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

在電子測(cè)量和信號(hào)處理領(lǐng)域，精確測(cè)量信號(hào)的有效值（RMS）至關(guān)重要。AD637作為一款高性能的RMS - DC轉(zhuǎn)換器，為工程師們提供了可靠的解決方案。本文將深入探討AD637的特性、工作原理、應(yīng)用以及相關(guān)注意事項(xiàng)。

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一、AD637的特性亮點(diǎn)

1. 高精度測(cè)量

AD637具有出色的精度，在0 V至2 V rms輸入時(shí)，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%。這種高精度使得它在需要精確測(cè)量的場(chǎng)景中表現(xiàn)卓越，例如電力系統(tǒng)中的功率測(cè)量、音頻信號(hào)處理等。

2. 寬帶寬性能

其帶寬表現(xiàn)十分優(yōu)秀，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。這一特性使得AD637能夠處理高頻信號(hào)，滿足現(xiàn)代電子系統(tǒng)對(duì)高速信號(hào)處理的需求。

3. 多功能計(jì)算

它不僅可以計(jì)算信號(hào)的真有效值（True rms），還能計(jì)算平方、均方和絕對(duì)值，同時(shí)提供60 dB范圍的dB輸出。這種多功能性使得AD637在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中都能發(fā)揮重要作用。

4. 芯片選擇與低功耗模式

芯片的選擇和電源關(guān)斷功能允許進(jìn)行模擬三態(tài)操作，將靜態(tài)電流從2.2 mA降低到350 μA。這一特性對(duì)于需要低功耗的遠(yuǎn)程或手持設(shè)備應(yīng)用非常有用，能夠有效延長電池續(xù)航時(shí)間。

二、工作原理剖析

AD637通過隱式求解RMS方程，克服了直接RMS計(jì)算的固有局限性。其簡化原理圖可分為四個(gè)主要部分：絕對(duì)值電路（有源整流器）、平方器/除法器、濾波器電路和緩沖放大器。

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)平方器/除法器的一個(gè)輸入，其傳遞函數(shù)為$I{4}=frac{I{1}^{2}}{I{3}}$。平方器/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)的最長周期，那么A4的輸出與$I{4}$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$Avg I_{4}$，并返回到平方器/除法器以完成隱式RMS計(jì)算。

三、應(yīng)用信息

1. 標(biāo)準(zhǔn)連接

對(duì)于大多數(shù)RMS測(cè)量，AD637的連接非常簡單。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)。在這種配置下，AD637可以計(jì)算任何輸入信號(hào)的真有效值。不過，在低頻時(shí)會(huì)存在平均誤差，誤差大小取決于平均電容的值。例如，當(dāng)濾波電容$C_{AV}$為4 μF時(shí)，在10 Hz時(shí)誤差為0.1%，在3 Hz時(shí)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。

2. 芯片選擇功能

AD637的芯片選擇功能允許用戶將器件的靜態(tài)電流從2.2 mA降低到350 μA。通過將CS引腳（Pin 5）驅(qū)動(dòng)到低于0.2 V dc，輸出將進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)。這不僅降低了功耗，還可以將多個(gè)器件的輸出并聯(lián)連接，形成寬帶寬RMS多路復(fù)用器。

3. 高精度可選調(diào)整

為了實(shí)現(xiàn)更高的精度，AD637提供了輸出偏移和比例因子誤差調(diào)整功能。通過調(diào)整外部電阻，可以顯著降低最大總誤差。例如，在圖8所示的可選外部增益和偏移調(diào)整原理圖中，通過接地輸入信號(hào)并調(diào)整R1，可以使輸出電壓為0 V；通過插入電阻R4并調(diào)整R3，可以實(shí)現(xiàn)比例因子的調(diào)整。

4. 平均時(shí)間常數(shù)的選擇

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。平均誤差是由于在無限時(shí)間跨度上進(jìn)行平均所固有的隱式分母造成的。隨著平均周期的增加，誤差會(huì)迅速減小。平均電容的值和25 kΩ反饋電阻決定了平均時(shí)間常數(shù)，它直接影響RMS - DC轉(zhuǎn)換誤差的大小。增加平均電容的值或添加后轉(zhuǎn)換濾波器網(wǎng)絡(luò)可以減少紋波誤差，但會(huì)增加建立時(shí)間。

5. 頻率響應(yīng)

AD637在不同信號(hào)電平下的頻率響應(yīng)如圖15所示。虛線表示1%、10%和±3 dB附加誤差的上限頻率。為了充分利用AD637的寬帶寬特性，在選擇輸入緩沖放大器時(shí)需要謹(jǐn)慎。輸入緩沖器的 - 3 dB帶寬必須比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。

6. 交流測(cè)量精度與波峰因數(shù)

