真有效值数字仪表的基本原理

电子设计应用2003年第5期摘要：本文首先介绍了真有效值数字电压表的基本原理,然后阐述LTC1966 TRMS／DC转换器工作原理,最后给出由LTC1966构成的多量程真有效值数字电压表电路。

关键词：真有效值;TRMS／DC转换器;D-S调制器;数字电压表真有效值数字电压表的基本原理利用真有效值(TRMS)数字仪表,可以准确、实时地测量各种波形的有效值电压,满足现代电子测量之需要。

交流电压有效值是按下式定义的：(1)其近似公式为：(2)分析式(2)可知,借助于电路对输入电压u进行“平方→ 取平均值→开平方”运算,就能获得交流电压的有效值。

因这是由有效值定义式求出的,故称之为真有效值。

目前生产的真有效值/直流转换器(如美国ADI公司的AD636、AD736,美国LT公司的LTC1966等),都是采用这种原理而设计的。

真有效值电压表和平均值电压表测量典型波形的误差比较见表1。

表中波峰因数(KP)定义为峰值电压(UP)与有效值电压(URMS)之比。

图1 LTC1966管脚排列及内部框图LTC1966工作原理LTC1966是美国凌特公司(LT)于2002年最新推出的真有效值RMS/DC转换器,与其他RMS/DC产品相比较,它在完成乘法／除法运算时,未采用通常的对数-反对数的计算方法,而是采用了全新的D-S计算技术。

LTC1966具有简单电路接法(只有一个外接平均CAVE)、灵活的输入／输出结构(差分或单端)、灵活的供电方式(2.7V~5.5V单电源,最大范围为±5.5V双电源)、高准确度(50Hz~1kHz的误差只有0.25%)、良好的线性(小于0.02%)、很宽的动态电流范围、易于校准等特性。

LTC1966采用MSOP-8封装,管脚排列及内部框图如图1所示,各引脚功能如下：GND—地;UIN1、UIN2—差分输入端1和2;USS—负电源端,对地接-5.5V电源或直接接地;UOUT—电压输出端。

数显仪表的原理及应用实例1. 数显仪表的原理数显仪表（Digital Display Instrument）是一种将模拟信号转换为数字信号并以数字形式显示的测量仪表。

