AD637真有效值转换芯片中文详解.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书资料大小：3.17M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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简介

第一部分理论

第二部分基本设计考虑因素

第三部分真有效值应用电路

附录A 真有效值转换器的关键参数测试

附录B 输入缓冲放大器的要求

附录C 用于确定真有效值转换器的计算误差、输出纹波和1%建立时间的计算机程序

附录D 真有效值转换应用产品目录2002

真有效值转换应用指南第2版作者：Charles Kitchin、 Lew Counts

©1986 Analog Devices, Inc. 版权所有。美国印制。保留所有权利。未经版权所有人许可，不得以任何形式复制本出版物或其中任何部分。 Analog Devices, Inc.确信其所提供的信息是准确而可靠的。但是，Analog Devices, Inc.对使用这些信息不承担任何责任。 Analog Devices, Inc.不保证本文所描述的电路互连不会侵犯现有或将来的专利权，而且本文所述内容并未默示授予许可根据本文内容制造、使用或销售设备。规格和价格如有更改，恕不另行通知。 G803a-30-5/86

人员以创新的方式熟练运用ADI公司的真有效值转换器，以及一般意义上的真有效值测量技术。我们对以下人士给予的支持和帮助表示衷心感谢：以 Marie Etcheils为首的ADI公司通信服务艺术部门全体员工（Lea Cook、Joan Costa、Terri Dalton、Wendy Geary、Ernie Lehtonen、Sue Lortie、Cammy O'Brien）对本指南中的图表进行了精心排版处理；Julie Williams 输入并校对了本指南手稿；Andy Wheeler 、 Eric Janson、Paul Brokaw、Doug Grant仔细审阅了本指南的内容；Chuck Ayres对噪声测量提出了真知灼见；Don Travers和ADS应用小组提供了许多实用建议；以及 Rieh Frantz和Jeff Riskin在这项漫长的工作中给予了支持和鼓励。简介本应用指南阐述集成电路真有效值转换器AD536A、 AD636和AD637的工作原理，并介绍了这些器件的许多实际应用电路。这些集成电路具有低成本、低功耗和高（激光调整）精度特性，使得真有效值（RMS）计算成为一项实用、可行的技术，可用来获取波形的功率测量值或标准偏差。以前，采用模块式、混合式、或分立式器件的真有效值（RMS）转换器不仅成本高，而且相对复杂，往往使“真有效值”成为只能在实验室利用专门仪器得到的稀罕之物。除具体应用之外，本指南还简要说明了真有效值的数学内涵，并将真有效值方程式的各种实现方法做了比较，例如：热计算、隐式计算、显式计算、以及更常用的“均值”整流值非真有效值检波器。我们希望这些背景信息有助于消除有关真有效值计算的一些神秘感，帮助设计

第一部分：真有效值转换——理论 ........................................................................................................................ 1 基本定义................................................................................................................................................................ 1 真有效值（rms）的定义 .................................................................................................................................... 1 波峰因数的定义 ................................................................................................................................................. 1 交流测量的整流器或MAD方法............................................................................................................................... 1 真有效值转换方法 ................................................................................................................................................. 2 真有效值转换..................................................................................................................................................... 2 真有效值转换器的各种计算方法 ........................................................................................................................ 3 直接或显式计算 ................................................................................................................................................. 3 间接或隐式计算 ................................................................................................................................................. 3 单片真有效值转换器——工作原理 ........................................................................................................................ 4 AD536A – 宽量程真有效值转换器..................................................................................................................... 4 AD636 – 低功耗/低输入电平真有效值转换器 .................................................................................................... 4 AD637 – 高性能真有效值转换器....................................................................................................................... 4 第二部分：真有效值转换——基本设计考虑因素................................................................................................... 7 真有效值转换器的精度 .......................................................................................................................................... 7 “静态”误差——真有效值转换器静态误差及其对总体精度的影响................................................................... 7 带宽考虑因素 .............................................................................................................................................. 9 外部失调和比例因子调整 .............................................................................................................................. 10 滤波器与求平均值 ............................................................................................................................................... 12 简介 ................................................................................................................................................................. 12 求平均值与滤波时间常数 ................................................................................................................................. 12 直流误差与输出纹波 ........................................................................................................................................ 12 标准真有效值连接............................................................................................................................................ 14 设计考虑因素——误差与纹波.......................................................................................................................... 14 滤波与建立时间................................................................................................................................................... 15 建立时间与输入电平——仅限AD536A和AD636 .............................................................................................. 15 用单极滤波器减少纹波和缩短总建立时间 ........................................................................................................ 16 使用后置滤波器时的建立时间估算................................................................................................................... 17 双极输出滤波器................................................................................................................................................... 18 确定真有效值测量系统的综合误差 ...................................................................................................................... 18 用内部缓冲放大器隔离滤波电路.......................................................................................................................... 19 输入波形的对称性、直流失调和占空比对所需CAV值的影响 ................................................................................ 20 误差与波峰因数................................................................................................................................................... 21 AD536A ........................................................................................................................................................... 21 AD636 ............................................................................................................................................................. 21 AD637 ............................................................................................................................................................. 21 单电源供电 .......................................................................................................................................................... 21 AD536A ........................................................................................................................................................... 21 AD636 ............................................................................................................................................................. 22 AD637 ............................................................................................................................................................. 22 dB输出支持 ......................................................................................................................................................... 22 基本工作原理................................................................................................................................................... 22 AD536A/AD636温度补偿................................................................................................................................. 23 AD637温度补偿 ............................................................................................................................................... 24 目录

