Детектор среднеквадратичных значений для широкополосного вольтметра — конструкция и работа

В моем предыдущем проекте я продемонстрировал широкополосный вольтметр, который использовал пиковый детектор для определения максимальной амплитуды сигнала. Пиковый детектор подходит для многих измерений, однако для некоторых измерений, включая шум, необходим среднеквадратичный (RMS) детектор. Структурная схема широкополосного вольтметра с среднеквадратичным детектором, заменяющим исходный пиковый детектор, представлена ​​на рисунке 1.

Прежде чем мы углубимся в схемы, давайте быстро напомним математику. Чтобы сгенерировать среднеквадратичное значение сигнала, нам нужно применять слова в термине справа налево, что немного сбивает с толку.

Сначала возведите сигнал в квадрат (умножьте его на себя, а не обрезайте пики!). Затем вычислите среднее значение (среднее значение). Среднее значение обычно измеряется как минимум в течение одного цикла, но иногда используется среднее значение за полпериода. Наконец, извлеките квадратный корень из напряжения на конденсаторе.

Математически расчет RMS представлен как:

$$V_{rms} = \sqrt{mean(V^2)}$$

Хотя детектор RMS можно сделать из дискретных компонентов, необходимы тщательно подобранные устройства, а производительность часто может разочаровать. Интегральная схема (ИС) может обеспечить гораздо лучшие характеристики, особенно если при производстве применяется лазерная подстройка. Это недешевый процесс, поэтому такие устройства стоят дороже, чем, скажем, операционные усилители и компараторы общего назначения.

Analog Devices AD736 представляет собой настоящую микросхему преобразователя RMS-DC и доступна в доступной версии (AD736J), обеспечивающей хорошую производительность (и в трех более дорогих версиях с точными характеристиками). Для всех версий полезная полоса пропускания ограничена 200 кГц, но обычно это вполне приемлемо для измерений среднеквадратичных значений, выполняемых не специализированными приборами.

Схема детектора среднеквадратичного значения показана на рисунке 2 и заменяет схему на рисунке 5 из исходного проекта широкополосного вольтметра.

Детектор среднеквадратичных значений часто используется для измерения сигналов, амплитуда которых быстро меняется, поэтому цифровой дисплей непригоден. Выбор делается между измерителем с подвижной катушкой и светодиодной гистограммой с разрешением 1 дБ или меньше.

Технология, используемая в AD736 и подобных устройствах, приводит к получению высокочастотной характеристики, которая меняется в зависимости от уровня сигнала. В настоящей заявке это не является серьезной проблемой, поскольку уровень сигнала, подаваемого на устройство, может поддерживаться в диапазоне от 316 мВ до 1 В, за исключением случаев, когда вольтметр установлен на максимальную чувствительность в диапазоне 1 мВ.

На рисунке 3 показаны частотные характеристики на трех уровнях входного сигнала. На границе диапазона отклик довольно резко падает.

Погрешность показаний счетчика с подвижной катушкой является важной характеристикой. Разумеется, оно варьируется в зависимости от размера измерителя, поскольку небольшие отклонения трудно обнаружить в маленьком масштабе. Результаты с использованием прибора, длина шкалы которого составляет 110 мм, показаны на рисунке 4.

Конечно, даже при таком довольно большом измерителе отклонения при -30 дБ и -34 дБ очень малы, и нельзя ожидать точного считывания этих уровней.

Упрощенная блок-схема Analog Devices AD736 показана на рисунке 5.

На рис. 6 представлены дополнительные сведения о схеме Analog Devices. В устройстве используется транслинейная схема, показанная в центре рисунка 6 и обозначенная «RMS TRANSLINEAR CORE». Транслинейная схема состоит только из биполярных транзисторов (в некоторых случаях можно использовать КМОП) и источников тока. Пассивных компонентов нет.

Технический паспорт не раскрывает всех секретов Analog Devices, но мы можем оценить основы его работы. Операции возведения в квадрат и извлечения корня выполняются транслинейной схемой. Для возведения в квадрат сигнал представляется как ток к переходу база-эмиттер. Напряжение, возникающее на нем, пропорционально логарифму тока. Это просто обращение более знакомого выражения о том, что ток пропорционален показателю степени напряжения: