真有效值A(chǔ)C/DC轉(zhuǎn)換器AD736及其在RMS儀表電路中的應(yīng)用

摘要：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A(chǔ)C/DC轉(zhuǎn)換器。美國AD公司的AD736是其中非常典型的一種。它具有準(zhǔn)確性高、靈敏度好、測量速率快、頻率特性好、輸入阻抗高、輸出阻抗低、電源范圍寬以及功耗低等特點(diǎn)。本文介紹了AD736的工作原理及使用要點(diǎn)，給出了以該芯片為核心構(gòu)成的RMS儀表設(shè)計電路。

關(guān)鍵詞：真有效值 RMS AC/DC轉(zhuǎn)換器 測量 AD736

1 概述

在科學(xué)實(shí)際和生產(chǎn)實(shí)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(jìn)行測量，但這種方法存在著較大的理論誤差。為了實(shí)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(shù)，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(yīng)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(jìn)行“平方→求平均值→開平方”的運(yùn)算而得到的。真有效值儀表的最大優(yōu)點(diǎn)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。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A(chǔ)C/DC轉(zhuǎn)換器。美國AD公司的AD736是其中非常典型的一種。

AD736是經(jīng)過激光修正的單片精密真有效值A(chǔ)C/DC轉(zhuǎn)換器。其主要特點(diǎn)是準(zhǔn)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(dá)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(fù)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(dāng)此端作為輸入端時，第2腳VIN應(yīng)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(guān)鍵外圍元件，用于進(jìn)行平均值運(yùn)算。其大小將直接響應(yīng)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(yīng)用電路

AD736有多種應(yīng)用電路形式。圖3為雙電源供電時的典型應(yīng)用電路，該電路中的+Vs與COM、-Vs與COM之間均應(yīng)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(hù)作用，可選IN4148高速開關(guān)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(yīng)用電路。

4 注意事項(xiàng)

圖7是由AD736構(gòu)成的簡單RMS儀表組成框圖。圖8是由單片機(jī)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。

應(yīng)用AD736來制作RMS儀表時，應(yīng)注意以下幾個問題：

（1）當(dāng)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(yīng)用電路改制成RMS儀表，AD736應(yīng)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(yīng)在AD736前面加一級分流器。此時應(yīng)用AD736可選圖6所示電路。

（3）設(shè)計高精度真有效值RMS時，還應(yīng)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(yīng)仔細(xì)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(yīng)適當(dāng)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。