断，运算放大器A31的输出电压为零。运算放大器A32构成反向求和电路，使得

Uout＝﹣(Uin+UA1)，即Uout＝|Uin|，实现全波整流。在运算放大器A32的反馈电阻R35端并联一个330μF和一个100pF的电容，构成平均值滤波器，使Uout与|Uin|的平均值成正比，以此实现信号平均值的检测。

系统测试以固纬公司AFG-2225信号发生器输出的信号为测量基准源，其测量结果与市面数字万用表的交流电压档测量结果进行比较，测试结果均由相对误差表示。结果显示：

数字万用表的交流电压档只能对正弦波做出准确检测，并且只能测得信号的有效值。而本实施例所设计的电压表可对任意周期信号的峰值、有效值和平均值做出准确检测，且测量结果的相对误差均小于±1％。

数字万用表的交流电压档检波频带窄，只能对40Hz～10KHz的信号做出准确检测，而本实施例所设计的电压表有着良好的频率特性，其可对1Hz～1MHz的信号做出准确检测，且测量结果的相对误差均小于±1％。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电压检测分析装置，其特征在于，

按照信号流经的先后顺序，依次包括保护电路、信号调理电路、检波电路、A/D模块、ARM处理器以及LCD显示器；其中：

被测信号经过保护电路，防止输入信号过大对系统造成损坏；

信号调理电路与保护电路输出连接后，将信号进行滤波与放大；

检波电路与信号调理电路的输出连接，将信号经峰值、有效值以及平均值的检波后转化为直流电压信号；

A/D模块将直流电压信号经过A/D转换；

ARM处理器将A/D模块转化后的信号进行数字滤波处理；

LCD显示器将数字滤波处理的信号进行显示。

2.按照权利要求1所述的电压检测分析装置，其特征在于，所述检波电路包括峰值检波电路、有效值检波电路以及平均值检波电路。

3.如权利要求2所述的电压检测分析装置，其特征在于，所述峰值检波电路信号输入一运算放大器A1，所述运算放大器A1的反相输入端与输出端之间连接并联的二极管D1和电容C2，所述运算放大器A1的输出端连接二极管D2后连接至运算放大器A2的同相输入端，并在运算放大器A2的同相输入端上连接并联的电容C1和电阻R2，所述运算放大器A2的输出端输出信号，并在运算放大器A2的输出端与运算放大器A1的反相输入端之间连接电容C3，电容C3上并联电阻R1后连接至运算放大器A2的反相输入端。

4.如权利要求2所述的电压检测分析装置，其特征在于，所述有效值检波电路包括信号输入至模拟乘法器U21，所述模拟乘法器U21的两个输入端同时接入被测电压，使其输出端通过电阻R23和电阻R21输出一级输出电压，经过连接的运算放大器A21及辅助元件组成的积分电路实现对时间的平均，运算放大器A21输出至模拟乘法器U22和运算放大器A22组成的开方电路对运算放大器A21输出信号进行开方后输出有效值。

5.如权利要求2所述的电压检测分析装置，其特征在于，所述平均值检波电路包括信号通过一电阻R31输入至一运算放大器A31的反相输入端，所述运算放大器的的反相输入端与输出端之间连接反相二极管D31，电阻R31依次连接电阻R32、电阻R33和电容C31后连接至运算放大器A32的输出端，运算放大器A32的同相输入端连接电阻R37接地，运算放大器A32的反相输入端与输出端之间连接电阻R35，运算放大器A32的输出端与平均值检波电路的信号输入端P31之间依次连接电容C32与电阻R34。