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開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換和工業(yè)控制器使用開關(guān)模式晶體管、半導(dǎo)體控整流器和相關(guān)晶閘管器件，通過調(diào)節(jié)輸入波形的占空比來控制功率。由此產(chǎn)生的波形非常復(fù)雜，因此要測量和監(jiān)視其功率水平，設(shè)計人員必須確定電流和電壓波形的均方根 (RMS) 水平。這正是RMS轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器可發(fā)揮作用的地方。

 

雖然對示波器采集的波形執(zhí)行編程計算也可以確定RMS值，但這可能非常耗時。RMS轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器通過實時輸出與輸入波形RMS電平成比例的直流電平來簡化功率測量。它們廣泛應(yīng)用于各種功率監(jiān)視控制裝置和儀器中，以測量復(fù)雜非正弦波形的RMS水平。

 

本文將解釋RMS和功率計算概念，還將描述RMS轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器的工作方式和應(yīng)用方式。

 

測量復(fù)雜波形的挑戰(zhàn)

 

復(fù)雜波形很難處理，因為現(xiàn)代電子設(shè)備不再僅限于使用直流或正弦電壓波形（圖1）。如何量化它們？哪些測量方式能真正描述其中任意波形？

 

圖1： 常見的復(fù)雜波形——基于晶閘管的交流控制器（頂部），開關(guān)模式電源中的電流（中間），隨機高斯噪聲（底部）。（圖片來源：Digi-KeyElectronics）

 

圖1中頂部的波形來自基于晶閘管的交流控制器。它具有零平均值，峰峰值幅度與其功率不存在線性相關(guān)，尤其是在低占空比時。中間波形是開關(guān)模式電源中通過電源FET的電流。底部波形是寬帶噪聲。它是一個非周期性波形，也具有零平均值，并且峰值可能很高，但平均功率有限。

 

早期的交流電壓計使用全波整流平均讀數(shù)來測量電壓的有效值。這些電壓計對于正弦波應(yīng)用良好，但面對復(fù)雜的波形時就會產(chǎn)生錯誤讀數(shù)。RMS測量是可生成與波形無關(guān)的有效值的唯一技術(shù)。

 

什么是RMS?

 

 

RMS測量目前獲得廣泛認可，可提供關(guān)于波形的最精確的幅度信息。它是一種標(biāo)準(zhǔn)方法，無論波形如何，它都可以始終一致、不偏不倚地測量和比較動態(tài)信號。

 

RMS是交流信號幅度的基本測量方法。分配給信號的RMS值是在相同負載下產(chǎn)生等量熱量所需的直流電平。因此，它與信號功率有關(guān)。

 

波形的RMS值的數(shù)學(xué)定義是通過對信號先求平方、再取平均值、然后取平方根得到的值。平均時間窗口必須具有合適的長度，以允許在測量所需的最低頻率下進行濾波。在方程式中，波形隨時間的RMS值為：

 

RMS值是均方電壓的平方根。均方電壓除以負載阻抗是波形輸出的平均功率，這再次表明RMS與信號功率相關(guān)。

 

該等式可以通過數(shù)值應(yīng)用于通過示波器等儀器獲取的波形。數(shù)值計算需要大量的程序編碼。無需數(shù)字化即可測量物理波形，這是RMS轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器的一項非常有用的功能。

 

RMS轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器

  

顧名思義，RMS轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器是一種產(chǎn)生與輸入信號的RMS幅度成比例的直流輸出電平的器件。過去，第一個此類器件是實際測量由連接到負載的輸入波形所產(chǎn)生熱量的儀器。這類器件很久以前就被以電子方式執(zhí)行相同任務(wù)的集成電路所取代。

 

有三種可能的方法來計算波形的RMS 幅度：顯式、隱式和三角積分電路拓撲（圖 2）。

 

圖2：測量波形的RMS值有三種不同的方法：顯式、隱式和三角積分電路拓撲。（圖片來源：Digi-KeyElectronics）

 

顯式方法是對信號先求平方、再求平均值、然后取平方根。通常使用對數(shù)-反對數(shù)晶體管陣列來實現(xiàn)平方和平方根提取。求平均值則使用RC低通濾波器完成，一般需要一個外部電容來設(shè)置截止頻率。此方法雖然有效，但是平方根運算導(dǎo)致測量的動態(tài)范圍非常高，增加了出現(xiàn)巨大誤差的可能性。

 

第二種方法稱為隱式方法。它通過反饋重新組合數(shù)學(xué)運算，提高了顯式方法的性能。輸入級是一個倍頻器/分頻器，輸出作為除數(shù)反饋。這是避免平方根運算的一種更明智的方法，如等式2到5所示：

 

 

由于VO是直流電平，因此數(shù)值等于其平均值：

 

 

等式兩邊乘以 VO：

 

 

最后，在兩個等式兩邊取平方根：

 

 

Analog Devices的AD737JRZ-RL是一款采用隱式計算技術(shù)的RMS轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器。它的精度為讀數(shù)的± 0.2 mV ±0.3%。除了輸出輸入信號的RMS值外，它還提供平均修正值和絕對值。

