原创 【TI博客大赛】【原创】LM3S811之测量交流有效值

　　手上有块TI的LM3S811开发板，虽然不是专业的ADC，但其包含4通道的ADC，采样率500kbps，10位分辨率，可以量程在-1.5V~1.5V或0V~3V，还有一路模拟比较器，应该足可以测量交流有效值了，就看能测量到什么程度了。我手上有个项目，需测量的信号是400Hz，最大±12V，就以此为例，怎样才能最大发挥该芯片ADC测量交流有效值的能力呢？

　　在航空电气、自整角机、旋转变压器中都是需要同时测量几路信号，这样先得考虑该芯片是否具有同步测量的可能性，假设其中一路信号为，可用V=Acos(wt)来表示，其中A为幅度，w就是2*pi*400Hz了。ADC量程为-1.5V~1.5V或0V~3V，10bit的分辨率，最低电压分辨率为3/1024=2.93mv，500bps的采样率对应2us，呵呵，4路通道之间的间隔就是6us，如果在6us内变化小于2.93/2=1.46mv即采集的数据的误差仅ADC的分辨率决定，对于该芯片则为同步采集。对于400Hz的信号，每个周期其幅度变化1.46mv/6us/400Hz=0.6v，而该信号的幅度才1.2v，一个周期内幅度就变化至少一半，那是不可能的事情，所以理论上可以满足同步采集的要求。

　　测量正弦波交流电有效值有好几种方法，一种是通过二极管、电容构成的检波电路，将交流转换成直流，但该方法对400Hz这样的低频信号误差较大，放弃。一种是通过AD736这样的专用芯片测量，精度我没查数据手册，价格不便宜，放弃。一种是直接ADC采样，可以多次采集求面积，也可以只测量最大值，这种方法测400Hz的低频交流电最好了。

　　开始想直接测量，LM3S811有一个模拟比较器，可以很容易地知道每周期的开始，对于400Hz的正弦波信号，可以精确在其1/4周期处采集最大值，将±12V的交流信号利用电阻分压成±1.2v，对于±1.5的量程，还留有25%的余量。但对于正弦波这样对称的波形，就浪费了一半的信息，能够测量的电压分辨率只有3V/1024=2.93mv，对应到交流信号为2.93mv*10=29.3mv。

　　接着想到采用多次采样求面积的方法，对于绝大部分信号可以通过多次采样提高精度，也可在软件算法上加上抗干扰措施，但对于幅度小于29.3mv的信号就无能为力了。

　　既然交流信号是对称的，如果只采集上半波，将上半波扩充到整个ADC量程内，精度则可提高一倍。但二极管单向导通不能以0为界限精确半波整流，需要0.7v以上才能导通，而且相对于原始信号存在0.7v的误差，呵呵，这可比上述的29.3mv严重多了。想了几天，既然不能够精确地以0v为界来划分，那可以以-0.7v乃至-1v划分，后面在软件中修正，至少ADC采集的信号要精确。

　　如图1，T3是电阻分压后的信号，T4是调理后的信号，虽然翻遍了LM3S811的datasheet没看到其ADC的输入电压极限值，目前也没有测试如果在设置0v~3v的情况下输入负电压会怎么样，但我想其可以测量0v~3v和-1.5v~1.5v，输入-1v~3v的电压应该没有问题，负电压要是直接当0v处理，那倒免得我在软件上修正了。该方法如果可行，测量信号的精度应该为14.6mv，对应的交流电压就是10mv了，呵呵。

　　　　　　　　图1  原理图

　　　　　　　　图2  瞬态分析图

　　综上所述，如果交流信号频率变化，那可以多次采样求面积。如果交流信号是频率固定的，而且频率不高，这种情况也是最常见的，利用模拟比较器可精确地算出周期，其ADC采集信号时也只需在1/4周期处测量最大值即可，这样计算也少，精度也能满足，同时认为是同步采集的，对于有效值为15/1.414=10.6v以下的信号，精度可以达到10mv，达到了10位ADC的极限，物尽其用了。