它通常包括一个传感器、一个模数转换器（ADC）、一个显示屏和一个控制电路。

下面将对数显仪表的原理进行详细介绍。

1.1 传感器传感器是数显仪表中最基本的组成部分之一。

它能够将不同物理量，如温度、压力、湿度等转换为模拟电信号。

常见的传感器有热敏电阻、压力传感器、光敏电阻等。

1.2 模数转换器（ADC）模数转换器是将模拟信号转换为数字信号的核心部件。

它能够将连续的模拟信号转换为离散的数字信号，以便于计算机等数字设备进行处理和显示。

常见的模数转换器有逐次逼近型（successive approximation）和逐次逼近型（ramp）等。

1.3 显示屏显示屏是数显仪表上用于显示数字的部分。

常见的显示屏有液晶显示屏（LCD）、数码管显示屏、LED显示屏等。

显示屏的选型和技术主要取决于应用场景的要求，比如对显示效果的要求、环境的亮度等。

1.4 控制电路控制电路用于控制模数转换器和显示屏的工作。

它能够接收模数转换器转换后的数字信号，并将其转换成显示所需的格式进行显示。

控制电路还可以进行数据校准、数值处理等操作，以提供更准确、更完善的测量结果。

2. 数显仪表的应用实例数显仪表在现代工业和科研领域中得到了广泛的应用。

下面将介绍几个典型的应用实例。

2.1 温度测量数显仪表可以用于温度的测量，常见的应用场景有热处理过程的温度控制、工业生产中的温度监测等。

传感器可以将温度转换为模拟电信号，经过模数转换器和控制电路的处理后，数显仪表可以以数字形式显示温度值，以方便操作人员进行实时监测和控制。

2.2 压力监测数显仪表也可以用于压力的监测。

在化工、石油、水处理等行业中，压力的准确测量至关重要。

传感器可以将压力转换为模拟电信号，数显仪表可以以数字形式显示压力值，并通过控制电路实现对压力的报警、记录等功能。

2014湖南大学电子设计竞赛第一次校内赛赛题真有效值数字电压表一、设计任务设计并制作一台数字真有效值电压表。

二、要求1、基本要求（1）真有效值电压测量：可测量频率范围在0Hz～10kHz频率范围的单频信号或合成信号的电压有效值，测量相对误差≤0.5%＋最低位2个字。

（2）测量量程：分200mV、2V、20V三档，可用手动切换量程。

（3）测量结果显示：采用LED或LCD显示十进制数字，三位半数显（0000－1999）（4）输入电阻≥100kΩ。

（5）具有输入过压保护功能。

（6）单电源供电，供电电源电压9V。

2、提高部分（1）扩展频率测量范围为0Hz～100kHz。

（2）增加平均值测量功能。

（3）测量误差降低为0.1%＋最低位2个字。

（4）自动量程切换功能。

（5）其他。

设计分析一、对题目的理解1. 真有效值的概念、实现方法及分析(1) 对有效值的理解真有效值不是针对正弦信号定义的，所有电信号都有其有效值。

从物理学的角度而言，就是电流通过物体做的功（发热）等效。

所以在此处不能用检测峰值或平均值通过转换计算得到，而是要通过采样，按有效值的定义，通过离散化计算得到。

检峰或平值值换算得到是针对特定的周期性波形，如正弦波。

而本题要求并没有定义是正弦波。

(2) 有效值的计算有效值计算式：积分部分可通过离散化计算。

设等时间间隔δ采样，在0至T采样时间采样N点，则连续积分可以用离散化公式进行计算：从中可得到：(3) 采样时间计算对误差的影响以单位幅值正弦波为例，分析积分时间及开始程分时刻对计算的影响。

设积分时间为T，初始相位为φ，则对应的有效值的平方为讨论：(a) 当采样时长T为周期T0的整数倍时，有：从中看出，采样后的计算结果与初如采样位置没有相关性。

(b) 当采样时长T不为周期T0的整数倍时，设T=nT0+ΔT0有：与周期整数倍采样相比，产生的偏差为：将T=nT0+ΔT0 和ω＝2π/ T0代入，有：两次等时间采样，不考虑采样时间为周期的整数倍时，可能产生的最大读数偏差为：从中可以评估不做周期测量时，要达到误差要求最少的采样周期数。

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交流检测真有效值芯片原理介绍及实用电路1、真有效值数字电压表的基本原理利用真有效值(TRMS)数字仪表,可以准确、实时地测量各种波形的有效值电压,满足现代电子测量之需要。

,借助于电路对输入电压u进行“平方→ 取平均值→开平方”运算,就能获得交流电压的有效值。

因这是由有效值定义而求出的,故称之为真有效值。

目前生产的真有效值/直流转换器(如美国ADI公司的AD636、AD736,美国LT公司的LTC1966等),都是采用这种原理而设计的。

真有效值电压表比平均值电压表测量典型波形的误差更小。

下面来介绍工程上常用的LTC1966的原理及使用。

2、LTC1966工作原理LTC1966是美国凌特公司(LT)于2002年最新推出的真有效值RMS/DC转换器,与其他RMS/DC产品相比较,它在完成乘法／除法运算时,未采用通常的对数-反对数的计算方法,而是采用了全新的D-S计算技术。

LTC1966具有简单电路接法(只有一个外接平均CAVE)、灵活的输入／输出结构(差分或单端)、灵活的供电方式(2.7V~5.5V单电源,最大范围为±5.5V双电源)、高准确度(50Hz~1kHz的误差只有0.25%)、良好的线性(小于0.02%)、很宽的动态电流范围、易于校准等特性。

图1 LTC1966管脚排列及内部框图LTC1966采用MSOP-8封装,管脚排列及内部框图如图1所示,各引脚功能如下：GND—地;UIN1、UIN2—差分输入端1和2;USS—负电源端,对地接-5.5V电源或直接接地;UOUT—电压输出端。