第三部分：真有效值应用电路 ............................................................................................................................. 25 自动增益控制(AGC) ............................................................................................................................................ 25 rms-AGC放大器............................................................................................................................................... 25 音频rms-AGC放大器........................................................................................................................................ 26 仪器仪表.............................................................................................................................................................. 28 低成本真有效值数字式面板表(DPM)................................................................................................................ 28 便携式高阻抗输入真有效值DPM和dB计 .......................................................................................................... 29 低功耗、高输入阻抗dB计 ................................................................................................................................ 30 调制解调器线路监控器..................................................................................................................................... 31 数据采集.............................................................................................................................................................. 32 可编程增益真有效值测量系统.......................................................................................................................... 32 用真有效值仪表放大器进行低电平真有效值测量 ............................................................................................. 33 真有效值噪声测量 ............................................................................................................................................... 35 简介 ................................................................................................................................................................. 35 输入耦合对输入滤波器性能的影响................................................................................................................... 35 确定输入滤波器的噪声增益.............................................................................................................................. 35 实用步骤 .......................................................................................................................................................... 35 确定精确噪声增益............................................................................................................................................ 36 利用真有效值转换器处理噪声.......................................................................................................................... 36 选择CAV值........................................................................................................................................................ 36 实用噪声测量电路............................................................................................................................................ 36 低频测量.............................................................................................................................................................. 37 简介 ................................................................................................................................................................. 37 低频真有效值-直流转换器电路......................................................................................................................... 38 超低频真有效值转换器电路.............................................................................................................................. 38 微处理器控制真有效值功能电路.......................................................................................................................... 40 采用微处理器（μP）控制平均值/建立时间常数的真有效值转换器电路 ........................................................... 40 利用VMOS FET快速复位真有效值转换器电路................................................................................................. 41 采用微处理器（μP）控制的模拟平方器电路.................................................................................................... 42 其它数学计算....................................................................................................................................................... 43 利用AD637进行向量求和................................................................................................................................. 43 功率测量.............................................................................................................................................................. 44 简介 ................................................................................................................................................................. 44 关于伏-安(Volt-Ampere)、瓦(Watt)和乏（Var，无功功率单位）..................................................................... 44 实用功率测量................................................................................................................................................... 45 附录A：真有效值转换器的关键参数测试............................................................................................................. 47 简介 ................................................................................................................................................................. 47 精度与波峰因数关系测试 ................................................................................................................................. 47 交流精度测试................................................................................................................................................... 48 直流转换精度测试............................................................................................................................................ 48 直流和交流线性度测试..................................................................................................................................... 48 使用交会图加快测试真有效值转换器................................................................................................................... 49 简介 ................................................................................................................................................................. 49 设置交会图测试系统 ........................................................................................................................................ 49 交会图样评估................................................................................................................................................... 50 真有效值交会图测试仪 ........................................................................................................................................ 51 电路描述 .......................................................................................................................................................... 51 校准 ................................................................................................................................................................. 52 附录B：输入缓冲放大器的要求........................................................................................................................... 53 输入缓冲器的必要性 ........................................................................................................................................ 53