 

三角積分法是確定RMS的最后一項技術(shù)。在該方法中，三角積分 (ΔΣ) 調(diào)制器用作分頻器。調(diào)制器輸出端的簡單極性開關(guān)用作倍頻器。ΔΣ輸出脈沖的平均占空比與輸入信號對輸出信號的比率成比例。該輸出脈沖驅(qū)動增益值+1和-1之間的極性切換，導(dǎo)致輸出與輸入平方對輸出的比率成比例。低通濾波器提供平均值。用于隱式方法的相同數(shù)學(xué)原理適用于ΔΣ技術(shù)，導(dǎo)致輸出等于輸入信號的RMS值。該方法的一個優(yōu)點是計算速度更快，從而產(chǎn)生更高的測量帶寬。

 

Analog Devices的LTC1966IMS8#TRPBF是采用ΔΣ方法的RMS轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器。它的帶寬為800 kHz，1 kHz以下輸入信號的總誤差小于0.25%。由于該技術(shù)具有出色的線性度，所以測量線性度僅為0.02%。

 

應(yīng)用RMS轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器

 

RMS轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器適用于需要監(jiān)視或控制信號電平的任何應(yīng)用。既適用于復(fù)雜波形，也適用于更傳統(tǒng)的正弦波。我們以三相電源監(jiān)視應(yīng)用（圖3）為例。

 

圖3：使用RMS轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器監(jiān)視50Hz三相電源線。（圖片來源：AnalogDevices）

 

在此應(yīng)用中，Analog Devices 的 AD8436 RMS轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器與3:1多路復(fù)用器配合使用，允許單個RMS轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器監(jiān)視三相。使用三個1000:1高壓分壓器對相電壓進行采樣。

 

RMS轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器的輸出路由到模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。多路復(fù)用器和ADC在單個20ms電源線電壓周期內(nèi)連續(xù)對所有相進行采樣。

 

AD8436是一款采用隱式拓撲結(jié)構(gòu)的低功耗RMS轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器。其精度為±10微伏 (μV) ± 0.25%，帶寬為1 MHz。它具有一個內(nèi)置FET緩沖器，可連接外部衰減器。它還有一個輸出緩沖放大器，可在驅(qū)動低阻抗負載時最大限度地減少錯誤。

 

測量非周期波形

 

RMS轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器也可用于對非周期性信號進行特征化，如高斯噪聲（圖4）。

 

圖4：噪聲電平監(jiān)視器電路的LTSpice XVII 仿真，制造商推薦，使用Analog Devices LTC1966 RMS轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器。（圖片來源： Digi-KeyElectronics）

 

噪聲和類噪聲信號的特征化難度很大。例如，高斯噪聲的峰峰值幅度可以非常高（理論上無限大）。峰峰電平基本上無限，隨著觀察時間的增加而增長。但是，RMS電平有限，并且表現(xiàn)非常平穩(wěn)。在LTSpiceXVI中建模的噪聲監(jiān)視電路使用Analog Devices 的 LTC1966 ΔΣ RMS轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器。LTC1966之前的運算放大器將噪聲幅度提高了1000倍。輸出端的1微法 (μF) 電容器是平均電容，用于設(shè)置平均濾波器的轉(zhuǎn)折頻率。RMS轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器的輸出是直流電平，靈敏度約為每mV RMS噪聲1毫伏 (mV) 直流電。在本示例中，它的讀數(shù)為0.7伏特，表明噪聲幅度為700mVRMS。

 

采用類似的方式，可以測量開關(guān)模式電源電流波形的RMS電平（如圖5）。

 

在此LTSpice XVII仿真中，實際波形已導(dǎo)入分段線性(PWL) 電流源。使用1歐姆電阻分流器檢測電流，以便LTC1966的輸入電壓對應(yīng)為1mV/mA。該信號不需要先前使用的放大器，而是通過LTC1966直接檢測電流。波形的峰值電流為0.584A。斜坡波形的占空比為20%。RMS轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器輸出端的測量RMS電壓為140mV，因此RMS電流幅度為140mA。

 

圖5： LTC1966仿真，用于測量開關(guān)模式電源的開關(guān)FET電流波形的RMS值。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

 

同樣，可在仿真中測量基于晶閘管的控制器波形（如圖6）。

 

圖6： 使用LTC1966仿真和測量基于晶閘管的控制器波形，RMS值為155伏。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

 

同樣，導(dǎo)入實際波形并將其用作PWL源。620伏峰峰值波形通過200:1分壓器衰減。LTC1966 RMS轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器的最終RMS輸出為 0.767伏，以155伏電路輸入時的RMS電平表示。

 

總結(jié)

 

模擬RMS轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器的使用簡化了大多數(shù)復(fù)雜信號有效功率的測量，無需編寫和調(diào)試大量編程代碼。這些低成本的轉(zhuǎn)換器非常適合測量或監(jiān)視和控制各種波形的功率相關(guān)參數(shù)。

 

原創(chuàng)：得捷電子DigiKey  作者：Art Pini