高精度寬帶RMS - DC轉(zhuǎn)換器AD637：特性、原理與應(yīng)用詳解

在電子測(cè)量和信號(hào)處理領(lǐng)域，準(zhǔn)確測(cè)量信號(hào)的有效值（RMS）至關(guān)重要。AD637作為一款高精度、寬帶的RMS - DC轉(zhuǎn)換器，為工程師們提供了出色的解決方案。本文將深入探討AD637的特性、工作原理、應(yīng)用電路及相關(guān)注意事項(xiàng)。

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一、AD637的特性亮點(diǎn)

高精度測(cè)量

AD637具有卓越的轉(zhuǎn)換精度，在0 V至2 V rms輸入范圍內(nèi)，最大非線性度僅為0.02%。對(duì)于波峰因數(shù)為3的信號(hào)，額外誤差僅為0.1%。這種高精度特性使得它在對(duì)測(cè)量精度要求極高的應(yīng)用場(chǎng)景中表現(xiàn)出色，例如精密儀器儀表、音頻處理等領(lǐng)域。

寬帶寬響應(yīng)

該轉(zhuǎn)換器擁有較寬的帶寬，在2 V rms輸入時(shí)帶寬可達(dá)8 MHz，在100 mV rms輸入時(shí)帶寬為600 kHz。這意味著它能夠處理高頻信號(hào)，適用于高頻通信、射頻測(cè)試等需要處理寬帶信號(hào)的應(yīng)用。

多功能計(jì)算

AD637不僅可以計(jì)算信號(hào)的真有效值，還能計(jì)算平方、均方、絕對(duì)值以及dB輸出（范圍達(dá)60 dB）。這種多功能性使得它在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，工程師可以根據(jù)具體需求選擇合適的計(jì)算功能。

低功耗與三態(tài)操作

芯片具備片選/掉電功能，可實(shí)現(xiàn)模擬三態(tài)操作。在不使用RMS功能時(shí)，能將靜態(tài)電流從2.2 mA降低至350 μA，有效降低了功耗，適用于對(duì)功耗敏感的應(yīng)用，如便攜式設(shè)備、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。

二、工作原理剖析

AD637采用了一種隱式的RMS方程解決方案，克服了直接RMS計(jì)算的固有局限性。其實(shí)際計(jì)算遵循方程： [V{rms}=Avgleft[frac{V{IN}^{2}}{V{rms}}right]] 從簡(jiǎn)化原理圖來看，它主要由絕對(duì)值電路（有源整流器）、平方/除法器、濾波電路和緩沖放大器四個(gè)主要部分組成。輸入電壓（(V{IN})）無論是交流還是直流，都會(huì)通過絕對(duì)值電路轉(zhuǎn)換為單極性電流（(I{1})）。(I{1})驅(qū)動(dòng)平方/除法器的一個(gè)輸入，該除法器的傳遞函數(shù)為： [I{4}=frac{I{1}^{2}}{I{3}}] 平方/除法器的輸出電流(I{4})驅(qū)動(dòng)A4，與外部平均電容形成低通濾波器。如果濾波器的RC時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于輸入信號(hào)的最長(zhǎng)周期，那么A4的輸出將與(I{4})的平均值成正比。該濾波器放大器的輸出被A3用于提供分母電流(I{3})，(I{3})等于Avg (I{4})，并返回到平方/除法器以完成隱式RMS計(jì)算，最終輸出與輸入信號(hào)的有效值成正比的直流電壓。

三、應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)RMS連接

對(duì)于大多數(shù)RMS測(cè)量，AD637的連接非常簡(jiǎn)單。在標(biāo)準(zhǔn)RMS連接中，僅需一個(gè)外部電容來設(shè)置平均時(shí)間常數(shù)。該電容的值會(huì)影響低頻時(shí)的平均誤差，例如，當(dāng)濾波電容(C_{AV})為4 μF時(shí)，在10 Hz處誤差為0.1%，在3 Hz處誤差增加到1%。為了測(cè)量交流信號(hào)，可以在輸入端串聯(lián)一個(gè)無極性電容進(jìn)行交流耦合。

高精度可選調(diào)整

為了進(jìn)一步提高測(cè)量精度，AD637提供了輸出失調(diào)和比例因子調(diào)整功能。通過調(diào)整相應(yīng)的電阻，可以顯著降低最大總誤差。具體調(diào)整方法如下：

• 失調(diào)調(diào)整：將輸入信號(hào)接地，調(diào)整R1使引腳9的輸出電壓為0 V；或者施加最小預(yù)期輸入值，調(diào)整R1使引腳9的直流輸出電壓與輸入的有效值相等。
• 比例因子調(diào)整：在輸入串聯(lián)電阻R4以減小比例因子范圍。連接精密信號(hào)源到引腳13，使用校準(zhǔn)的直流或1 kHz交流電壓調(diào)整輸出，使輸入達(dá)到所需的滿量程值，然后調(diào)整電阻R3使引腳9輸出正確的電壓。

