高精度宽带RMS - DC转换器AD637：特性、原理与应用详解

在电子测量和信号处理领域，准确测量信号的有效值（RMS）至关重要。AD637作为一款高精度、宽带的RMS - DC转换器，为工程师们提供了出色的解决方案。本文将深入探讨AD637的特性、工作原理、应用电路及相关注意事项。

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一、AD637的特性亮点

高精度测量

AD637具有卓越的转换精度，在0 V至2 V rms输入范围内，最大非线性度仅为0.02%。对于波峰因数为3的信号，额外误差仅为0.1%。这种高精度特性使得它在对测量精度要求极高的应用场景中表现出色，例如精密仪器仪表、音频处理等领域。

宽带宽响应

该转换器拥有较宽的带宽，在2 V rms输入时带宽可达8 MHz，在100 mV rms输入时带宽为600 kHz。这意味着它能够处理高频信号，适用于高频通信、射频测试等需要处理宽带信号的应用。

多功能计算

AD637不仅可以计算信号的真有效值，还能计算平方、均方、绝对值以及dB输出（范围达60 dB）。这种多功能性使得它在不同的应用场景中具有很强的适应性，工程师可以根据具体需求选择合适的计算功能。

低功耗与三态操作

芯片具备片选/掉电功能，可实现模拟三态操作。在不使用RMS功能时，能将静态电流从2.2 mA降低至350 µA，有效降低了功耗，适用于对功耗敏感的应用，如便携式设备、远程监测系统等。

二、工作原理剖析

AD637采用了一种隐式的RMS方程解决方案，克服了直接RMS计算的固有局限性。其实际计算遵循方程： [V{rms}=Avgleft[frac{V{IN}^{2}}{V{rms}}right]] 从简化原理图来看，它主要由绝对值电路（有源整流器）、平方/除法器、滤波电路和缓冲放大器四个主要部分组成。输入电压（(V{IN})）无论是交流还是直流，都会通过绝对值电路转换为单极性电流（(I{1})）。(I{1})驱动平方/除法器的一个输入，该除法器的传递函数为： [I{4}=frac{I{1}^{2}}{I{3}}] 平方/除法器的输出电流(I{4})驱动A4，与外部平均电容形成低通滤波器。如果滤波器的RC时间常数远大于输入信号的最长周期，那么A4的输出将与(I{4})的平均值成正比。该滤波器放大器的输出被A3用于提供分母电流(I{3})，(I{3})等于Avg (I{4})，并返回到平方/除法器以完成隐式RMS计算，最终输出与输入信号的有效值成正比的直流电压。

三、应用电路设计

标准RMS连接

对于大多数RMS测量，AD637的连接非常简单。在标准RMS连接中，仅需一个外部电容来设置平均时间常数。该电容的值会影响低频时的平均误差，例如，当滤波电容(C_{AV})为4 µF时，在10 Hz处误差为0.1%，在3 Hz处误差增加到1%。为了测量交流信号，可以在输入端串联一个无极性电容进行交流耦合。

高精度可选调整

为了进一步提高测量精度，AD637提供了输出失调和比例因子调整功能。通过调整相应的电阻，可以显著降低最大总误差。具体调整方法如下：

• 失调调整：将输入信号接地，调整R1使引脚9的输出电压为0 V；或者施加最小预期输入值，调整R1使引脚9的直流输出电压与输入的有效值相等。
• 比例因子调整：在输入串联电阻R4以减小比例因子范围。连接精密信号源到引脚13，使用校准的直流或1 kHz交流电压调整输出，使输入达到所需的满量程值，然后调整电阻R3使引脚9输出正确的电压。

  平均时间常数选择

  AD637能够计算直流和交流输入信号的真有效值。对于直流输入，输出能精确跟踪输入的绝对值；对于交流输入，转换后的直流输出电压会渐近地接近输入的理论有效值。平均误差与输入频率和平均时间常数有关，平均时间常数由(C_{AV})和25 kΩ反馈电阻确定。增加平均电容的值可以减小交流纹波误差，但会增加建立时间。为了在减小纹波误差的同时控制建立时间，可以使用后置转换的单极或双极低通滤波器。

  频率响应特性

  AD637在不同信号电平下的频率响应特性如图所示。在使用时，为了充分利用其宽带宽特性，需要谨慎选择输入缓冲放大器。输入缓冲放大器的 - 3 dB带宽应比AD637更宽，同时要注意压摆率的要求。例如，对于1 V rms、5 MHz的正弦波输入信号，最小压摆率要求为44 V/µs。

  交流测量精度与波峰因数

  波峰因数是影响交流测量精度的一个重要因素，它定义为信号峰值与有效值的比值。常见波形如正弦波和三角波的波峰因数相对较低（≤2），而类似低占空比脉冲序列的波形波峰因数较高。AD637在波峰因数高达10的情况下，额外误差仍能控制在1%以内，表现出了良好的波峰因数补偿能力。

  dB输出连接与校准

  AD637的dB输出功能在60 dB范围内表现良好。通过设置R1来选择0 dB参考电流，外部运算放大器用于提供更方便的刻度并补偿dB电路的温度漂移。dB校准步骤如下：

• 设置(V_{IN}=1.00 V)直流或1.00 V rms，调整R1使dB输出为0.00 V。
• 设置(V_{IN}=0.1 V)直流或0.10 V rms，调整R2使dB输出为 - 2.00 V。

四、实际应用案例

低频测量

在测量低频信号时，如果使用标准RMS连接，为了达到较低的平均误差，所需的平均电容值会非常大。此时，可以采用如图所示的替代电路，通过R和(C_{AV 1})的乘积来确定平均时间常数，该电路可将平均电容值降低20倍，允许使用高质量的钽电容。同时，建议使用双极Sallen - Key滤波器来降低纹波水平并最小化平均电容值。

矢量求和

使用两个AD637可以实现矢量求和功能。在这种配置中，省略平均电容（使用标称100 pF电容确保滤波器放大器的稳定性），将输出进行求和。输出结果为： [V{OUT }=sqrt{V{X}^{2}+V_{Y}^{2}}] 该电路的动态范围为10 V至10 mV，有用带宽为100 kHz，适用于需要进行矢量运算的应用场景，如雷达信号处理、电力系统监测等。

五、评估板的使用

AD637 - EVALZ评估板为工程师提供了便捷的测试平台。该评估板可在www.analog.com上获取，连接电源和信号I/O后即可进行测试。输入连接器RMS_IN通过电容耦合到AD637的引脚15（SOIC封装的VIN），DC_OUT连接器连接到引脚11（RMS OUT）。评估板上的缓冲器被配置为低通Sallen - Key滤波器，用户可以通过移动FILTER开关来连接缓冲器。通过调整R2微调器可以调整输出失调电压，通过改变CF1、CF2、R4和R5的组件值可以改变低通滤波器的频率。

总结

AD637作为一款高性能的RMS - DC转换器，凭借其高精度、宽带宽、多功能等特性，在电子测量和信号处理领域具有广泛的应用前景。工程师在使用过程中，需要根据具体的应用需求，合理选择电路参数，充分发挥其性能优势。同时，评估板的使用为工程师提供了方便快捷的测试和验证手段，有助于加快产品的开发进度。你在使用AD637的过程中遇到过哪些挑战呢？你是如何解决的？欢迎在评论区分享你的经验。