电子毫伏表整流系统的研究与分析

【摘要】交流测量机构中，采用整流的方法将交流电压转换成直流电压，然后用直流系电表或A/D转换、数字显示等，在现代测量仪表中使用越来越广泛。本文对电子毫伏表的交-直转换电路进行了一些研究与探讨，发现在测量较大电压时数据正常，而在测量较小电压时出现误差较大。经过对电路中起整流作用的二极管进行分析，将锗二极管替换硅二极管并进行实验，效果得到改善，测量误差减小，测量范围扩大，具有一定的现实意义。

【关键词】测量机构；交-直转换电路；运算放大器；反相比例运算；误差；实验数据。

一、问题的提出

在电子毫伏表中，测量机构均采用直流系统，在测量交流电压或电流时，采用交-直转换电路来完成，再进行A/D转换、数字显示。对于交-直转换电路，普通指针式万用表采用一个二极管半波整流即完成，它测量范围小，精度差，只能测量1V以上电压，因为1V以下进入二极管非线性特性区，测量误差无法控制。而在在电子毫伏表中，为了提高测量范围与精度，交-直转换电路采用了两个运放组成的交-直电压平均值转换器，测量范围可达到100mV以上电压。

随着电子技术应用领域的不断扩展，100mV以下电压也经常要进行精确测量，必须对测量电路进行改进，以满足不断发展的需要。

二、交-直电压平均值转换器电路原理与误差原因分析

1.电路原理

1）方框图结构与电原理图见图1

2）电路组成

本电路主要由两个部分组成，即运放ICA和ICB。

如图3A所示运放ICA是一个带有半波整流意义的反相比例运算放大器，比例Rf/R1=1。R1为输入电阻，R2为反馈电阻，R3为平衡电阻，VD1与VD2为整流二极管。

如图3B所示运放ICB是一个两路输入、反相加法比例运算放大器，经R7输入的比例关系为：R6/R7=20K/20K=1，经R4输入的比例关系为：R6/R4=20K/10K=2。C3是为消除运放工作中可能产生的自激振荡现象而接入的消振电容，RP1是调整反馈深度电位器。

RP2是为减小零漂而设置的调零电位器，R8、R9是提高调整精度电阻，R5为平衡电阻。C2是滤波电容，其作用是将整流输出的脉动直流电压转换成平滑的直流电压。

3）电路原理

AC端输入为正半周时：

传输的路径有两路：其一是C1

R1ICAU01R4ICBU0；其二是C1R7ICBU0。

ICA输出U01为负，输入“—”端为“虚地”0电位，所以VD1截止，VD2导通，电流由R1R2VD2B（输出）。

ICB输出U0为两路输入、反相加法比例运算放大。

AC端输入为负周时：ICA输出U01为正，输入“—”端为“虚地”0电位，所以VD1导通，VD2截止，电流由B（输出）VD1R1。U01=0，实际ICB输出U0为：

负半波信号实际传输的路径是C1

R7ICBU0。

4）产生误差原因

由于AC端输入为正半周时，VD1截止，VD2导通，电流由R1R2VD2B（输出）。U01与UB实际上差一个二极管正向压降UVD2，在输入电压较高时，即UB=U01+UVD2=-(Ui+0.7V)，而在输入电压较低时，进入二极管死区电压时，则会出现VD2截止，输出波形失真

将C2断开后看到的输出电压波形如下图所示：t1-t2即为进入二极管死区后产生的波形失真。

而在AC端输入为负半周时，由于VD1导通，UB实际上也不等于0，应该为二极管正向压降0.7V，但VD2截止，所以U01=0。如图4所示再输入电压为100mv时，波形出现全波整流中两个半波不统一的失真现象。

在实际电路中，RP1就是为了弥补误差而设置的，可调节反馈深度来使输出电压与输入电压在某个调试值时一致。但实际情况是被测电压Ui越小，误差就越大。

2.改进方法探讨

将硅二极管换成锗二极管进行整流是一个切实可行的方法，将大大降低误差。

1）锗二极管

锗二极管（DO-7玻璃封装）

1N60P（2-1K60）VR：40V，Cj：1pF；1N60（1K60）VR：40V，Cj：1pF；1N34A（1K34A）VR：40V，Cj：1pF。锗二极管压降一般都在0.2v-0.4v。

2）锗、硅两种材料二极管的比较

由两种二极管的特性曲线可以看出：①锗二极管正向在0.2V就开始有电流了，而硅二极管要到0.5V才开始有电流，就是开始导通时的电压不同，锗管小，硅管大；②开始导通后，锗管电流增大得慢，硅管电流增大得快。

以上两点也可以总结为，在电流相同时，锗管的直流电阻小于硅管的直流电阻；但是硅管的交流电阻小于锗管的交流电阻。

小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.6～0.8V；锗二极管约0.2～0.3V。大功率的硅二极管的正向压降往往达到1V。

3）实验结果

表1列出了使用硅二极管1N4148与锗二极管1N60P在交-直流转换电路中的测量结果。

三、结论

从上述分析与实验结果可以得出：用锗二极管替代硅二极管在交-直流转换电路中能够是测量精度得到提高，测量范围得到扩展，特别是小电压的扩展，使用硅二极管1N4148时，在保证测量精度下只能到100mV，使用锗二极管1N60P时，在保证测量精度下只能到10mV。提高了一个数量级，值得工程上推广使用。

参考文献

[1]戴力.一种高性能CMOS电流模winner-take-all电路[J].西安电子科技大学学报,2012.01.05

[2]贺达江,罗隆福.一种四相整流电路及其工作机理分析[J].电力自动化设备,2009.09.10

[3]邵红,纪明霞,丁国臣.一种简约整流电路的设计[J].现代电子技术,2012.01.15

作者简介：王伟明（1963—），男，大学本科，实验师，主要研究方向：电子技术。