RMS，直流
，轉換器，RMS-DC轉換器
，測量，監視，信號

 

開關模式功率轉換和工業控製器使用開關模式晶體管、半ban導dao體ti控kong整zheng流liu器qi和he相xiang關guan晶jing閘zha管guan器qi件jian
，通tong過guo調tiao節jie輸shu入ru波bo形xing的de占zhan空kong比bi來lai控kong製zhi功gong率lv。由you此ci產chan生sheng的de波bo形xing非fei常chang複fu雜za
，因yin此ci要yao測ce量liang和he監jian視shi其qi功gong率lv水shui平ping
，設she計ji人ren員yuan必bi須xu確que定ding電dian流liu和he電dian壓ya波bo形xing的de均jun方fang根gen (RMS) 水平。這正是RMS轉直流轉換器可發揮作用的地方。

 

雖然對示波器采集的波形執行編程計算也可以確定RMS值
，但這可能非常耗時。RMS轉直流轉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。它們廣泛應用於各種功率監視控製裝置和儀器中
，以測量複雜非正弦波形的RMS水平。

 

本文將解釋RMS和功率計算概念，還將描述RMS轉直流轉換器的工作方式和應用方式。

 

測量複雜波形的挑戰

 

複雜波形很難處理，因為現代電子設備不再僅限於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： 常見的複雜波形——基於晶閘管的交流控製器（頂部）
，開關模式電源中的電流（中間），隨機高斯噪聲（底部）。（圖片來源：Digi-KeyElectronics）

 

圖1中(zhong)頂(ding)部(bu)的(de)波(bo)形(xing)來(lai)自(zi)基(ji)於(yu)晶(jing)閘(zha)管(guan)的(de)交(jiao)流(liu)控(kong)製(zhi)器(qi)。它(ta)具(ju)有(you)零(ling)平(ping)均(jun)值(zhi)，峰(feng)峰(feng)值(zhi)幅(fu)度(du)與(yu)其(qi)功(gong)率(lv)不(bu)存(cun)在(zai)線(xian)性(xing)相(xiang)關(guan)，尤(you)其(qi)是(shi)在(zai)低(di)占(zhan)空(kong)比(bi)時(shi)。中(zhong)間(jian)波(bo)形(xing)是(shi)開(kai)關(guan)模(mo)式(shi)電(dian)源(yuan)中(zhong)通(tong)過(guo)電(dian)源(yuan)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，並且峰值可能很高，但平均功率有限。

 

早(zao)期(qi)的(de)交(jiao)流(liu)電(dian)壓(ya)計(ji)使(shi)用(yong)全(quan)波(bo)整(zheng)流(liu)平(ping)均(jun)讀(du)數(shu)來(lai)測(ce)量(liang)電(dian)壓(ya)的(de)有(you)效(xiao)值(zhi)。這(zhe)些(xie)電(dian)壓(ya)計(ji)對(dui)於(yu)正(zheng)弦(xian)波(bo)應(ying)用(yong)良(liang)好(hao)
，但(dan)麵(mian)對(dui)複(fu)雜(za)的(de)波(bo)形(xing)時(shi)就(jiu)會(hui)產(chan)生(sheng)錯(cuo)誤(wu)讀(du)數(shu)。RMS測量是可生成與波形無關的有效值的唯一技術。

 

什麼是RMS?

 

 

RMS測量目前獲得廣泛認可，可提供關於波形的最精確的幅度信息。它是一種標準方法
，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生等量熱量所需的直流電平。因此，它與信號功率有關。

 

波形的RMS值的數學定義是通過對信號先求平方
、再取平均值、然後取平方根得到的值。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。

 

該等式可以通過數值應用於通過示波器等儀器獲取的波形。數值計算需要大量的程序編碼。無需數字化即可測量物理波形，這是RMS轉直流轉換器的一項非常有用的功能。

 

RMS轉直流轉換器

  

顧名思義，RMS轉直流轉換器是一種產生與輸入信號的RMS幅fu度du成cheng比bi例li的de直zhi流liu輸shu出chu電dian平ping的de器qi件jian。過guo去qu，第di一yi個ge此ci類lei器qi件jian是shi實shi際ji測ce量liang由you連lian接jie到dao負fu載zai的de輸shu入ru波bo形xing所suo產chan生sheng熱re量liang的de儀yi器qi。這zhe類lei器qi件jian很hen久jiu以yi前qian就jiu被bei以yi電dian子zi方fang式shi執zhi行xing相xiang同tong任ren務wu的de集ji成cheng電dian路lu所suo取qu代dai。