RMS平均值是通过此引脚与COM引脚之间的平均值电容CAVE来实现转换。

COM—输出电压返回端。

输出电压的产生和该引脚的电压有关。

一般COM端接地,在AC+DC输入情况下,UOUT与COM引脚之间不平衡,该引脚应对地接一小电阻;UDD—正电源端。

电压范围为2.7V~5.5V;EN—使能控制端,低电平有效。

LTC1966内部主要包括4部分电路：D-S调制器、极性转换开关、低通滤波器(LPF)和关断控制电路。

数字钳形表真有效值数字钳形表是一种常见的电子测量工具，用于测量电流、电压和电阻等电学参数。

它的有效值是指在交流电路中，正弦波形的等效直流值。

有效值在电路分析和设计中起着重要的作用，本文将从原理、计算方法和应用等方面介绍数字钳形表的有效值。

一、原理数字钳形表通过测量电压和电流的波形，计算出其有效值。

在交流电路中，电压和电流的波形通常是正弦波，而正弦波的振幅是变化的，因此需要取其平均值来表示电压和电流的大小。

有效值就是指这个平均值，它等于正弦波的峰值除以根号2，即有效值=峰值/根号2。

二、计算方法要测量电流或电压的有效值，只需将数字钳形表夹在电路上，它会通过感应或电流互感作用，将电流或电压转换成电压信号，然后进行采样和计算。

数字钳形表通常具有自动测量功能，可以直接显示电流或电压的有效值。

三、应用数字钳形表的有效值在电路分析和设计中有广泛的应用。

例如，在电源设计中，需要测量电源输出的电压和电流的有效值，以保证电源的稳定性和质量。

在电路故障排查中，也可以通过测量电流和电压的有效值，定位故障点。

数字钳形表还常用于家庭用电检测。

我们知道，家庭用电是交流电，电流和电压的波形是正弦波。

通过测量电流和电压的有效值，可以判断电器工作是否正常，避免因电器故障引发的安全隐患。

总结：数字钳形表的有效值是指交流电路中电压和电流的等效直流值，可以通过测量电压和电流的波形，计算出其有效值。

有效值在电路分析、设计和故障排查中起着重要的作用。

数字钳形表具有测量方便、精度高等优点，被广泛应用于各个领域。

通过掌握数字钳形表的有效值原理和使用方法，可以更好地进行电路测量和分析，提高工作效率和质量。

谐波-真有效值（True RMS）¡¡唯一的真实测量值我司推系列的真有效值的万用表，如203T钳形万用表，68T数字万用表，为了使客户对真有效值有一个全面的了解。

我们结合生活中现实情况讲解下真有效值和平均值的区别。

真有效值（True RMS）¡¡唯一的真实测量值许多商业和工业的装置都为断路器的频繁误跳闸所烦扰。

这些跳闸看上去经常像是随机的、令人费解的。

其实这里面是有其原因可究。

造成这种现象的原因一般来说有两个方面。

第一个可能原因是一些负载，特别是个人电脑和其它电子设备开机时所产生的冲击电流。

关于这种原因，将会在本指南的后面章节里具体讨论。

另一个可能原因是回路里的真实电流的测量值低于真实值¡¡换而言之，是实际电流过高而引起的。

在现代化装置中这种电流测量值偏低是个高发现象。

既然当前的数字测量仪器如此精确可靠，为什么又会发生这种现象哪？答案就是许多测量仪都不适合于测量失真（畸变）电流，而现在绝大多数的电流都是失真的。

电流失真是由于非线性负荷的谐波电流造成的，特别是个人电脑、配有电子镇流器的荧光灯和变频驱动装置等电子设备为代表。

谐波的产生机理及其对电气系统的的影响将在指南的3.1节进行具体阐述。

图3所示为个人电脑接入后的典型电流波形图。

很明显这不是一个纯正弦波，所以一般适用于正弦波的测量工具和计算方法都不适用。

这意味着，在对电力系统进行故障检修或者性能测试分析时，有必要采用能够处理非正弦电流和电压的正确测量工具。

图1 一个电流两种读数，你相信哪个？图中的回路为一个有畸变电流的非线性负载供电。

真有效值卡钳式电流表（左）上的读数是正确的，而平均值卡钳式电流表的读数（右）比正确值要低32%。

图1所示为同一回路上的两种卡钳式电流表的读数差别。

两个测量仪都运行正常，且按照生产厂家的要求进行了校准，主要的差别就在于测量方法的不同。

左边的电流表是真有效值测量仪，右边的是按有效值校准的平均值测量仪。

数字万用表使用基本规范真有效值相关讲的很清楚万用表。

它们被誉为新千年测量上的一把卷尺。

随着技术的发展我们的世界正迅速改变着。

电气及电子电路正渗入到我们的日常生活中，并且正变得更复杂、体积更小。

随着移动电话、互联网信息产业的蓬勃发展，维护，修理及安装这些复杂设备都需要诊断工具来提供准确的信息。

数字万用表就是一个用于电气诊断的工具。

但是什么才是真正的数字万用表？你能用它做什么呢？你又有什么特殊测量要求呢？怎样用最简单的方法让你的万用表发挥出其最大功效呢？准确度准确度是在特定使用环境下的最大允许误差。

换句话说，准确度就是用来表明数字万用表的测量值与被测信号实际值的接近程度。

对数字万用表来说，准确度通常使用读数的百分数表示。

例如，1% 的读数的准确度的含义是：万用表显示读数为100 伏时，实际电压值可能是 99 伏到 101 伏之间。

说明书在有时也会把特定数值加到基本准确度上。

其含义是，显示屏最右端的位有多少数可以变化。

所以在前面的例子中，准确度就可能会表示成± (1 % + 2)。

因此如果读数为 100.0 伏，实际电压值应该在 98.8 到 101.2 伏之间。

欧姆定律使用欧姆定律，可以计算任何电路的电压，电流和电阻。

公式是：电压 =电流× 电阻。

因此，只要知道公式中的任何两个值，就可以计算出第三个值。

数字万用表就是利用欧姆定律直接测量并显示电阻、电流或电压。

电压测量数字万用表的基本用途之一就是测量电压。

典型直流电压源就是电池，如汽车用的电池。

交流电压通常是由发电机产生的。

最常见的交流电压源就是家中使用的壁装电源插座。

某些设备可将交流转换为直流。

例如，电视机、立体音响、录像机及电脑等电子设备，接入壁装电源插座后，通过整流器将交流电转换为直流电。

直流电为这些设备的电子电路提供能量。

测试供电电压通常是检修电路的第一步。

如果没有电压，或电压过高或过低，则在进一步检查前，首先要解决电压问题。

交流输入电压、电流监测电路设计引言电子设备只有在额定电压、电流下才能长期稳定工作，因此需要设计相应的监测、保护电路，防止外部输入电压或者负载出现异常时造成设备损毁。

