広帯域電圧計用の RMS 検出器 - 設計と操作

前回のプロジェクトでは、ピーク検出器を使用して最大信号振幅を決定する広帯域電圧計をデモンストレーションしました。 ピーク検出器は多くの測定に適していますが、ノイズを含む一部の測定には二乗平均平方根 (RMS) 検出器が必要です。 元のピーク検出器の代わりに RMS 検出器を備えた広帯域電圧計のブロック図を図 1 に示します。

回路に入る前に、数学について簡単に復習しましょう。 信号の二乗平均平方根値を生成するには、項内の単語を右から左に適用する必要がありますが、これは少し混乱します。

まず、信号を 2 乗します (ピークをカットするのではなく、信号自体を乗算します)。 次に、平均値（平均値）を計算します。 平均は通常、少なくとも 1 サイクルにわたって測定されますが、場合によっては半サイクルの平均が使用されます。 最後に、コンデンサの両端の電圧の平方根を求めます。

数学的には、RMS 計算は次のように表されます。

$$V_{rms} = \sqrt{平均(V^2)}$$

RMS 検出器を個別のコンポーネントから作成することは可能ですが、慎重に適合したデバイスが必要であり、パフォーマンスが期待外れになる場合があります。 集積回路 (IC は、特に製造中にレーザー トリミングを適用した場合、はるかに優れた性能を提供できます。これは低コストのプロセスではないため、このようなデバイスは、たとえば汎用のオペアンプやコンパレータよりも高価になります。

Analog Devices AD736 は、真の RMS-DC コンバータ IC であり、優れた性能を提供する手頃な価格のバージョン (AD736J) が用意されています (および高精度の性能を備えたさらに 3 つの高価なバージョン)。 すべてのバージョンで、有用な帯域幅は 200 kHz に制限されていますが、これは通常、専用の機器で行われない RMS 測定ではまったく許容範囲です。

RMS 検出器の回路図を図 2 に示します。これは、元の広帯域電圧計プロジェクトの図 5 の回路を置き換えるものです。

RMS 検出器は、振幅が急速に変化する波形の測定によく使用されるため、デジタル表示は使用できません。 ムービングコイルメーターと分解能1dB以下のLEDバーグラフのどちらかを選択できます。

AD736 および同様のデバイスで使用されている技術により、信号レベルに応じて変化する高周波応答が得られます。 本アプリケーションでは、電圧計が 1 mV 範囲の最大感度に設定されている場合を除き、デバイスに印加される信号レベルは 316 mV ～ 1 V の範囲内に維持できるため、これは深刻な問題ではありません。

図 3 は、3 つの入力信号レベルでの周波数応答を示しています。 応答は帯域制限でかなり急激に低下します。

ムービングコイルメーターの読み取り誤差は重要な特性です。 もちろん、小さなスケールでは小さなたわみを読み取るのが難しいため、メーターのサイズによって異なります。 私が使用したスケール長 110 mm の機器の結果を図 4 に示します。

もちろん、この非常に大きなメーターを使用しても、-30 dB と -34 dB での変動は非常に小さいため、これらのレベルを正確に読み取ることは期待できません。

Analog Devices AD736 の簡略化されたブロック図を図 5 に示します。

図 6 は、アナログ・デバイセズの回路設計の詳細を示しています。 このデバイスは、図 6 の中央付近に概要が示され、「RMS TRANSLINEAR CORE」とラベルが付けられたトランスリニア回路を使用します。 トランスリニア回路は、バイポーラ トランジスタ (場合によっては CMOS も使用可能) と電流源のみで構成されます。 受動部品はありません。

データシートはアナログ・デバイセズの秘密のすべてを明らかにしているわけではありませんが、その動作の基本を評価することはできます。 二乗演算と平方根演算はトランスリニア回路によって実行されます。 二乗の場合、信号はベース-エミッタ接合に電流として与えられます。 その両端に発生する電圧は電流の対数に比例します。 これは、電流が電圧の指数に比例するという、より一般的な表現の逆です。