高精度宽带RMS - DC转换器AD637：性能解析与应用指南

在电子工程领域，准确测量复杂波形的真有效值（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、应用场景以及使用过程中的注意事项。

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一、AD637的特性亮点

1. 高精度测量

AD637具备卓越的精度，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%。这种高精度使得它在对测量精度要求极高的应用中表现出色，例如精密仪器仪表、通信设备等。

2. 宽带宽响应

其带宽表现十分出色，在2 V rms输入时可达8 MHz，在100 mV rms输入时也能达到600 kHz。这意味着它能够处理高频信号，适用于高频通信、射频测试等领域。

3. 多功能计算

AD637不仅可以计算真有效值，还能进行平方、均方、绝对值以及dB输出（60 dB范围）的计算。这种多功能性使得它在不同的应用场景中都能发挥重要作用。

4. 芯片选择与功耗控制

芯片选择/掉电功能允许进行模拟三态操作，将静态电流从2.2 mA降低至350 µA。这一特性对于对功耗要求严格的应用，如便携式设备、远程监测系统等非常有用。

二、工作原理剖析

AD637通过隐式求解RMS方程来克服传统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/除法器、滤波电路和缓冲放大器。

输入电压（(V{IN})）经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。平方/除法器的输出电流(I{4})驱动A4形成低通滤波器，与外部平均电容一起工作。如果滤波器的RC时间常数远大于输入信号的最长周期，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由A3用于提供分母电流(I{3})，完成隐式RMS计算，最终输出(V{OUT }=V{IN } rms)。

当需要计算输入信号的绝对值时，可省略平均电容，但建议在平均电容引脚处使用一个小电容（如5 pF）以保持稳定性。此外，分母电流也可以通过向引脚6提供参考电压（(VREF)）来外部提供，此时电路将计算输入信号的均方值。

三、应用信息与注意事项

1. 标准连接

在大多数RMS测量中，AD637的连接非常简单，只需一个外部电容来设置平均时间常数。在标准RMS连接中，它可以计算任何输入信号的真有效值。但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(CAV)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降低至350 µA。只需将CS引脚（引脚5）驱动至低于0.2 V dc，此时输出将进入高阻抗状态。多个器件的输出可以并联连接，形成宽带RMS多路复用器。

3. 高精度可选调整

为了获得更高的精度，AD637提供了调整输出偏移和比例因子误差的功能。通过外部调整，可以显著降低最大总误差。具体调整方法包括偏移调整和比例因子调整：

• 偏移调整：将输入信号（(V{IN})）接地，调整R1直到引脚9的输出电压为0 V；或者在输入(V{IN})处施加最小预期值，调整R1直到引脚9的直流输出电压与RMS输入值相同。
• 比例因子调整：在输入端串联电阻R4以减小比例因子范围。将精密源连接到引脚13，使用校准的直流或1 kHz交流电压调整输出，以达到所需的满量程输入，然后调整电阻R3使引脚9的输出正确（例如，输入1 V rms时，直流输出电压为1.000 V dc）。

4. 平均时间常数的选择

AD637可以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渐近接近输入的理论RMS值。平均误差是由于在无限时间范围内平均的隐含分母造成的，随着平均周期的增加，误差会迅速减小。

平均电容(C_{AV})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网络可以减少纹波误差，但平均电容值的增加会导致建立时间成比例增加。一种较好的纹波减少方法是使用后转换单极或双极低通滤波器，通常单极滤波器在纹波和建立时间之间提供了最佳的折衷方案。

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额外误差的上限频率。例如，对于2 V rms输入，1%额外误差时的最高允许频率为200 kHz；对于200 mV信号，在信号频率高达100 kHz时可以实现1%误差测量。

为了充分利用AD637的宽带宽，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，并且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。建议使用AD845作为精密输入缓冲器。

6. 交流测量精度与波峰因数

波峰因数是交流测量精度中常被忽略的因素。波峰因数定义为信号峰值幅度与RMS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。

图18显示了AD637在1 V rms输入信号下，波峰因数从1到11时的额外读数误差。使用矩形脉冲序列（脉冲宽度100 μs）进行测试，因为它是RMS测量的最坏情况波形。在保持1 V rms输入幅度不变的情况下，通过改变占空比和峰值幅度来产生1到10的波峰因数。

7. dB输出连接与校准

AD637的另一个特性是对数或分贝输出。内部计算dB的电路在60 dB范围内工作良好。用户可以通过设置R1来选择0 dB电平，以提供适当的0 dB参考电流，从而在所需的0 dB点抵消平方/除法器电路的对数输出电流。外部运算放大器用于提供更方便的刻度，并补偿dB电路0.33%/°C的温度漂移。

dB校准步骤如下：

• 设置(V_{IN}=1.00 ~V) dc或1.00 V rms，调整R1使0 dB输出为0.00 V。
• 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值降低20倍，允许使用高质量的钽电容。建议使用图21中的双极Sallen - Key滤波器来获得低纹波水平并最小化平均电容值。

如果感兴趣的频率低于1 Hz，或者平均电容值仍然太大，可以通过增加R的值来增加20:1的比例。此时，建议使用低输入电流、低偏移电压的放大器，如AD548，以最小化放大器输入电流和较大电阻组合引入的偏移误差。

9. 矢量求和

可以使用两个AD637进行矢量求和，如图22所示。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），并将输出进行求和。电路的输出为(V{OUT }=sqrt{V{X}^{2}+V_{Y}^{2}})。这一概念可以扩展到包含更多项，通过将每个额外AD637的引脚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（引脚6）连接在一起。

该电路的动态范围为10 V至10 mV，仅受AD637 0.5 mV偏移电压的限制，有用带宽为100 kHz。

四、评估板与订购信息

1. 评估板

AD637 - EVALZ是专门为AD637设计的评估板，可在www.analog.com上获取。连接电源和信号I/O后，它经过全面测试，可直接用于台式测试。电路配置为双电源，标准BNC连接器用作信号输入和输出端口。

2. 订购信息

AD637提供多种型号和封装选项，适用于不同的温度范围。具体型号和温度范围、封装描述及封装选项可参考订购指南。

总之，AD637是一款功能强大、性能卓越的RMS - DC转换器，在各种电子应用中都能发挥重要作用。工程师们在使用时，需要根据具体的应用场景和要求，合理选择参数和配置，以充分发挥其优势。你在实际应用中是否遇到过类似的RMS测量问题呢？你又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。