高频功率表设计.docx
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高频功率表设计
高频功率表设计
摘要
功率表一直是重要的工业测量仪表，高频功率表也是国家的重要科研设备。
目前的市场上高频功率表种类繁多，而且价格昂贵。
本次设计将设计一个价格低廉、使用方便并可用于宽频带的交流功率的测量电路，结果用数字显示。
被测信号频率在10MHz以下，被测信号电压小于24V，被测功率0-1.0W，测量误差小于10%，分辨力为0.05W。
电路有零值校准部件。
测量电路的工作电源从220V交流电中获取，或者用电池供电。
目前对功率的测量方法有很多种，且功率计主要分为指针式和数字式。
因为本设计要求测量功率数字显示，所以功率电路为数字式，主要利用集成模拟乘法器来实现，根据公式P=UI，将输入信号U和I通过模拟乘法器相乘实现信号相乘并通过一系列电路的处理将结果用数字显示出来。
本次设计从电路的基本组成，功率测量的基本原理，各部分具体电路和总电路图进行分析。
因为测量的信号为高频小信号，大体思路是利用电阻直接分压采样输入电压和输入电流，将大信号转换成模拟乘法器可以处理的小信号，送入模拟乘法器（本设计用MC1496）将两输入端实现信号的相乘，从模拟乘法器输出的相乘信号经过三极管的放大，然后通过整流器电路，滤除高频信号，将交流信号转换成直流信号，最后通过三位半LED显示A/D转化器（本设计用ICL7107）将结果数字显示。
经过电路板的制作、修改和调试，最终实现模拟乘法器完全相乘状态。
关键词：
功率表；乘法器；高频；数字显示
abstract
Powermeterhasbeenanimportantindustrialmeasuringinstruments,high-frequencypowermeterisalsothecountry'smajorresearchequipment.Thecurrentmarkethasawiderangeofhigh-frequencypowerandtheyareexpensive.Thisdesignwillachieveahigh-frequencypowermeterwhichisinexpensiveandeasytouse,anditcanmeasurewidebandACpower.Themeasuredsignalfrequencyisunder10MHz.Themeasuredsignalvoltageisunder24V.Themeasuredpowerfrom0to1W.Measurementerroroflessthan10%.Measuringcircuitofthepowersupplyfromthe220VACtoobtain,orusebatteries.
Therearemanywaystomeasurepower,andpowermeterisdividedintoPointeranddigital.Thedesignofthepowercircuitforthedigital.,anditusesanalogmultipliertoachieve.AccordingtotheformulaP=UI,theinputsignalUandImultipliedbyanalogmultiplier,theresultsthroughaseriesofcircuitsshowninfigures.
Generalideaistouseresistorvoltagedividercircuit,samplinginputvoltageandinputcurrentdirectly.Convertingthemintosmall-signal,thensendthesmall-signalintoanalogmultiplier（suchasMC1496）.Aftertheamplificationtransistor,theoutputsignalfromtheanalogmultiplierwillfilterouthigh-frequencyandACsignalbythroughingthedetectorcircuit.Finally,thethree-semiLEDdisplayA/Dconverterwillfiguresshowtheresults.
Keywords:
Powermeter;Multiplier;Highfrequency;Figures
目录
前言1
第1章功率测量电路的基本组成和原理2
第2章高频功率测量电路各部分的组成3
2.1电压电流采样输入级电路3