工频交流电压、电流的大小，通常是利用它的有效值来度量的。

有效值的常用测量方法是先进行整流滤波，得出信号的平均值，然后再采用测量直流信号的方法来检测，最后折算成有效值。

但是由于供电主回路中存在大量的非线性电力、电子设备，如变压器、变频器、电机、UPS、开关电源等，这些设备工作时会产生谐波等干扰。

大型电动设备启动、负载突然变化、局部短路、雷电等异常情况出现时，供电主回路中会出现浪涌。

当这些情况发生时，供电线路上已不是理想的正弦波，采用平均值测量电路将会产生明显的测量误差。

利用真有效值数字测量电路，可以准确、实时地测量各种波形的电压、电流有效值。

下面介绍的监测电路安装于配电箱中，与外围保护电路一起实现对电子设备保护的功能。

真有效值数字测量的基本原理电流和电压的有效值采集电路原理基本相同，下面以电压真有效值为例进行原理分析。

所谓真有效值亦称真均方根值(TRMS)。

众所周知，交流电压有效值是按下式定义的：分析式(1)可知，电路对输入电压u进行“平方→取平均值→开平方”运算，就能获得交流电压的有效值。

因这是由有效值定义式求出的，故称之为真有效值。

若将式(1)两边平方，且令，还可以得到真有效值另一表达式URMS=式(3)中，Avg表示取平均值。

这表明，对u依次进行“取绝对值→平方/除法→取平均值”运算，也能得到交流电压有效值。

式(3)比式(2)更具有实用价值。

由于同时完成两步计算，与分步运算相比，运算器的动态范围大为减小，既便于设计电路，又保证了准确度指标。

美国模拟器件公司(ADI)的AD536、AD637、AD737系列单片真有效值/直流转换器，即采用此原理设计而成。

而凌力尔特公司的单片真有效值/直流转换器LT1966、LT1967、LT1968在RMS-DC的转换过程中采用一个∆∑调制器作除法器，一个简单的极性开关作乘法器。

汽车数字式仪表的基本原理1．数字式仪表的特点数字式仪表不仅可以取代传统的机械式仪表进行水温、油量、油压、电压、电流、车速、里程、发动机转速、转向指示、安全带等指示外，而且还可以显示传统式仪表无法显示的的内容，如车辆各个控制系统的故障信息、倒车雷达监测的信息等。

由于数字式仪表可以提供大量的更加复杂的车辆状态信息，且具有可靠和精度高的特点，故其必将逐步取代传统式汽车仪表。

2．数字式仪表的类型从目前应用于各种轿车上的数字式仪表来看（部分新型轿车上使用的数字式仪表情况如上表所示），大致可以分为三种类型：(1 )LCD（液晶）与指针混合数字显示式。

这类数字式仪表是目前各大汽车生产厂家应用量较多的一种仪表。

它的一种典型外形如下图所示。

(2)全数字指针显示式仪表。

这类仪表主要是采用数字式电路控制步进电动机，再由步进电动机驱动指针进行显示。

(3)LCD全数字显示式仪表。

这类仪表主要是采用数字液晶仪表与宽温度范围的模拟指针式仪表组合而成的。

3．数字式仪表的组成数字式仪表主要由硬件与软件两大部分构成。

硬件主要是指其电路部分，采用传感器对各种信号进行检测，然后在微处理器软件的作用下，对各种信号进行转换、处理，最后由显示电路显示出各种信息。

软件也就是写在存储器中的各种控制程序，用来完成信号的处理和对各种功能进行控制。

由于软件是生产厂家预先写入存储器中的，本文不再多叙，下面重点介绍数字式仪表的电路部分。

汽车数字式仪表虽然有三大类型，但它们的组成基本相同，均可以用上图所示的方框图来表示。

通常是由传感器检测电路、输入接口电路、主控制中央处理器电路、显示和执行电路等构成。

为了大规模生产和安装方便，生产厂家多将各部分电路制作成模块方式，有的还将几个部分电路集成在一起制成复合模块方式。

下面介绍各部分电路的功能。

4．传感器检测电路传感器检测电路包括温度传感器、油量传感器、车速传感器、油压传感器等，还有各种开关的状态也是作为传感器使用的。