高精度宽带RMS - DC转换器AD637：特性、原理及应用详解

在电子测量和信号处理领域，精确测量信号的有效值（RMS）至关重要。AD637作为一款高性能的RMS - DC转换器，为工程师们提供了可靠的解决方案。本文将深入探讨AD637的特性、工作原理、应用以及相关注意事项。

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一、AD637的特性亮点

1. 高精度测量

AD637具有出色的精度，在0 V至2 V rms输入时，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%。这种高精度使得它在需要精确测量的场景中表现卓越，例如电力系统中的功率测量、音频信号处理等。

2. 宽带宽性能

其带宽表现十分优秀，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。这一特性使得AD637能够处理高频信号，满足现代电子系统对高速信号处理的需求。

3. 多功能计算

它不仅可以计算信号的真有效值（True rms），还能计算平方、均方和绝对值，同时提供60 dB范围的dB输出。这种多功能性使得AD637在不同的应用场景中都能发挥重要作用。

4. 芯片选择与低功耗模式

芯片的选择和电源关断功能允许进行模拟三态操作，将静态电流从2.2 mA降低到350 µA。这一特性对于需要低功耗的远程或手持设备应用非常有用，能够有效延长电池续航时间。

二、工作原理剖析

AD637通过隐式求解RMS方程，克服了直接RMS计算的固有局限性。其简化原理图可分为四个主要部分：绝对值电路（有源整流器）、平方器/除法器、滤波器电路和缓冲放大器。

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（$I{1}$）。$I{1}$驱动平方器/除法器的一个输入，其传递函数为$I{4}=frac{I{1}^{2}}{I{3}}$。平方器/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$Avg I_{4}$，并返回到平方器/除法器以完成隐式RMS计算。

三、应用信息

1. 标准连接

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。在这种配置下，AD637可以计算任何输入信号的真有效值。不过，在低频时会存在平均误差，误差大小取决于平均电容的值。例如，当滤波电容$C_{AV}$为4 µF时，在10 Hz时误差为0.1%，在3 Hz时误差增加到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。

2. 芯片选择功能

AD637的芯片选择功能允许用户将器件的静态电流从2.2 mA降低到350 µA。通过将CS引脚（Pin 5）驱动到低于0.2 V dc，输出将进入高阻抗状态。这不仅降低了功耗，还可以将多个器件的输出并联连接，形成宽带宽RMS多路复用器。

3. 高精度可选调整

为了实现更高的精度，AD637提供了输出偏移和比例因子误差调整功能。通过调整外部电阻，可以显著降低最大总误差。例如，在图8所示的可选外部增益和偏移调整原理图中，通过接地输入信号并调整R1，可以使输出电压为0 V；通过插入电阻R4并调整R3，可以实现比例因子的调整。

4. 平均时间常数的选择

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。平均误差是由于在无限时间跨度上进行平均所固有的隐式分母造成的。随着平均周期的增加，误差会迅速减小。平均电容的值和25 kΩ反馈电阻决定了平均时间常数，它直接影响RMS - DC转换误差的大小。增加平均电容的值或添加后转换滤波器网络可以减少纹波误差，但会增加建立时间。

5. 频率响应

AD637在不同信号电平下的频率响应如图15所示。虚线表示1%、10%和±3 dB附加误差的上限频率。为了充分利用AD637的宽带宽特性，在选择输入缓冲放大器时需要谨慎。输入缓冲器的 - 3 dB带宽必须比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。

6. 交流测量精度与波峰因数

波峰因数是确定交流测量精度时常常被忽略的因素。波峰因数定义为信号的峰值幅度与有效值的比值（$CF = V{P} / V{rms}$）。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，如开关电源和SCR电路中的波形，波峰因数较高。AD637在波峰因数高达10时，附加误差小于1%。

7. dB输出连接与校准

AD637的对数或分贝输出功能在60 dB范围内表现良好。用户可以通过设置R1来选择0 dB参考电流，以抵消平方器/除法器电路在所需0 dB点的对数输出电流。外部运算放大器用于提供更方便的刻度，并补偿dB电路的0.33%/°C温度漂移。dB校准步骤包括设置$V{IN}=1.00 V$ dc或1.00 V rms，调整R1使输出为0 dB；设置$V{IN}=0.1 V$ dc或0.10 V rms，调整R2使dB输出为 - 2.00 V。

8. 低频测量

当测量信号的频率低于10 Hz时，在标准RMS连接中要实现1%的平均误差，所需的平均电容值会变得非常大。图21展示了一种替代方法，通过R和$C{AV 1}$的乘积来确定平均时间常数，在该电路中为0.5 sec/µF的$C{AV}$。这种方法可以将平均电容的值降低20倍，允许使用高质量的钽电容。同时，建议使用图21所示的2 - 极Sallen - Key滤波器来降低纹波水平并最小化平均电容的值。

9. 矢量求和

使用两个AD637可以实现矢量求和。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），并将输出按图22所示进行求和。电路的输出为$sqrt{V{X}^{2}+V{Y}^{2}}$。这个概念可以扩展到包含更多项，通过将每个额外AD637的Pin 9信号通过10 kΩ电阻馈送到AD711的求和节点，并将所有分母输入（Pin 6）连接在一起。

四、评估板介绍

AD637 - EVALZ是专门为AD637设计的评估板，可在www.analog.com上获取。该评估板经过全面测试，连接电源和信号I/O后即可进行台式测试。电路配置为双电源供电，标准BNC连接器作为信号输入和输出端口。输入连接器RMS_IN通过电容耦合到AD637的Pin 15（SOIC封装的VIN），DC_OUT连接器连接到Pin 11（RMS OUT），并提供了在Pin 1和Pin 16之间连接输出缓冲器的接口。缓冲器是一个未使用的运算放大器，在AD637 - EVALZ上配置为低通Sallen - Key滤波器，其截止频率$fc < 0.5 Hz$。用户可以通过移动FILTER开关来连接缓冲器。R2微调器用于调整输出偏移电压。

五、注意事项

1. 绝对最大额定值

AD637的绝对最大额定值包括ESD额定值为500 V，电源电压为±18 V dc，内部静态功耗为108 mW，输出短路持续时间为无限，存储温度范围为 - 65°C至 + 150°C，引脚焊接温度（10秒）为300°C。超过这些额定值可能会对产品造成永久性损坏。

2. ESD防护

AD637是静电放电（ESD）敏感设备。带电设备和电路板可能会在无检测的情况下放电，尽管该产品具有专利或专有保护电路，但高能量ESD仍可能对设备造成损坏。因此，应采取适当的ESD预防措施，以避免性能下降或功能丧失。

六、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。通过深入了解其工作原理和应用方法，工程师们可以充分发挥AD637的优势，设计出更加高效、精确的电子系统。同时，在使用过程中要注意绝对最大额定值和ESD防护等问题，以确保设备的正常运行和可靠性。你在实际应用中是否遇到过AD637相关的问题？你是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。