2.2由模拟乘法器MC1496构成乘积电路4
2.2.1集成模拟乘法器的内部结构4
2.2.2静态工作状态设置6
2.2.3基本工作原理6
2.3放大电路和整流器电路8
2.4显示单元电路9
2.4.1ICL7107的工作原理9
2.4.2ICL7107的性能参数13
2.4.3ICL7107外接电路15
第3章硬件电路制作与调试17
3.1总电路图17
3.2电路PCB图19
3.3功率测量电路板19
3.4电路板的调试20
小结21
致谢22
参考文献23
附录124
前言
目前市场上功率表种类繁多，各种功率表应用范围不同，对电功率的测量方法也不同，主要有以下几种：
1.热电偶法。
热电偶是一种感温元件，是一次仪表。
如果把热电偶的热节点置于微波电磁场中，使之直接吸收微波功率，热节点的温度便往上升，并由热电阻检测出温度差，该温差电势便可作为微波功率的量度。
用这种原理设计成的功率计成为热电偶式功率计。
2.热敏电阻法。
热敏电阻式一种具有温度系数的电阻元件，当它的温度升高时，电阻值就变小。
由于热敏电阻对温度十分敏感，因此它就被广泛地应用于微瓦和毫瓦级的功率测量中。
用热敏电阻测量功率时，最常用的是惠斯通电桥电路作为测量和指示装置，即把功率座中的热敏电阻作为电桥的一个臂，利用热敏电阻吸收微波功率后阻值的变化来测量微波功率[1]。
3.量热计法。
热计量法是将电磁能量转换成热能来测量。
变换器是感应和吸收电磁能量的负载，称为量热体。
负载吸收功率，使之转换成热能，从而量热体温度上升，检测其温度差热电体，根据功率和热电势之间的关系来确定被测功率[2]。
4.二极管法。
在微波功率测量中，晶体二极管是一种最常用的信号检波器，经常用作电平的指示器。
5.单片机法。
测量电路由单片机、A/D转换器、地址译码器、D触发器和数码显示器部分组成。
单片机做主控芯片，处理结果，用LED数码管动态显示测量结果。
6.模拟乘法器法。
利用专门集成的电路芯片，可以直接将两个信号相乘，从而实现高频或低频信号的功率测量。
由于模拟乘法器的型号种类齐全，一般能满足各种设计要求。
目前功率计比较常见的有两种，一种为指针式功率表，另一种为电子式功率表。
指针式功率表测量法虽然测量简单，但频率响应差，而且精度低，费用方面低功率因数功率表价格高。
电子式功率表测量法是利用专用的集成芯片，例如使用专用的模拟乘法器，将两路信号用芯片自动相乘得出一路信号，方便测量并且精度较高。
第1章
功率测量电路的基本组成和原理
因为设计要求被测信号频率在10MHz以下，被测信号电压小于24V，被测功率0-1.0W，相比前言中的各种功率测量方法，热电偶法适合测量更搞频率的微波；热敏电阻法测试的功率范围太小，达不到设计的要求；量热计法和二极管法不适合高频小信号的功率测量；而单片机法测量对高频信号的实时性处理不够好；而模拟乘法器法可以选用合适的模拟乘法器芯片，处理高频信号的测量信号。
由于设计要求的被测信号电压值较小，对人体不会产生危害，所以电流和电压的采样不需要专门进行隔离，而可以直接用分压电路电阻分压采样。
又因为本设计要求需要用数码管数字显示，所以采用的设计是数字式功率表测量法，用模拟乘法器实现信号的相乘并用显示电路LED数字显示。
整个电路大致由如下几个部分组成：
（1）取样电路。
也就是分压电路，用电阻分压实现，通过电阻分压控制输入信号的大小。
包括电压、电流取样，同时实现量程转换。
测量电路直接从待测用电器接入电压和电流，由于接入的信号过大，不能直接送入到模拟乘法器的输入端，需要把输入端信号利用电阻分压减小至几十至几百毫伏，才能用模拟乘法器实现信号相乘，所以要分压取样电路来实现。
（2）模拟乘法器。
实现乘法和累加运算，这是实现高频、实时测量的重要一环。
主要功能是实现两个互不相关信号相乘，即输出信号与两输入信号相乘积成正比。
它有两个输入端口，即X和Y输入端口。
模拟乘法器是对两个模拟信号（电压或电流）实现相乘功能的有源非线性器件。
所以需要正负电源供电[3]。
（3）放大电路和滤波电路。
模拟乘法器中输出的信号依旧为小信号，需要放大才能测量。
又因为模拟乘法器输出端信号为高频交流正弦信号，需要虑掉高频部分信号和负半周的信号才能准确测量功率，所以将信号送入显示单元钱先在模拟乘法器输出端接检波电路，用检波二极管和RC回路实现信号的过滤和调制。
（4）显示单元电路。
将过滤之后的信号送入显示单元芯片的输入端，让显示单元芯片自动处理，并将结果用LED七段数码管数字显示。
需要专用的集成芯片来完成自动处理过程，外接电源供电使其正常工作，并连接LED数码管将结果数字显示。
若设所待测用电器的电压
；用电器的电流
；那么功率
（1-1）
