适合业余条件下的50Hz交流电压准“基准”

qzlbwang

业余条件下怎样做个交流电压基准？简单的说就是一个正弦交流信号发生器。但是最起码有两个问题需要解决：1、作为交流电压基准，输出的信号幅度是需要稳定的，不应该是今天准了明天就不准了。冬天准了夏天就不准了。2、业余条件下如果校准也是个问题，一般的表测量交流时的误差都比较大（明显比直流的大），用来校准显然是不合适的，高等级的交流表并非是一般人普遍拥有的。而一般来说大家手中的直流电压表（包括万用表的直流电压档）的精度相对会比较高些，直流的“基准”也比较好找些，实际使用中对“交流基准”的要求也相对低些。那么我们就可以想办法通过“直流基准”转移到“交流基准”上去的办法来解决。下面这个设计试图通过这个办法去实现。有兴趣的朋友可以一试。
    电路的核心很简单，是个文氏桥正弦波振荡器。为了有足够的驱动能力加上了两个互补三极管做扩流。其他的一些电路的目的只有一个：利用负反馈稳定输出幅度，输出的电压经分压后（1V有效值）进行峰值整流后（2.828V）与直流“基准”产生电压进行比较且积分。然后驱动LED，LED与光敏电阻共同封装在一起，LED的亮度改变了光敏电阻的阻值，从而调整振荡器的输出幅度。这是一个幅度闭环自动控制环路，且环路中有积分环节，实现了无静差控制，使得输出的幅度稳定在我们给定的数值。
    这个电路的精度主要取决于分压电阻的精度和431提供的基准电压的精度。

往事已去

实际装了吗？我曾用光敏电阻做幅度控制做一文氏桥，结果幅度振荡，后来改FET控。但FET波形没光敏电阻好，幅度小时还行，大了就失真。

眉间尺

正在琢磨怎么校准交流电压表呢. 这个思路好.

qzlbwang

光敏电阻的缺点就是响应比较慢，做得不好很容易“幅度振荡”，这里的用了积分环节，调整得比较慢，调整好了应该能够避免，实际调试时可根据情况调整积分电容大小，必要时还可以加些比例控制（P）和微分控制（D）来解决。

longshort

关键是要减少失真，失真度基本上正比于测量的不确定度。例如0.1%的失真度，大体上可用来校准三位半的表，0.01%失真度，可用来校准四位半的表。
实际上还有一个幅度不太容易控制，它与失真度共同构成了误差的主要来源。

在国家电学基准中，50Hz工频的基准测量只有交流功率是可以比对的，电压和电流都需要分别变换为100KHz和1MHz的频率才行。

qzlbwang

回楼上：这个电路是咱们业余玩玩的“准基准”，自然没法和国家基准相提并论。这里的要求也就是可以看看我们手头有的万用表之类的交流档的精度情况而已，并没有太高的要求。那敢有负5次方的奢望呀。
    只有波形失真问题，用光敏电阻反馈就是考虑要减少失真，再说这里也只是希望能够得到相对于电网的波形畸变要好的比较理想正弦波就可以了，没指望太高要求。只是适合业余玩玩哦。

wbxms

这个问题值得研究。
交流的源很难找，且贵，如果找到代用方法，应当是很好的事情。

longshort

抱歉！没有指责的意思。对这个问题，经常想到要怎样去解决它，却没有好的办法。失真度是一个问题，影响已知。幅度控制又是一个问题，且似乎更难一些。如果光控制供电电压，这方面没有任何问题，但器件本身引起的非线性失真导致幅度无法精确地确定，正弦波只有在它是“正弦”的波时才是正确的。难啊．．．

往事已去

当时用这个图，把C1加大到1000uF都不行，只是振荡的频率慢了些。

qzlbwang

仔细算了一下，元件数值需更正一下：C4改为100uF，R21改为1K1左右，324的10脚电压改为2.77V(通过调整R21和R20实现)。C4和C5要用质量比较好的钽电容。C5用CBB或独石电容更好（现在的CBB和独石都可以做到10uF的容量）。

眉间尺

用振荡器产生纯净的正弦信号一般要靠高 Q 值滤波器来实现. 在工频通常用有源滤波器, 比如高阶低通滤波器或者采用双 T 回路的带通滤波器.
采用三角波发生器配合 8038 芯片也可以获得较低失真的正弦波. 但是据说 8038 价格较高, 不太适合diy 使用.
还有就是用 DDS 技术. 这个只要采用相对简单的滤波器就可以获得纯度较高的工频信号. 问题是成品 DDS 芯片可能价格也不低.
考虑到输出信号频率很低, 完全可以用廉价的单片机配合内置或者外置的 DAC 来实现 DDS. 常用的单片机价格在 10 元以内, DAC 的价格一般也不高. 总代价还是可能比 8038 或者专用的 DDS 芯片低很多的.

眉间尺

想起来了. 8038 是单片函数信号发生器, 只要外接少量阻容元件就可以了.不需要三角波发生器.

longshort

原帖由 眉间尺 于 2011-3-2 21:04 发表
想起来了. 8038 是单片函数信号发生器, 只要外接少量阻容元件就可以了.不需要三角波发生器.

ICL8038比单片机便宜，瞧：

http://item.taobao.com/item.htm?id=7794895554

qzlbwang

用DDS是一个很好的方案，只是成本相对较高。而大多数的函数信号发生器芯片其实是用积分把方波变成三角波，再积分（或多次积分）把三角波变为正弦波，其实其正弦波形并不是很好。而一般的振荡电路由于主要是靠器件的非线性实现稳幅，所以也存在一定的失真。如果要波形好则要好好设计稳幅环节（利用幅度负反馈环节）使振荡电路都工作在线性状态。因为振荡实际上就是个正反馈放大器，要满足等幅振荡是个很苛刻的条件，要求整个（正反馈振荡）环路的增益刚好等于1，如果增益大于1，哪怕是大很少很少一点点，那么幅度就会越来越大，直至（振荡线路中的）放大器出现非线性，使增益下降到刚好是1，这时候就出现失真（比如限幅削峰就是很严重的失真例子）。相反，如果增益小于1，哪怕是小了很小一点点，那结果是幅度越来越小，最终导致停振。所以要想要振荡器输出幅度要稳，同时又要输出波形好，那么就要有自动调节负反馈环路，当幅度比规定的小了（那怕误差很小一点点）就去提高放大器的增益，反之，就降低增益。并且这个调节增益还不能影响放大器的线性，也就是说始终要保持振荡环节中的放大器处于良好的线性放大性能。

qzlbwang

设计这个电路主要是考虑业余条件下容易实现，成本低等因素。