  平均時(shí)間常數(shù)選擇

  AD637能夠計(jì)算直流和交流輸入信號(hào)的真有效值。對(duì)于直流輸入，輸出能精確跟蹤輸入的絕對(duì)值；對(duì)于交流輸入，轉(zhuǎn)換后的直流輸出電壓會(huì)漸近地接近輸入的理論有效值。平均誤差與輸入頻率和平均時(shí)間常數(shù)有關(guān)，平均時(shí)間常數(shù)由(C_{AV})和25 kΩ反饋電阻確定。增加平均電容的值可以減小交流紋波誤差，但會(huì)增加建立時(shí)間。為了在減小紋波誤差的同時(shí)控制建立時(shí)間，可以使用后置轉(zhuǎn)換的單極或雙極低通濾波器。

  頻率響應(yīng)特性

  AD637在不同信號(hào)電平下的頻率響應(yīng)特性如圖所示。在使用時(shí)，為了充分利用其寬帶寬特性，需要謹(jǐn)慎選擇輸入緩沖放大器。輸入緩沖放大器的 - 3 dB帶寬應(yīng)比AD637更寬，同時(shí)要注意壓擺率的要求。例如，對(duì)于1 V rms、5 MHz的正弦波輸入信號(hào)，最小壓擺率要求為44 V/μs。

  交流測(cè)量精度與波峰因數(shù)

  波峰因數(shù)是影響交流測(cè)量精度的一個(gè)重要因素，它定義為信號(hào)峰值與有效值的比值。常見波形如正弦波和三角波的波峰因數(shù)相對(duì)較低（≤2），而類似低占空比脈沖序列的波形波峰因數(shù)較高。AD637在波峰因數(shù)高達(dá)10的情況下，額外誤差仍能控制在1%以內(nèi)，表現(xiàn)出了良好的波峰因數(shù)補(bǔ)償能力。

  dB輸出連接與校準(zhǔn)

  AD637的dB輸出功能在60 dB范圍內(nèi)表現(xiàn)良好。通過設(shè)置R1來選擇0 dB參考電流，外部運(yùn)算放大器用于提供更方便的刻度并補(bǔ)償dB電路的溫度漂移。dB校準(zhǔn)步驟如下：

• 設(shè)置(V_{IN}=1.00 V)直流或1.00 V rms，調(diào)整R1使dB輸出為0.00 V。
• 設(shè)置(V_{IN}=0.1 V)直流或0.10 V rms，調(diào)整R2使dB輸出為 - 2.00 V。

四、實(shí)際應(yīng)用案例

低頻測(cè)量

在測(cè)量低頻信號(hào)時(shí)，如果使用標(biāo)準(zhǔn)RMS連接，為了達(dá)到較低的平均誤差，所需的平均電容值會(huì)非常大。此時(shí)，可以采用如圖所示的替代電路，通過R和(C_{AV 1})的乘積來確定平均時(shí)間常數(shù)，該電路可將平均電容值降低20倍，允許使用高質(zhì)量的鉭電容。同時(shí)，建議使用雙極Sallen - Key濾波器來降低紋波水平并最小化平均電容值。

矢量求和

使用兩個(gè)AD637可以實(shí)現(xiàn)矢量求和功能。在這種配置中，省略平均電容（使用標(biāo)稱100 pF電容確保濾波器放大器的穩(wěn)定性），將輸出進(jìn)行求和。輸出結(jié)果為： [V{OUT }=sqrt{V{X}^{2}+V_{Y}^{2}}] 該電路的動(dòng)態(tài)范圍為10 V至10 mV，有用帶寬為100 kHz，適用于需要進(jìn)行矢量運(yùn)算的應(yīng)用場(chǎng)景，如雷達(dá)信號(hào)處理、電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)等。

五、評(píng)估板的使用

AD637 - EVALZ評(píng)估板為工程師提供了便捷的測(cè)試平臺(tái)。該評(píng)估板可在www.analog.com上獲取，連接電源和信號(hào)I/O后即可進(jìn)行測(cè)試。輸入連接器RMS_IN通過電容耦合到AD637的引腳15（SOIC封裝的VIN），DC_OUT連接器連接到引腳11（RMS OUT）。評(píng)估板上的緩沖器被配置為低通Sallen - Key濾波器，用戶可以通過移動(dòng)FILTER開關(guān)來連接緩沖器。通過調(diào)整R2微調(diào)器可以調(diào)整輸出失調(diào)電壓，通過改變CF1、CF2、R4和R5的組件值可以改變低通濾波器的頻率。

總結(jié)

AD637作為一款高性能的RMS - DC轉(zhuǎn)換器，憑借其高精度、寬帶寬、多功能等特性，在電子測(cè)量和信號(hào)處理領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。工程師在使用過程中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇電路參數(shù)，充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，評(píng)估板的使用為工程師提供了方便快捷的測(cè)試和驗(yàn)證手段，有助于加快產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)度。你在使用AD637的過程中遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？你是如何解決的？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。