真有效值AC/DC轉換器AD736及其在RMS儀表電路中的應用

    摘要：隨著集成電路的迅速發展，近年來出現了各種真有效值AC/DC轉換器。美國AD公司的AD736是其中非常典型的一種。它具有準確性高、靈敏度好、測量速率快、頻率特性好、輸入阻抗高、輸出阻抗低、電源範圍寬以及功耗低等特點。本文介紹了AD736的工作原理及使用要點，給出了以該晶片為核心構成的RMS儀表設計電路。

    關鍵詞：真有效值 RMS AC/DC轉換器 測量 AD736

1 概述

在科學實際和生產實踐中，會遇到大量的非正弦波。傳統測量儀表採用的是平均值轉換法來對其進行測量，但這種方法存在著較大的理論誤差。為了實現對交流信號電壓有效值的精密測量，並使之不受被測波形的限制，可以採用真有效值轉換技術，即不通過平均折算而是直接將交流信號的有效值按比例轉換為直流信號。為了適應現代電子測量的需要，目前測量交流電壓真有效值（RMS）的萬用表得到了迅速的發展。交流電壓的真有效值是通過電路對輸入交流電壓進行「平方→求平均值→開平方」的運算而得到的。真有效值儀表的最大優點是能夠精確測量各種電壓波形的有效值，而不必考慮被測波形的參數以及失真。隨著集成電路的迅速發展，近年來出現了各種真有效值AC/DC轉換器。美國AD公司的AD736是其中非常典型的一種。

AD736是經過雷射修正的單片精密真有效值AC/DC轉換器。其主要特點是準確度高、靈敏性好（滿量程為200mVRMS）、測量速率快、頻率特性好（工作頻率範圍可達0～460kHz）、輸入阻抗高、輸出阻抗低、電源範圍寬且功耗低最大的電源工作電流為200μA。用它來測量正弦波電壓的綜合誤差不超過±3%。

2 工作原理及管腳功能

AD736的內部框圖如圖1所示。它主要由輸入放大器、全波整流器、有效值單元（又稱有效值芯子RMS CORE）、偏置電路、輸出放大器等組成。晶片的2腳為被測信號VIN輸入端，工作時，被測信號電壓加到輸入放大器的同相輸入端，而輸出電壓經全波整流後送到RMS單元並將其轉換成代表真有效值的直流電壓，然後再通過輸出放大器的Vo端輸出。偏置電路的作用是為晶片內部各單元電路提供合適的偏置電壓。

AD736採用雙列直插式8腳封裝，其管腳排列如圖2所示。各管腳的功能如下：

+Vs：正電源端，電壓範圍為2.8～16.5V；

-Vs：負電源端，電壓範圍為-3.2～-16.5V；

Cc：低阻抗輸入端，用於外接低阻抗的輸入電壓（≤200mV），通常被測電壓需經耦合電容Cc與此端相連，通常Cc的取值範圍為10～20μF。當此端作為輸入端時，第2腳VIN應接到COM；

VIN：高阻抗輸入端，適合於接高阻抗輸入電壓，一般以分壓器作為輸入級，分壓器的總輸入電阻可選10MΩ，以減少對被測電壓的分流。該端有兩種工作方式可選擇：第一種為輸出AC+DC方式。該方式將1腳（Cc）與8腳（COM）短接，其輸出電壓為效流真有效值與直流分量之和；第二種方式為AC方式。該方式是將1腳經隔直電容Cc接至8腳，這種方式的輸出電壓為真有效值，它不包含直流分量。

COM：公共端；

Vo：輸出端；

CF：輸出端濾波電容，一般取10μF；

CAV：平均電容。它是AD736的關鍵外圍元件，用於進行平均值運算。其大小將直接響應到有效值的測量精度，尤其在低頻時更為重要。多數情況下可選33μF。

3 典型應用電路

AD736有多種應用電路形式。圖3為雙電源供電時的典型應用電路，該電路中的+Vs與COM、-Vs與COM之間均應並聯一隻0.1μF的電容以便濾掉該電路中的高頻幹擾。Cc起隔直作用。若按圖中虛線方向將1腳與8腳短接而使Cc失效，則所選擇的就是AC+DC方式；去掉短路線，即為AC方式。R為限流電阻，D1、D2為雙向限幅二極體，超過壓保護作用，可選IN4148高速開關二極體。

圖4為採用9V電池的供電電路。R1、R2為均衡電阻，通過它們可使VCOM=E/2=4.5V。C1、C2為電源濾波電容。上述圖3和圖4電路均為高阻抗輸入方式，適合於接高阻抗的分壓器。

圖5和圖6分別為低阻抗輸入方式時，用雙電源供電和採用9V單電源供電時的典型應用電路。

4 注意事項

圖7是由AD736構成的簡單RMS儀表組成框圖。圖8是由單片機8098和AD736等晶片組成的可測量交直流有效值的智能化RMA儀表組成框圖。

應用AD736來製作RMS儀表時，應注意以下幾個問題：

（1）當被測交流電壓超過200mVRMS時，必須在AD736前加一級分壓器，以將被測電壓衰減到200mV以內。在採用AD736典型電路製作RMS儀表時，可在AD736的輸出端接1.0級、200mV直流毫伏表，或接3位半數字電壓表（DVM）。也可利用典型的500型萬用表的直流電壓檔，加上AD736的典型應用電路改制成RMS儀表，AD736應用電路的電源可取自萬用表內的9V電池。

（2）若要測量交流電流的真有效值，應在AD736前面加一級分流器。此時應用AD736可選圖6所示電路。

（3）設計高精度真有效值RMS時，還應考慮被測電壓的波峰因素Kp（波峰因數Kp是被測信號的峰值與真有效值之比）的影響，應仔細選擇合適的CAV。常見的正弦波、言波、三角波和鋸齒波的Kp≤2，此時CAV可取33μF。但對於窄脈衝或晶閘管的波形，由於Kp>2,因此應適當增大CAV的容量，以延長取平均值的時間，從而減少由Kp>2所引起的附加誤差。

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