电子设计基础——有效值检波技术

在工业中，常用的检波技术主要有三种：
1.均值检波技术
2.峰值检波技术
3.均方根值检波技术

1.均值检波技术

均值检波法主要应用于交直流转换电路中，其主要实现方法是将交流信号进行半波或者全波整流，再对整流输出的电脉动直流信号进行积分得到较为平缓的直流信号，最后再根据被测信号的半波整流平均值或全波整流平均值与有效值的关系即可计算出被测信号的有效值。

图为用于电流的交直流转换电路，图中二极管D1和D2构成半波整流电路，二极管D2用于保持被测回路电流的连续性，并非转换电路本身需要。

当用于测量电压信号时，二极管D2可以省略。

当输入处于正半周时，二极管D1导通，向电容C充电，微安表得到的是经电容平滑滤波之后的直流电，当输入处于负半周时，电流从D2流过，二极管D1截止，电容电荷通过微安表内阻放电，电容电压下降。

电容两端的电压波形如下图所示，流过微安表的电波波形与下图电压波形相同，课件，只要输入交流电流幅值不变，流过电流表的波形非常接近一条直线。

充放电电路的时间常数越大或信号频率越高，输出波形越接近直线。
充放电电路的时间常数越大，当输入电流幅值发生变化时，输出响应越慢。

因此，均值检波电路较适合于幅值相对稳定或变化缓慢，而频率较高的交流电测量。

均值检波电路通常采用电容充放电电路作为平均值电路，由于输出为整流平均值，要求电容充放电时间常数相等。

为了使充放电速度相同，因此，只有在微安表内阻与电容符合特定关系时，才能使充放电速度相同。

对于数字采样的仪表，图中微安表可用取样电阻替代。

并且一般会先将电流信号转变为电压信号再作转换，电压半波整流的均值检波电路如图所示。

但是，上图存在一些问题：

1.由于二极管存在压降，当测量电压较小时，二极管压降带来的影响不能忽略。

2.这是电阻电容串联电路，并不是严格的平均电路。

因此，上图电路不能实现严格的整流平均值，我们可以采用基础精密整流的绝对值电路来解决第一个问题。

下图为实用的均值检波电路，图中只要去除C1，就是全波精密整流电路，本电路在A2构成反相加法器上增加积分电容，将其变为反相加法及积分电路，图中R3=2R4。

2.峰值检波技术

峰值检波构建的交直流转换电路对交流信号进行半波或全波整流，再用充电电容保持整流输出的脉动直流信号的峰值，得到较平缓的直流信号，直流信号的幅值就是被测交流信号的峰值，在利用被测信号的峰值与有效值的关系即可计算出被测信号的有效值。

与均值检波技术不同的是，它利用的是被测信号的峰值而不是均值来计算有效值。

峰值因数是指信号的峰值与有效值的比值。

因此，峰值检波法交直流转换电路得到的测量结果需要除以峰值因数才是被测信号的有效值。

峰值检波的最简电路模型可以采用和交流电压检波电路一样的模型：

但是实际上，峰值检波和均值检波还是有很多差别的，它们的最大差别在于：

1.峰值检波电路要求充电时间足够短，用于窄脉冲测试的峰值检波电路，要求在很短的时间之内，电容可以快速充电至峰值。
而放电时间相对长，否则，输出波形不够平滑。
对于正负对称并且幅值相对稳定的交流电而言，只要放电速度远远低于充电速度，即使充电速度较慢，也能使输出非常接近峰值。

2.均值检波电路要求充放电时间相等，否则，得到的不是整流平均值，均值检波电路适用于正负对称并且幅值相对稳定的交流电的测量。

与均值检波类似，在被测电压较小时，需要消除二极管的压降带来的误差，同样对电路进行改进，得到如图所示电路：

当Vi大于V0时，A1输出正电源电压，变容二极管D1截止，D2导通，电容C迅速充电至Vi。

当Vi小于V0时，A1输出负电源电压，变容二极管D1导通，D2截止，电容C通过电阻Rc缓慢放电。

3.均方根值检波技术

均方根值检波技术可以用硬件方法或者软件算法来实现，如果要用硬件实现的话，可以采用专用的真有效值转换芯片来实现。

常用真有效值转换芯片有AD536、AD637、LTC1966、LTC1967、LTC1968等。

其用法可以参考芯片的datasheet，这里不再赘述。

我们来详细探讨下软件算法的实现。

均方根值，顾名思义，就是在输入信号的整数周期内，对输入信号进行平方，相加平均再开方。

我们采用均方根值算有效值的流程通常是将输入信号转化为电压信号，再根据信号的频率选用高速AD对信号进行采样，最后，我们将采样值输入EPGA或者单片机中进行算法处理，得到信号的有效值。

这里有两点要特别注意：

1.对于频率较高的信号，我们最好选用采样频率足够高的AD和主频足够高的EPGA来进行处理，否则的话，算出来的有效值误差会非常大。

2.在采样时，最好是按照周期的整数倍来进行采样和数据处理，如果数据处理时不是按照整数个周期来处理的话，得到的值将会是一个跳动的数字。

流程图如下：