真有效值转换器LTC1966的原理与应用

Jacktang

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真有效值数字电压表的基本原理
利用真有效值(TRMS)数字仪表，可以准确、实时地测量各种波形的有效值电压，满足现代电子测量之需要。
借助于电路对输入电压u进行“平方→ 取平均值→开平方”运算，就能获得交流电压的有效值。因这是由有效值定义式求出的，故称之为真有效值。目前生产的真有效值/直流转换器(如美国ADI公司的AD636、AD736，美国LT公司的LTC1966等)，都是采用这种原理而设计的。真有效值电压表和平均值电压表测量典型波形的误差比较见表1。表中波峰因数(KP)定义为峰值电压(UP)与有效值电压(URMS)之比。


LTC1966工作原理
LTC1966是美国凌特公司(LT)于2002年最新推出的真有效值RMS/DC转换器，与其他RMS/DC产品相比较，它在完成乘法／除法运算时，未采用通常的对数-反对数的计算方法，而是采用了全新的D-S计算技术。LTC1966具有简单电路接法(只有一个外接平均CAVE)、灵活的输入／输出结构(差分或单端)、灵活的供电方式(2.7V~5.5V单电源，最大范围为±5.5V双电源)、高准确度(50Hz~1kHz的误差只有0.25%)、良好的线性(小于0.02%)、很宽的动态电流范围、易于校准等特性。
LTC1966采用MSOP-8封装，管脚排列及内部框图如图1所示，各引脚功能如下：
GND—地;
UIN1、UIN2—差分输入端1和2;  
USS—负电源端，对地接-5.5V电源或直接接地;
UOUT—电压输出端。RMS平均值是通过此引脚与COM引脚之间的平均值电容CAVE来实现转换的。转换值由下式给出：   
  (4)
COM—输出电压返回端。输出电压的产生和该引脚的电压有关。一般COM端接地，在AC+DC输入情况下，UOUT与COM引脚之间不平衡，该引脚应对地接一小电阻;
UDD—正电源端。电压范围为2.7V~5.5V;
—使能控制端，低电平有效。
LTC1966内部主要包括4部分电路：D-S调制器、极性转换开关、低通滤波器(LPF)和关断控制电路。另外还包括基准电压源、电流源、二极管保护电路等。其中D-S调制器由二阶积分器与求和电路构成，用来完成除法运算(相当于除法器)，它产生的一位输出信号的平均占空比与输入信号(UIN)和反馈信号(即输出信号UOUT)的比值成正比关系：
                       (5)
控制极性转换开关起乘法器的作用，它对输入信号UIN和D-S调制器的一位输出信号进行乘法运算，进而获得(UIN)2/UOUT，并依此作为芯片的输出电压UOUT，从而完成RMS-DC的转换。低通滤波器由内部电阻r和外界的平均值电容CAVE所构成，实现RMS的取平均值功能。电容CAVE可以根据输入信号的频率范围来选择，注意：为了保证转换的稳定性和较小的偏移误差，平均值电容应选择薄膜电容，比如聚酯电容，其典型值为1mF。使能控制为高电平时，关断控制电路有效，LTC1966工作在低功耗的关断状态。







LTC1966的典型应用电路如图2所示。图a采用的是差分输入方式，UIN为交流信号(其峰-峰值≤1V)，+5V单电源供电，CC为隔直电容，其大小与输入信号频率有关;图b采用了能关断的单端输入方式，+2.7V单电源供电，使能端可直接接CMOS电路输出。

基于LTC1966的多量程真有效值数字电压表
图3是由LTC1966构成的5量程3 1/2 位真有效值数字电压表的电路。5个ACV挡依次为200mV、2V、20 V、200 V和700V。该仪表使用LTC1966、ICL7136各一片，后者属于微功耗单片3 1/2 位A/D转换器。C 1是输入端耦合隔直电容，起隔直作用。高阻抗分压器由精密电阻R1~R5构成，总阻值为10MΩ。S1为量程开关，输入电压UIN首先被衰减成200mV以下，再经限流电阻R6接至LTC1966的第2脚。VD1、VD2为双向限幅保护二极管。仪表采用9V叠层电池供电，C4为电源滤波电容。C3是平均电容。LTC1966的输出电压直接加至ICL 7136的模拟输入端。ICI7136采用外基准，由ICL8069提供的1.2V基准电压源．通过R8、RP分压后得到基准电压UREF＝100.0 mV，基本量程为200mV。S2为测量／备用模式选择开关，常态下S2应闭合断开。断开S2时LTC1966呈备用状态，可降低功耗。