由此公式得到电压与电流相乘的结果，因为带有高频交流分量，需要设计电路滤除其高频和交流部分信号，即可得到正弦有功功率的量。
整个电路结构框图如图1.1所示，电压输入，经过取样电路的电阻分压，转换成一路小信号Vx送入模拟乘法器的一输入端；电流输入，经过采样电阻形成另一路小信号Vy送入模拟乘法器的另一输入端。
模拟乘法器将两路小信号相乘处理后为高频交流正弦信号，将经过模拟乘法器处理输出信号通过一个检波电路，滤掉高频、交流和负半周的信号，最后送如显示单元处理，将结果用七段数码管显示出来。
本电路核心器件为模拟乘法器和显示电路单元。
图1.1电路结构框图
第2章高频功率测量电路各部分的组成
电压电流采样输入级电路
因为输入模拟乘法器的信号需要几十毫伏至几百毫伏的小电压，而设计要求的负载信号小于20V，所以负载信号需要采样转换成小信号输入模拟乘法器。
由于负载的电压较小，不会有强电的危险，所以可以直接用采样电阻进行采样。
电流采样原理类似。
小电流和一个接模拟公共端的小电阻直接形成输入电压，并通过电容C取得交流部分信号，送入模拟乘法器。
至此，模拟乘法器需要的两路信号就可以采样完成。
电压电流采样输入级的电路基本原理图如图2.1所示。
图2.1输入信号采样电路
图中RL为待测的负载，R1作为分压电阻取样输入电压，R2作为输入电流的取样电阻，形成输入电流的采样电压，C1用来取得信号的交流部分。
输入级电路的实质就是利用电阻分压，将被测的高电压（几十伏或几百伏）和大电流（几安至几十安）转换成电子电路能处理的低电压（几十毫伏或几伏）输入到乘法器中。
取样电阻功能上就是做为参考，常用在反馈电路里，以稳压电源电路为例，为使输出的电压保持恒定状态，要从输出电压取一部分电压做参考（常用取样电阻的形式），如果输出高了，输入端就自动降低电压，使输出减少；若输出低了，则输入端就自动升高电压，使输出升高。
采样电阻一般使用的都是精密电阻，阻值低，精密度高，一般在阻值精密度在±1%以内，更高要求的用途时会采用0.01%精度的电阻。
为了降低成本以及便于大批量生产，工业上一般采用精密电阻分流的输入变换电路。
采用精密电阻分压和分流的输入电路不会引进相角误差，而对电子式功率表的测量误差的主要调整基本上都是通过调节电阻分压器和电阻分流器的阻值来进行的，因此都要设置一个可变电阻器以便于调节。
对输入变换电路的电阻要求具有足够高的准备度、足够大的功率温度系数和较好的长期稳定性[4]。
由模拟乘法器MC1496构成乘积电路
集成模拟乘法器的内部结构
集成模拟乘法器是完成两个模拟量（电压或电流）相乘的电子器件。
它利用晶体管的非线性特性，在输出中把两路输入信号抵消掉，仅仅保留由非线性产生的两路输入信号的乘积项，从而获得良好的乘积特性。
其用途广泛，在高频电子线路中，同步检波、振幅的调制、混频、倍频、鉴相、鉴频等调制与解调的过程，均可视为两个信号相乘或包含相乘的过程。
此时，采用集成模拟乘法器实现上述功能比采用分离器件如二极管和三极管要简单的多，而且性能优越[5]。
本设计中采用的MC1496内部结构图如图2.2和2.3所示：
图2.2MC1496引脚图
图2.3MC1496内部电路
MC1496是双差分四象限模拟乘法器，它的特点是能够实现两个信号的完全相乘后输出。
MC1496内部引脚图和电路图如图2.2和2.3所示。
其中VT1、VT2与VT3、VT4组成双差分放大器，两组差分对的恒流源，即VT5、VT6组成又一对差分电路，用以激励VT1、VT2、VT3、VT4。
由于恒流源的控制可正可负，以此实现了四象限工作。
VT7、VT8及其偏置电路组成差分放大器VT5、VT6的恒流源。
VT7、VT8为差动放大器VT5、VT6的恒流源。
进行调幅时，载波信号加在T1-T4的输入端，即引脚的8和10之间；调制信号加在差动放大器T5、T6的输入端，即引脚的1和4之间。
而模拟乘法器作为功率表两信号相乘时，引脚8与10接输入电压UX，1与4接另一输入电压Uy。
引脚2与3外接电阻RE，对差分放大器VT5、VT6产生串联电流负反馈，扩展了输入电压Uy的线性动态范围，已调信号取至双差分放大器的两集电极（即引出脚6和引脚12之间）输出。
引脚14为负电源端（双电源供电时）或接地端（单电源供电使）。
引脚5外接电阻R5，用来调节偏置电流I5及镜像电流I0的值[6]。
静态工作状态设置
静态偏置电压的设置应保证各个晶体管工作在放大状态，即晶体管的集电极—基极间的电压应大于或等于2V，小于或等于最大允许工作电压。
根据MC1496的特性参数，对于图2.3所示的内部电路，应用时，静态偏置电压（输入电压为0时）应满足下列关系，即
（2-1）
（2-2）