 

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、然後取平方根。通常使用對數-反對數晶體管陣列來實現平方和平方根提取。求平均值則使用RCditonglvboqiwancheng，yibanxuyaoyigewaibudianronglaishezhijiezhipinlv。cifangfasuiranyouxiao，danshipingfanggenyunsuandaozhiceliangdedongtaifanweifeichanggao
，zengjialechuxianjudawuchadekenengxing。

 

第二種方法稱為隱式方法。它通過反饋重新組合數學運算
，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：

 

 

由於VO是直流電平，因此數值等於其平均值：

 

 

等式兩邊乘以 VO：

 

 

最後，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的RMS轉直流轉換器。它的精度為讀數的± 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的最後一項技術。在該方法中，三角積分 (ΔΣ) 調製器用作分頻器。調製器輸出端的簡單極性開關用作倍頻器。ΔΣ輸出脈衝的平均占空比與輸入信號對輸出信號的比率成比例。該輸出脈衝驅動增益值+1和-1之間的極性切換，導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。用於隱式方法的相同數學原理適用於ΔΣ技術
，導致輸出等於輸入信號的RMS值。該方法的一個優點是計算速度更快，從而產生更高的測量帶寬。

 

Analog Devices的LTC1966IMS8#TRPBF是采用ΔΣ方法的RMS轉直流轉換器。它的帶寬為800 kHz，1 kHz以下輸入信號的總誤差小於0.25%。由於該技術具有出色的線性度
，所以測量線性度僅為0.02%。

 

應用RMS轉直流轉換器

 

RMS轉直流轉換器適用於需要監視或控製信號電平的任何應用。既適用於複雜波形，也適用於更傳統的正弦波。我們以三相電源監視應用（圖3）為例。

 

圖3：使用RMS轉直流轉換器監視50Hz三相電源線。（圖片來源：AnalogDevices）

 

在此應用中，Analog Devices 的 AD8436 RMS轉直流轉換器與3:1多路複用器配合使用，允許單個RMS轉直流轉換器監視三相。使用三個1000:1高壓分壓器對相電壓進行采樣。

 

RMS轉直流轉換器的輸出路由到模數轉換器 (ADC)。多路複用器和ADC在單個20ms電源線電壓周期內連續對所有相進行采樣。

 

AD8436是一款采用隱式拓撲結構的低功耗RMS轉直流轉換器。其精度為±10微伏 (μV) ± 0.25%
，帶寬為1 MHz。它具有一個內置FET緩衝器，可連接外部衰減器。它還有一個輸出緩衝放大器，可在驅動低阻抗負載時最大限度地減少錯誤。

 

測量非周期波形

 

RMS轉直流轉換器也可用於對非周期性信號進行特征化，如高斯噪聲（圖4）。

 

圖4：噪聲電平監視器電路的LTSpice XVII 仿真，製造商推薦
，使用Analog Devices LTC1966 RMS轉直流轉換器。（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
，並且表現非常平穩。在LTSpiceXVI中建模的噪聲監視電路使用Analog Devices 的 LTC1966 ΔΣ RMS轉直流轉換器。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，用於設置平均濾波器的轉折頻率。RMS轉直流轉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轉直流轉換器輸出端的測量RMS電壓為140mV
，因此RMS電流幅度為140mA。

 

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

 

同樣，可在仿真中測量基於晶閘管的控製器波形（如圖6）。

 

圖6： 使用LTC1966仿真和測量基於晶閘管的控製器波形，RMS值為155伏。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

 

同樣，導入實際波形並將其用作PWL源。620伏峰峰值波形通過200:1分壓器衰減。LTC1966 RMS轉直流轉換器的最終RMS輸出為 0.767伏，以155伏電路輸入時的RMS電平表示。

 

總結

 

模擬RMS轉zhuan直zhi流liu轉zhuan換huan器qi的de使shi用yong簡jian化hua了le大da多duo數shu複fu雜za信xin號hao有you效xiao功gong率lv的de測ce量liang
，無wu需xu編bian寫xie和he調tiao試shi大da量liang編bian程cheng代dai碼ma。這zhe些xie低di成cheng本ben的de轉zhuan換huan器qi非fei常chang適shi合he測ce量liang或huo監jian視shi和he控kong製zhi各ge種zhong波bo形xing的de功gong率lv相xiang關guan參can數shu。

 

原創：得捷電子DigiKey  作者：Art Pini