将AD536A/AD636的内部缓冲放大器用作输入缓冲器.......................................................................................... 53 自举真有效值转换器的内部缓冲放大器 ............................................................................................................... 54 什么是自举？................................................................................................................................................... 54 注意事项 .......................................................................................................................................................... 55 缓冲放大器输出级考虑因素 ................................................................................................................................. 55 AD637输入缓冲放大器的要求 ............................................................................................................................. 56 带宽和压摆率限制 ............................................................................................................................................... 56 缓冲放大器频率补偿............................................................................................................................................ 58 附录C：用于确定真有效值转换器的计算误差、输出纹波和1%建立时间的计算机程序 ....................................... 59 简介 ................................................................................................................................................................. 59 程序# 1 – 真有效值转换器纹波/误差程序 ........................................................................................................ 59 程序# 2 – 真有效值转换器综合建立时间程序.................................................................................................. 61

图表目录表1. RMS、MAD和波峰因数表.............................................................................................................................. 1 表2. 真有效值转换器性能规格简表 ....................................................................................................................... 7 表3. 真有效值转换器AD536A、AD636、AD637建立在规定的最终值百分比内所需的RC时间常数(τ)数目......... 17 表4. 针对各种输入波形的实用电容选型表 .......................................................................................................... 20 表5. 针对SCR输入波形实现最大1%最差求平均值误差的电容选型表 ................................................................. 20 图1. 精密(MAD)整流器 ......................................................................................................................................... 2 图2. 热真有效值转换器 ......................................................................................................................................... 2 图3. 显式计算法.................................................................................................................................................... 3 图4. 隐式计算法.................................................................................................................................................... 3 图5. AD536A/AD636框图 ...................................................................................................................................... 4 图6. AD637滤波器/求平均值电路图....................................................................................................................... 5 图7. AD637框图 .................................................................................................................................................... 5 图8. AD637K和AD536AJ真有效值转换器的最大误差与输入电平关系曲线 ........................................................... 8 图9. 真有效值转换器的静态误差........................................................................................................................... 8 图10. AD637真有效值转换器和MAD交流检波器的误差与占空比关系曲线............................................................ 9 图11. AD536A高频响应....................................................................................................................................... 10 图12. AD636高频响应 ......................................................................................................................................... 10 图13. AD637高频响应 ......................................................................................................................................... 10 图14. AD536A的外部失调与比例因子调整 .......................................................................................................... 11 图15. AD636的外部失调与比例因子调整............................................................................................................. 11 图16. AD637的外部失调与比例因子调整............................................................................................................. 11 图17. 正弦输入的典型输出波形 .......................................................................................................................... 12 图18. AD536A/AD636标准真有效值连接？ ......................................................................................................... 13 图19. AD637标准真有效值连接？ ....................................................................................................................... 13 图20. 采用标准真有效值连接的误差/建立时间图？............................................................................................. 14 图21. 直流误差水平与纹波振幅的对比——AD536A/AD637 ............................................................................... 14 图22. AD536A的建立时间与输入电平关系曲线 ................................................................................................... 15 图23. AD636的建立时间与输入电平关系曲线 ..................................................................................................... 15 图24. 采用单极输出滤波器连接的误差/建立时间图............................................................................................. 16 图25. 内置单极输出滤波器的AD536A/AD636？ ................................................................................................. 16 图26. 内置单极输出滤波器的AD637？ ............................................................................................................... 17 图27. 内置双极输出滤波器的AD536A/AD636？ ................................................................................................. 18 图28. 内置双极输出滤波器的AD637？ ............................................................................................................... 18 图29. 采用双极输出滤波器的误差/建立时间图.................................................................................................... 19 图30. AD536A的误差与波峰因数关系曲线 .......................................................................................................... 21 图31. AD636的误差与波峰因数关系曲线............................................................................................................. 21 图32. AD637的误差与波峰因数关系曲线............................................................................................................. 21 图33. AD536A单电源连接？................................................................................................................................ 21 图34. AD636单电源连接？ .................................................................................................................................. 22 图35. AD536A/AD636原理示意图？.................................................................................................................... 23 图36. AD536A、AD636和AD637真有效值转换器的dB输出电路原理示意图？ ................................................... 23 图37. AD536A/AD636的温度补偿dB输出电路？ ................................................................................................. 24 图38. AD637的温度补偿dB电路？....................................................................................................................... 24

