原创 真有效值转换器LTC1966的原理与应用

电子设计应用2003年第5期

摘   要： 本文首先介绍了真有效值数字电压表的基本原理，然后阐述LTC1966 TRMS／DC转换器工作原理，最后给出由LTC1966构成的多量程真有效值数字电压表电路。
关键词： 真有效值;TRMS／DC转换器;D-S调制器;数字电压表

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。
交流电压有效值是按下式定义的：
       (1)
其近似公式为：       
        (2)
分析式(2)可知，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。

图1  LTC1966管脚排列及内部框图

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。

图2    LTC1966的典型应用电路

图 3     由LTC1966构成的5量程3 1/2位真有效值数字电压表

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。

结语
新型真有效值数字电压表是以单片TRMS／DC转换器为核心，配单片A／D转换器和数显器件而构成的测量仪表。其优点是能精确、实时地测量各种电压波形的有效值而不必考虑波形参数及失真度的大小。简言之，真有效值数字仪表具有准确度高、响应速度快、测量面广、显示直观等持点。■

参考文献
1 Linear Technology技术公司产品资料.2002
2 沙占友等．新编实用数字化测量技术[M].北京：国防工业出版社.1998
3 清华大学电子学教研组.数字电子技术基础[M].北京:高等教育出版社.1998

作者简介：王彦朋，副教授，河北科技大学信息科学与工程学院，主要从事电子技术教学与科研工作。