一般情况下，晶体管的基极电流很小，对于图2.3，三对差分放大器的基极电流I8、I10、I1和I4可以忽略不记，因此器件的静态偏置电流主要由恒流源I0的值确定。
当器件为单电源工作时，引脚14接地，管脚5通过一电阻R5接正电源（+UCC的典型值为+12V），由于I0是I5的镜像电流，所以改变电阻R5可以调节I0的大小，即
（2-3）
当器件为双电源工作状态时，引脚14接负电源-UEE（一般接-8V），5脚通过电阻R5接地，因此，改变R5也可以调节I0的大小，即
（2-4）
根据MC1496的性能参数，器件的静态电流小于4mA，一般取I0=I5=1mA左右。
器件的总耗散功率可由下式估算
（2-5）
PD应小于器件的最大允许耗散功率（33mW）。
基本工作原理
设两个输入模拟乘法器的采样电压分别为
，
，则MC1496乘法器的输出Uo与反馈电阻RE及输入信号Ux、Uy的幅值有关。
本设计应用了模拟乘法器的相乘关系，需要管脚2和管脚3接入负反馈电阻RE。
由于RE的接入，扩展了Uy的线性动态范围，所以器件的工作状态主要由Ux决定，分析表明：
当Ux为小信号时，输出电压U0可表示为
（2-6）
式中：
（2-7）
RL为输出负载电阻。
UT为温度的电压当量，当T=300K时，
（2-8）
式（2-6）表明，接入负反馈电阻RE后，ux为小信号时，MC1496近似为一理想的乘法器。
当ux为大信号（大于100mV）时，输出电压U0可近似表示为
（2-8）
上式表明，Ux为大信号时，输出电压U0与输入信号Ux无关。
模拟乘法器的连接电路如图2.4所示。
图2.4模拟乘法器的连接电路
图中，R9=2k和R10=2k、R11=2k和R12=2k分别组成正电源的分压电阻，形成+6V电压输入8脚和10脚给模拟乘法器供电，R8=100k和R9=2k组成输入电压的采样电阻，
输入电压采样电压大小
（2-9）
R8和R9之间的电容采样交流信号部分。
管脚2和管脚3接一个负载电阻R7=1k。
R1=0.5Ω和R2=51Ω为输入电流的采样电阻，
输入电流的采样电压大小
（2-10）
电容C采样交流部分，R2和R3、R4和R5作为负电源的分压电阻，RW1作分压电阻，方便输入信号的取值。
放大电路和整流器电路
最终进入显示的信号要求为直流信号，而经过模拟乘法器相乘输出的信号为交流信号，所以该信号需要经过整流器滤除交流部分。
模拟乘法器输出的信号依旧为小信号，而整流器的信号需要较大信号，所以还需要接入一个放大电路。
因为该信号是高频信号，所以采用三极管放大电路。
整流管也就是二极管，一般通过的电较大。
利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉动直流电。
有大功率整流管和小功率整流管。
耐压和频率有高有低。
就原理而言，从输入交流中得到输出的直流是整流。
放大-整流电路是对被测电压信号进行放大，然后转换成直流信号进行处理并显示。
它具有结构简单，输入阻抗高，适用于高频测量的特点。
缺点是起始测量信号较大，非线性误差就好。
放大器和整流器的电路原理图如图2.5所示
图2.5放大和整流电路
模拟乘法器MC1496的6脚和12脚分别输出正负信号，并且送入两个PNP三极管C9012的基极进行放大；+12V供电电源通过R11和R12的降压给两个三极管形成基极电压，通过R13和RW2给三极管发射极电压，并在发射极之间串联一个电容。
这样，调节RW2使两三极管的发射极和基极导通，让两个三极管工作在放大状态，并使模拟乘法器工作在完全相乘状态。
在两个三极管的集电极和负电源之间接4.7K的下拉电阻以形成较为理想的偏置电压，并从两三极管的一个集电极中取得放大输出电压，送入整流电路。
整流电路由一个晶体二极管D2和RC回路组成。
利用晶体二极管的单向导电性，将交流信号的负半部分滤除。
C11和C12滤除信号的高频部分。
显示单元电路
本文需要设计三位半数字显示的高频功率表，被测信号频率在10MHz以下，被测信号电压小于24V，可以采用三位半LED显示A/D转化器。
A/D转换器，简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。
A/D变换包含三个部分：
抽样、量化和编码。
一般情况下，量化和编码是同时完成的。
抽样是将模拟信号在时间上离散化的过程；量化是将模拟信号在幅度上离散化的过程；编码是指将每个量化后的样值用一定的二进制代码来表示。
通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。
由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。