图39. RMS-AGC放大器....................................................................................................................................... 25 图40. 输入与输出关系曲线——RMS-AGC放大器............................................................................................... 26 图41. 音频RMS-AGC放大器............................................................................................................................... 27 图42. 输入与输出关系曲线——音频RMS-AGC放大器........................................................................................ 27 图43. 低成本真有效值DPM................................................................................................................................. 28 图44. 便携式高Z输入、真有效值DPM和dB计电路.............................................................................................. 29 图45. 低功耗、高输入阻抗dB计.......................................................................................................................... 30 图46. 调制解调器线路监控器——电话线路dB计................................................................................................. 32 图47. 可编程增益真有效值测量系统 ................................................................................................................... 33 图48. 非平衡系统的噪声 ..................................................................................................................................... 34 图49. 平衡系统的噪声......................................................................................................................................... 34 图50. 内置前置仪表放大器的真有效值转换器..................................................................................................... 34 图51. 真有效值噪声测量系统功能分解图 ............................................................................................................ 35 图52. 输入耦合对有源输入滤波器全响应的影响 ................................................................................................. 35 图53. 实用音频噪声测量电路.............................................................................................................................. 37 图54. 低频真有效值-直流转换器电路 .................................................................................................................. 38 图55. 超低频真有效值-直流转换器电路 .............................................................................................................. 39 图56. 微处理器（μP）控制求平均值/建立时间真有效值转换器电路................................................................... 40 图57a. 特别适合低频测量的快速复位真有效值-直流转换器电路......................................................................... 41 图57b. 使用10 μF CAV时真有效值输出随时间变化的示波图 ............................................................................... 41 图58. 微处理器（μP）控制二象限模拟平方器 .................................................................................................... 42 图59. 向量求和电路 ............................................................................................................................................ 43 图60. 示波图的上轨迹是下轨迹中两个三角波的平方根和 ................................................................................... 44 图61. 实用功率测量系统框图.............................................................................................................................. 45 图62. 用真有效值转换器测量视在功率................................................................................................................ 46 图63. 波峰因数测试设置 ..................................................................................................................................... 47 图64. 交流精度测试 ............................................................................................................................................ 48 图65. 交流精度测试——替代方法....................................................................................................................... 48 图66. 直流转换精度测试 ..................................................................................................................................... 49 图67. 交会图测试系统......................................................................................................................................... 49 图68. 理想的交会图样......................................................................................................................................... 50 图69. 该典型绝对值电路中使用两个放大器 ........................................................................................................ 50 图70. 绝对值电路中的输入失调 .......................................................................................................................... 50 图71. 绝对值电路中的输入失调 .......................................................................................................................... 50 图72. 放大器输出处失调 ..................................................................................................................................... 50 图73. 振荡/不稳定性 ........................................................................................................................................... 51 图74. 真有效值交会图测试仪.............................................................................................................................. 51 图75. 线性度良好................................................................................................................................................ 52 图76. 线性度欠佳................................................................................................................................................ 52 图77. 使用真有效值转换器内部缓冲放大器的简单输入缓冲连接 ........................................................................ 53 图78. AD536A内部缓冲放大器的相对输出响应与频率关系曲线 .......................................................................... 53 图79. 改进的输入缓冲......................................................................................................................................... 54 图80. 将内部缓冲放大器用作自举输入缓冲 ........................................................................................................ 54 图81. AD536A、AD636、AD637内部缓冲放大器原理示意图 ............................................................................. 55 图82. RE equivaient和RL对AD536A、AD636和AD637内部缓冲放大器最大输出摆幅的影响..................................... 55 图83. AD536A、AD636、AD637内部缓冲放大器——峰值负输出摆幅和-VS之比与RE external关系曲线（多种负载电阻情况下） ............................................................................................ 56 图84. 采用外部4 MHz高阻抗输入放大器的AD637真有效值转换器..................................................................... 56

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