模擬電路如何高效有效值直流轉(zhuǎn)換

有效值(rms)衡量交流信號(hào)的幅度。從實(shí)用角度定義，交流信號(hào)的有效值等于以同一負(fù)載產(chǎn)生同等熱量所需的直流量。從數(shù)學(xué)角度定義，電壓有效值為信號(hào)求平方、求平均值，然后取其平方根所獲得的值。取平均值的時(shí)間必須足夠長(zhǎng)，以便能在所需的最低工作頻率進(jìn)行濾波。我們將通過(guò)一些例子來(lái)說(shuō)明模擬電路如何高效實(shí)現(xiàn)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(hào)首先由模擬乘法器求平方，然后采用適當(dāng)?shù)臑V波器取平均值，再通過(guò)反饋環(huán)路中具有第二個(gè)平方器的運(yùn)算放大器取其平方根。該電路動(dòng)態(tài)范圍有限，因?yàn)槠椒狡髦蟮母骷?jí)必須嘗試處理幅度變化很大的信號(hào)。這會(huì)限制此方法，使輸入最大動(dòng)態(tài)范圍約為10:1 (20 dB)。但是，如果可以使用AD834之類的乘法器作為構(gòu)建模塊，就可以實(shí)現(xiàn)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(jì)算

圖2：用AD834模擬乘法器進(jìn)行寬帶有效值測(cè)量

圖3顯示采用隱式法計(jì)算信號(hào)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(kuò)大了輸入的動(dòng)態(tài)范圍。如果輸入先流過(guò)絕對(duì)值電路，VIN2/VZ電路可由電流驅(qū)動(dòng)，且只需要一個(gè)象限。隱式有效值直流法的缺點(diǎn)在于其帶寬通常小于顯式計(jì)算

圖3：隱式(Implicit)有效值計(jì)算

這種有效值電路可以采用AD734模擬乘法器構(gòu)建，若使用專用的有效值直流電路則更加簡(jiǎn)單。圖4顯示典型單芯片有效值直流轉(zhuǎn)換器AD536A的簡(jiǎn)單示意圖。

圖4：AD536A單芯片有效值直流轉(zhuǎn)換器

該圖分為四個(gè)主要部分：絕對(duì)值電路(有源整流器)、平方器/除法器、電流鏡，以及緩沖放大器。輸入電壓VIN可以為交流或直流，由絕對(duì)值電路A1、A2轉(zhuǎn)換為單極性電流I1。I1驅(qū)動(dòng)一象限平方器/除法器的一路輸入，傳遞函數(shù)為：I4 = I12/I3。平方器/除法器的輸出電流I4驅(qū)動(dòng)電流鏡，通過(guò)由R1和外接電容CAV構(gòu)成的低通濾波器。如果R1CAV時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輸入信號(hào)的最長(zhǎng)周期，則I4可以有效取平均值。電流鏡返回的電流I3等于AVG[I4]，回到平方器/除法器，以完成隱式有效值計(jì)算。因此：

I4 = AVG [I12/I4] = I1rms 公式 1

電流鏡還會(huì)產(chǎn)生輸出電流Iout，相當(dāng)于2I4。Iout可以直接使用，或通過(guò)R2轉(zhuǎn)換為電壓，然后由A4緩沖，產(chǎn)生低阻抗電壓輸出。傳遞函數(shù)變?yōu)椋?/p>

Vout = 2R2•Irms = VIN rms 公式2

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