AC-DC轉(zhuǎn)換器AD736在RMS儀表電路中的設計
1 概述
隨著集成電路的迅速發(fā)展,近年來出現(xiàn)了各種真有效值 AC/DC轉(zhuǎn)換器。美國AD公司的AD736是其中非常典型的一種。
在科學實際和生產(chǎn)實踐中,會遇到大量的非正弦波。傳統(tǒng)測量儀表采用的是平均值轉(zhuǎn)換法來對其進行測量,但這種方法存在著較大的理論誤差。為了實現(xiàn)對交流信號電壓有效值的精密測量,并使之不受被測波形的限制,可以采用真有效值轉(zhuǎn)換技術,即不通過平均折算而是直接將交流信號的有效值按比例轉(zhuǎn)換為直流信號。為了適應現(xiàn)代電子測量的需要,目前測量交流電壓真有效值(RMS)的萬用表得到了迅速的發(fā)展。交流電壓的真有效值是通過電路對輸入交流電壓進行“平方→求平均值→開平方”的運算而得到的。真有效值儀表的最大優(yōu)點是能夠精確測量各種電壓波形的有效值,而不必考慮被測波形的參數(shù)以及失真。
AD736是經(jīng)過激光修正的單片精密真有效值AC/DC轉(zhuǎn)換器。其主要特點是準確度高、靈敏性好(滿量程為200mVRMS)、測量速率快、頻率特性好(工作頻率范圍可達0~460kHz)、輸入阻抗高、輸出阻抗低、電源范圍寬且功耗低最大的電源工作電流為200μA.用它來測量正弦波電壓的綜合誤差不超過±3%.
2 工作原理及管腳功能
AD736 的內(nèi)部框圖如圖1所示。它主要由輸入放大器、全波整流器、有效值單元(又稱有效值芯子RMS CORE)、偏置電路、輸出放大器等組成。芯片的2腳為被測信號VIN輸入端,工作時,被測信號電壓加到輸入放大器的同相輸入端,而輸出電壓經(jīng)全波整流后送到RMS單元并將其轉(zhuǎn)換成代表真有效值的直流電壓,然后再通過輸出放大器的Vo端輸出。偏置電路的作用是為芯片內(nèi)部各單元電路提供合適的偏置電壓。
AD736采用雙列直插式8腳封裝,其管腳排列如圖2所示。各管腳的功能如下:
+Vs:正電源端,電壓范圍為2.8~16.5V;
-Vs:負電源端,電壓范圍為-3.2~-16.5V;
Cc:低阻抗輸入端,用于外接低阻抗的輸入電壓(≤200mV),通常被測電壓需經(jīng)耦合電容Cc與此端相連,通常Cc的取值范圍為10~20μF.當此端作為輸入端時,第2腳VIN應接到COM;
VIN:高阻抗輸入端,適合于接高阻抗輸入電壓,一般以分壓器作為輸入級,分壓器的總輸入電阻可選10MΩ,以減少對被測電壓的分流。該端有兩種工作方式可選擇:第一種為輸出AC+DC方式。該方式將1腳(Cc)與8腳(COM)短接,其輸出電壓為效流真有效值與直流分量之和;第二種方式為AC方式。該方式是將1腳經(jīng)隔直電容Cc接至8腳,這種方式的輸出電壓為真有效值,它不包含直流分量。
COM:公共端;
Vo:輸出端;
CF:輸出端濾波電容,一般取10μF;
CAV:平均電容。它是AD736的關鍵外圍元件,用于進行平均值運算。其大小將直接響應到有效值的測量精度,尤其在低頻時更為重要。多數(shù)情況下可選33μF.
3 典型應用電路
AD736 有多種應用電路形式。圖3為雙電源供電時的典型應用電路,該電路中的+Vs與COM、-Vs與COM之間均應并聯(lián)一只0.1μF的電容以便濾掉該電路中的高頻干擾。Cc起隔直作用。若按圖中虛線方向?qū)?腳與8腳短接而使Cc失效,則所選擇的就是AC+DC方式;去掉短路線,即為AC方式。R為限流電阻, D1、D2為雙向限幅二極管,超過壓保護作用,可選IN4148高速開關二極管。
圖4為采用9V電池的供電電路。R1、R2為均衡電阻,通過它們可使VCOM=E/2=4.5V.C1、C2為電源濾波電容。上述圖3和圖4電路均為高阻抗輸入方式,適合于接高阻抗的分壓器。
圖5和圖6分別為低阻抗輸入方式時,用雙電源供電和采用9V單電源供電時的典型應用電路。
4 注意事項
由AD736構(gòu)成的簡單RMS儀表組成框圖。圖8是由單片機8098和AD736等芯片組成的可測量交直流有效值的智能化RMA儀表組成框圖。
AD736構(gòu)成的簡單RMS儀表組成框圖
應用AD736來制作RMS儀表時,應注意以下幾個問題:
(1)當被測交流電壓超過200mVRMS時,必須在AD736前加一級分壓器,以將被測電壓衰減到200mV以內(nèi)。在采用 AD736典型電路制作RMS儀表時,可在AD736的輸出端接1.0級、200mV直流毫伏表,或接3位半數(shù)字電壓表(DVM)。也可利用典型的500型萬用表的直流電壓檔,加上AD736的典型應用電路改制成RMS儀表,AD736應用電路的電源可取自萬用表內(nèi)的9V電池。
(2)若要測量交流電流的真有效值,應在AD736前面加一級分流器。此時應用AD736可選圖6所示電路。
(3)設計高精度真有效值RMS時,還應考慮被測電壓的波峰因素Kp(波峰因數(shù)Kp是被測信號的峰值與真有效值之比)的影響,應仔細選擇合適的CAV.常見的正弦波、言波、三角波和鋸齒波的Kp≤2,此時CAV可取33μF.但對于窄脈沖或晶閘管的波形,由于Kp>2,因此應適當增大CAV的容量,以延長取平均值的時間,從而減少由Kp>2所引起的附加誤差。
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