模拟电路如何高效有效值直流转换

有效值(rms)衡量交流信号的幅度。从实用角度定义，交流信号的有效值等于以同一负载产生同等热量所需的直流量。从数学角度定义，电压有效值为信号求平方、求平均值，然后取其平方根所获得的值。取平均值的时间必须足够长，以便能在所需的最低工作频率进行滤波。我们将通过一些例子来说明模拟电路如何高效实现该功能。

第一种方法称为直接显式法(explicit)，如图1所示。输入信号首先由模拟乘法器求平方，然后采用适当的滤波器取平均值，再通过反馈环路中具有第二个平方器的运算放大器取其平方根。该电路动态范围有限，因为平方器之后的各级必须尝试处理幅度变化很大的信号。这会限制此方法，使输入最大动态范围约为10:1 (20 dB)。但是，如果可以使用AD834之类的乘法器作为构建模块，就可以实现出色的带宽(100 MHz以上)和高精度(见图2)。

图1：直接显式(Explicit)有效值计算

图2：用AD834模拟乘法器进行宽带有效值测量

图3显示采用隐式法计算信号有效值的电路。此处，输出反馈至AD734等乘法器的直接分频输入。在该电路中，乘法器的输出随输入的有效值呈线性变化(而非呈平方变化)。与显式电路相比，这种隐式电路明显扩大了输入的动态范围。如果输入先流过绝对值电路，VIN2/VZ电路可由电流驱动，且只需要一个象限。隐式有效值直流法的缺点在于其带宽通常小于显式计算

图3：隐式(Implicit)有效值计算

这种有效值电路可以采用AD734模拟乘法器构建，若使用专用的有效值直流电路则更加简单。图4显示典型单芯片有效值直流转换器AD536A的简单示意图。

图4：AD536A单芯片有效值直流转换器

该图分为四个主要部分：绝对值电路(有源整流器)、平方器/除法器、电流镜，以及缓冲放大器。输入电压VIN可以为交流或直流，由绝对值电路A1、A2转换为单极性电流I1。I1驱动一象限平方器/除法器的一路输入，传递函数为：I4 = I12/I3。平方器/除法器的输出电流I4驱动电流镜，通过由R1和外接电容CAV构成的低通滤波器。如果R1CAV时间常数远远大于输入信号的最长周期，则I4可以有效取平均值。电流镜返回的电流I3等于AVG[I4]，回到平方器/除法器，以完成隐式有效值计算。因此：

I4 = AVG [I12/I4] = I1rms 公式 1

电流镜还会产生输出电流Iout，相当于2I4。Iout可以直接使用，或通过R2转换为电压，然后由A4缓冲，产生低阻抗电压输出。传递函数变为：

Vout = 2R2•Irms = VIN rms 公式2