模擬電路如何高效有效值直流轉換

2020-11-26 電子發燒友

模擬電路如何高效有效值直流轉換

葉子 發表於 2012-06-08 15:27:20

　　有效值(rms)衡量交流信號的幅度。從實用角度定義，交流信號的有效值等於以同一負載產生同等熱量所需的直流量。從數學角度定義，電壓有效值為信號求平方、求平均值，然後取其平方根所獲得的值。取平均值的時間必須足夠長，以便能在所需的最低工作頻率進行濾波。我們將通過一些例子來說明模擬電路如何高效實現該功能。

　　第一種方法稱為直接顯式法(explicit)，如圖1所示。輸入信號首先由模擬乘法器求平方，然後採用適當的濾波器取平均值，再通過反饋環路中具有第二個平方器的運算放大器取其平方根。該電路動態範圍有限，因為平方器之後的各級必須嘗試處理幅度變化很大的信號。這會限制此方法，使輸入最大動態範圍約為10:1 (20 dB)。但是，如果可以使用AD834之類的乘法器作為構建模塊，就可以實現出色的帶寬(100 MHz以上)和高精度(見圖2)。

　　圖1：直接顯式(Explicit)有效值計算

　　圖2：用AD834模擬乘法器進行寬帶有效值測量

　　圖3顯示採用隱式法計算信號有效值的電路。此處，輸出反饋至AD734等乘法器的直接分頻輸入。在該電路中，乘法器的輸出隨輸入的有效值呈線性變化(而非呈平方變化)。與顯式電路相比，這種隱式電路明顯擴大了輸入的動態範圍。如果輸入先流過絕對值電路，VIN2/VZ電路可由電流驅動，且只需要一個象限。隱式有效值直流法的缺點在於其帶寬通常小於顯式計算

　　圖3：隱式(Implicit)有效值計算

　　這種有效值電路可以採用AD734模擬乘法器構建，若使用專用的有效值直流電路則更加簡單。圖4顯示典型單晶片有效值直流轉換器AD536A的簡單示意圖。

　　圖4：AD536A單晶片有效值直流轉換器

　　該圖分為四個主要部分：絕對值電路(有源整流器)、平方器/除法器、電流鏡，以及緩衝放大器。輸入電壓VIN可以為交流或直流，由絕對值電路A1、A2轉換為單極性電流I1。I1驅動一象限平方器/除法器的一路輸入，傳遞函數為：I4 = I12/I3。平方器/除法器的輸出電流I4驅動電流鏡，通過由R1和外接電容CAV構成的低通濾波器。如果R1CAV時間常數遠遠大於輸入信號的最長周期，則I4可以有效取平均值。電流鏡返回的電流I3等於AVG[I4]，回到平方器/除法器，以完成隱式有效值計算。因此：

　　I4 = AVG [I12/I4] = I1rms 公式 1

　　電流鏡還會產生輸出電流Iout，相當於2I4。Iout可以直接使用，或通過R2轉換為電壓，然後由A4緩衝，產生低阻抗電壓輸出。傳遞函數變為：

　　Vout = 2R2•Irms = VIN rms 公式2

　　The dB output is derived from the emitter of Q3, since the voltage at this point is proportional to–logVIN. Emitter follower, Q5, buffers and level shifts this voltage, so that the dB output voltageis zero when the externally supplied emitter current (IREF) to Q5 approximates I3. However, thegain of the dB circuit has a TC of approximately 3300 ppm/°C and must be temperaturecompensated.

　　There are a number of commercially available rms-to-dc converters in monolithic form whichmake use of these principles. The AD536A is a true rms-to-dc converter with a bandwidth ofapproximately 450 kHz for Vrms > 100 mV rms, and 2 MHz bandwidth for Vrms > 1 V rms. TheAD636 is designed to provide 1 MHz bandwidth for low-level signals up to 200 mV rms. TheAD637 has a 600 kHz bandwidth for 100 mV rms signals, and an 800 MHz bandwidth for 1 Vrms signals. Low cost, general purpose rms-to-dc converters such as the AD736 and AD737(power-down option) are also available.

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