波峰因數(shù)是確定交流測(cè)量精度時(shí)常常被忽略的因素。波峰因數(shù)定義為信號(hào)的峰值幅度與有效值的比值（$CF = V{P} / V{rms}$）。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，如開關(guān)電源和SCR電路中的波形，波峰因數(shù)較高。AD637在波峰因數(shù)高達(dá)10時(shí)，附加誤差小于1%。

7. dB輸出連接與校準(zhǔn)

AD637的對(duì)數(shù)或分貝輸出功能在60 dB范圍內(nèi)表現(xiàn)良好。用戶可以通過設(shè)置R1來選擇0 dB參考電流，以抵消平方器/除法器電路在所需0 dB點(diǎn)的對(duì)數(shù)輸出電流。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0.33%/°C溫度漂移。dB校準(zhǔn)步驟包括設(shè)置$V{IN}=1.00 V$ dc或1.00 V rms，調(diào)整R1使輸出為0 dB；設(shè)置$V{IN}=0.1 V$ dc或0.10 V rms，調(diào)整R2使dB輸出為 - 2.00 V。

8. 低頻測(cè)量

當(dāng)測(cè)量信號(hào)的頻率低于10 Hz時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)RMS連接中要實(shí)現(xiàn)1%的平均誤差，所需的平均電容值會(huì)變得非常大。圖21展示了一種替代方法，通過R和$C{AV 1}$的乘積來確定平均時(shí)間常數(shù)，在該電路中為0.5 sec/μF的$C{AV}$。這種方法可以將平均電容的值降低20倍，允許使用高質(zhì)量的鉭電容。同時(shí)，建議使用圖21所示的2 - 極Sallen - Key濾波器來降低紋波水平并最小化平均電容的值。

9. 矢量求和

使用兩個(gè)AD637可以實(shí)現(xiàn)矢量求和。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），并將輸出按圖22所示進(jìn)行求和。電路的輸出為$sqrt{V{X}^{2}+V{Y}^{2}}$。這個(gè)概念可以擴(kuò)展到包含更多項(xiàng)，通過將每個(gè)額外AD637的Pin 9信號(hào)通過10 kΩ電阻饋送到AD711的求和節(jié)點(diǎn)，并將所有分母輸入（Pin 6）連接在一起。

四、評(píng)估板介紹

AD637 - EVALZ是專門為AD637設(shè)計(jì)的評(píng)估板，可在www.analog.com上獲取。該評(píng)估板經(jīng)過全面測(cè)試，連接電源和信號(hào)I/O后即可進(jìn)行臺(tái)式測(cè)試。電路配置為雙電源供電，標(biāo)準(zhǔn)BNC連接器作為信號(hào)輸入和輸出端口。輸入連接器RMS_IN通過電容耦合到AD637的Pin 15（SOIC封裝的VIN），DC_OUT連接器連接到Pin 11（RMS OUT），并提供了在Pin 1和Pin 16之間連接輸出緩沖器的接口。緩沖器是一個(gè)未使用的運(yùn)算放大器，在AD637 - EVALZ上配置為低通Sallen - Key濾波器，其截止頻率$fc < 0.5 Hz$。用戶可以通過移動(dòng)FILTER開關(guān)來連接緩沖器。R2微調(diào)器用于調(diào)整輸出偏移電壓。

五、注意事項(xiàng)

1. 絕對(duì)最大額定值

AD637的絕對(duì)最大額定值包括ESD額定值為500 V，電源電壓為±18 V dc，內(nèi)部靜態(tài)功耗為108 mW，輸出短路持續(xù)時(shí)間為無限，存儲(chǔ)溫度范圍為 - 65°C至 + 150°C，引腳焊接溫度（10秒）為300°C。超過這些額定值可能會(huì)對(duì)產(chǎn)品造成永久性損壞。

2. ESD防護(hù)

AD637是靜電放電（ESD）敏感設(shè)備。帶電設(shè)備和電路板可能會(huì)在無檢測(cè)的情況下放電，盡管該產(chǎn)品具有專利或?qū)Ｓ?a href="http://m.brongaenegriffin.com/tags/保護(hù)電路/" target="_blank">保護(hù)電路，但高能量ESD仍可能對(duì)設(shè)備造成損壞。因此，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)腅SD預(yù)防措施，以避免性能下降或功能喪失。

六、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。通過深入了解其工作原理和應(yīng)用方法，工程師們可以充分發(fā)揮AD637的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出更加高效、精確的電子系統(tǒng)。同時(shí)，在使用過程中要注意絕對(duì)最大額定值和ESD防護(hù)等問題，以確保設(shè)備的正常運(yùn)行和可靠性。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過AD637相關(guān)的問題？你是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。