故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。
而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。
模数转换器最重要的参数是转换的精度，通常用输出的数字信号的位数的多少表示。
转换器能够准确输出的数字信号的位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。
ICL7107的工作原理
ICL7107内部包括模拟电路和数字电路两个部分，并且两者是相互联系的。
一方面，由控制逻辑产生控制信号，按规定时序将多路模拟开关接通或断开，保证A/D转换正常进行；另外一方面，模拟电路中的比较器输出信号又控制着数字电路的工作状态和显示结果。
（1）模拟电路
模拟电路由爽积分式A/D转化器构成，电路图如图2.6所示。
主要包括基准电压2.8V。
图2.6ICL7107模拟部分电路
ICL7107的模拟部分电路由源（E0）、缓冲器（A1）、积分器（A2）、比较器（A3）和模拟开关等组成。
电路中缓冲器用来提高COM端的带负载能力，可以为设计数字多用表的电阻档和二极管挡提供便利条件。
这种转化器具有转换准确度高、抗串模干扰能力强、电路设计简单、成本低廉等优点，适合于做低速模/数转换。
每个转换周期分三个阶段进行：
自动调零（AZ）、正向积分（INT）、反向积分（DE），并按照AZ→INT→DE→AZ……的顺序进行循环。
（2）自动校零电路
自动校零阶段电路会有3个阶段：
第一，内部高端输入和低端输入与外部管脚脱开，在内部与模拟公共管脚短接。
第二，参考电容充电到参考电压值。
第三，围绕整个系统形成一个闭合回路，对自动校零电容CAZ进行充电，以补偿缓冲放大器、积分器和比较器的失调电压。
由于比较器包含在回路中，因此自动校零的精度仅受限于系统噪声。
任何情况下，折合到输入端的失调电压小于10μV。
（3）信号积分阶段
在信号积分阶段，自动校零回路会断开，内部短接点也脱开，内部高端输入和低端输入与外部管脚相连。
转化器将INHI和INLO直接输入的差动输入电压进行一固定时间的积分，这个差动输入电压可以在一个很宽的共模范围内：
与正、负电源的差距各为1V之内。
另一方面，若该输入信号相对于转化器的电源电压没有回转，可将INLO连接到模拟公共端上，以建立正确的共模电压。
在此积分阶段的最后，积分信号的极性也已经确定了。
（4）反向积分阶段
最后一个阶段为反向积分阶段。
低端输入在芯片内部连接到模拟公共端，高端输入通过先前已经充电的参考电容进行连接，内部电路能使电容的极性正确地连接以确保积分器的输出能回到零。
积分器的输出回到零的时间正比于输入信号的大小。
对应的数字输出为：
显示值=1000×（Vin/Vref）。
（5）差动输入
输入端能承受输入放大器允许的共模电压范围内的差动电压。
也就是在比正电源低0.5V和比负电源高1V的范围。
在这个范围内，电路有86dB的共模抑制比。
积分器的输出可以在比正电源低0.3V或比负电源高0.3V的范围内摆动为不影响线性度。
（6）差动参考源
参考电压能够在转化器的电源电压范围内的任意位置上产生。
共模误差的主要来源是翻转电压，这是由于参考电容对其接点上的分部电容充电或放电而造成的。
如果有一较大的共模电压，在正电压输入下进行反向积分时，参考电容会得以充电（电压增加）。
这种由于正负输入电压而在参考电容上造成的电压差异会导致翻转误差。
然而通过选择参考电容，使得它比分布电容大许多，则最坏情况下的误差可以控制在0.5个显示字之内。
（7）模拟公共端
此管脚主要是为在电池供电的应用场合或输入信号相对于供电电源是浮动的系统中建立一个公共电压而设置的。
COMMON管脚设置的电源比正电源约低2.8V，这样的选择可以使电池低至接近6V时仍能工作。
只有当总的供电电压足够高使得稳压管能工作时（＞7V），此公共点的电压才有较低的电压系数（0.001%/V）和较低的输入阻抗（≈15Ω），典型情况下的温度系数小于80ppm/℃[7]。
另外，在ICL7107中，由于驱动LED数码管而导致的内部发热会使性能下降。
由于塑料的热阻比陶瓷的大，因此塑封电路比瓷封电路在这方面的性能要差，由于参考源的温度系数、片上功耗和封装的热阻等原因，会使接近满量程时的噪声从25μVp-p上升到80μVp-p。
另外，高功耗（例如显示值为1000，二十段显示）与低功耗（例如显示为1111，八段显示）使得线性度之差会达到一个字，甚至更多。
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