基于AD637的直流电源纹波真有效值测量电路设计

乐珺，姚恩涛，张明伟，曹吉康

（南京航空航天大学自动化学院，江苏南京210016）

基于AD637的直流电源纹波真有效值测量电路设计

乐珺，姚恩涛，张明伟，曹吉康

（南京航空航天大学自动化学院，江苏南京210016）

纹波是直流电源品质的重要评定参数。选用真有效值交/直流转换器AD637为电路核心，针对小纹波测试，在隔离掉直流成分对信号进行放大时，由于放大器有限的带宽，会导致信号衰减引起误差。针对不同频率段的纹波，设计了不同频带范围的2阶滤波放大电路，并结合不同频带的等效修正系数，对相应的纹波分量进行修正。实验表明，该方法可以减小纹波测试中由于放大器带宽引起的测量误差。

纹波；真有效值转换器AD637；分段补偿电路；等效修正系数

纹波会产生谐波，降低电源工作效率，干扰数字电路的逻辑关系，甚至产生浪涌电压或电流，烧毁电器，给电子设备的正常工作带来隐患。因此，纹波是电源品质的一个重要参数，一般用有效值或峰峰值来表示。

测量纹波的方法大致可以分为两种：电压测量法和电流测量法。电压测量法适用于恒压源，或者纹波性能要求不高的恒流源；电流测量法一般用于测量纹波性能要求较高的恒流源。电压测量法是用示波器测量叠加在直流电压上的交流纹波电压。电流测量是测量叠加在直流上的交流纹波电流，能得到更加真实的纹波信号，适用于对纹波值要求较小的电流源[1]。

本文针对小纹波电压源，研究了一种纹波真有效值测量方法，在隔直、放大纹波时，考虑到放大器有限带宽引起的误差，在基于AD637测量电路的基础上，研究了一种分段补偿技术，提高纹波测试精度。

1 纹波真有效值测量

1.1 真有效值

纹波电压有效值测量芯片品种很多，如AD536、AD636、AD736、AD637等真有效值交/直流转换器，其中AD637具有较高的精度和较宽的频带，因此选择AD637进行电路设计。

1.2AD637的工作原理

AD637的原理图如图1所示，主要有4个部分：绝对值电路（动态调整），平方/除法器，滤波电路，缓冲放大器。其计算公式为：

直流或交流的输入电压，经过整流器A1，A2转化为单极电流，1驱动平方除法器电路的一个输入端，平方除法器完成的运算为：。平方除法器的输出电流4驱动A4和外部的平均电容CAV构成了一个低通滤波器，该滤波器的输出用于给A3提供分母电流3，并返回至平方/除法器完成隐式真有效值的计算，，从而使得OUT=IN。

图1AD637的原理图

2 AD637静态特性测试

用不同频率不同幅值的信号作为输入，验证AD637的线性度。实验中用峰峰值为6～14V，频率分别为50 Hz的正弦信号和1 kHz的方波信号作为输入，得到AD637静态特性曲线，如图2所示。

图2AD637的静态特性测试曲线

由上述对AD637线性度的验证实验可以看出，AD637具有非常小的迟滞误差，可以准确测量不同频率不同幅值信号的真有效值。无论是周期信号还是非周期信号，AD637都能满足高精度的要求。

3 纹波测量电路的设计

纹波电压的测量原理是先对输入信号隔直，由于纹波信号的幅值较小，因此电路中需要对其进行放大，再将放大后的信号输入交/直流真有效值转换器AD637。

针对纹波频带宽、幅值小的特点，选用带宽为60 M的单运放OP37，对纹波放大11倍后，输入至AD637。由于运放带宽的限制，单独的放大电路会使得高频纹波被抑制。因此为了精确测量纹波电压的准确值，通过设计低通、带通和高通三种不同频带范围的滤波放大电路，尽可能减小输入至AD637时纹波的损失。对滤波器进行Multisim仿真，得出幅频特性曲线，比较实际滤波器与理想滤波器的差异，计算出不同滤波器的等效修正系数，最终将测量值与等效系数相结合，对相应的纹波分量进行修正。

3.1 低通滤波器的设计

纹波电压的初步测量电路如图3所示，主要分为放大部分和AD637的有效值测量电路，1为电源输出电压，经过C1隔直后，进入放大电路。

通过Multisim对放大电路进行仿真(图4)，用1V、500 kHz的正弦信号作为模拟信号源，仿真电路如图4(a)所示，用XSC1和XSC2分别观察输入和输出信号的波形。XBP1用于观察电路的幅频特性曲线，如图4(b)所示。

图3 纹波测量电路

图4 低通滤波电路的仿真与设计

从幅频特性曲线可以看出，放大电路实际是一个截止频率为757 kHz的低通滤波器。为尽量减小纹波损失，需要根据放大电路的截止频率，设计带通和高通滤波器捕获频率大于757 kHz的纹波电压，提高电路的测量精度。

3.2 带通滤波器的设计

3.2.1 电路设计

带通滤波器的电路形式有很多，图5是无限增益多反馈环形滤波器的二环典型电路，带通滤波器的中心频率和带宽之间的关系为：

电压放大倍数：

图5 多反馈二环滤波器典型电路

阻尼系数：

中心角频率：

将第一个滤波器的截止频率757 kHz作为带通滤波器的下限频率L，取品质因素=2，放大倍数与原放大电路倍数相同取11，由式(2)～式(8)可以确定各参数值，从而确定滤波器的传递函数为：

3.2.2 电路仿真分析

用Multisim对带通滤波器进行仿真，仿真中用1V、900 kHz的正弦信号作为模拟信号源，如图6所示。

图6 带通滤波器的频率特性

3.2.3 等效修正系数

窄脉冲具有很宽的频带和平坦的频谱分布，因此在某一指定的频率段，可以将纹波作为白噪声来处理。将滤波器对不同频带纹波的放大倍数与理想情况下带通滤波器的幅频特性作比较，计算修正系数，对实验结果进行修正。

设计出的带通滤波器是对一个频率段的纹波作了不同程度的放大，理想情况下是对需要的频段放大11倍，而对于其他频率完全截止，两者对比如图6(b)所示。

因此可将带通滤波器的等效修正系数定义为：对理想滤波器放大倍数在相应频率段上的积分与对实际滤波器的放大倍数在对纹波有放大作用的频率段上的积分之比。用1表示修正系数，可计算为：

由滤波器的传递函数可将其幅频特性曲线表示为：

3.3 高通滤波器的设计

3.3.1 电路设计

图7所示的电路，虚线框内是一种增益为1的高通滤波器，通过计算，选择合理的参数让其测量的频带范围满足要求。

图7 带有增益的高通滤波器

对于节点1可列方程：

对于节点2可列方程：

联立上述方程组，可得滤波器的传递函数：

由于带通滤波器的上限截止频率为1 MHz，因此该值需要作为高通滤波器的下限截止频率，确定参数后，高通滤波器的传函可表示为：

放大电路的倍数为11，因此需要在高通滤波器的前面再加一级放大电路，如图8所示。

图8 高通滤波器的幅频特性及数值对比

3.3.2 仿真分析

用Multisim对高通滤波器进行仿真，1V、1.5 MHz的正弦信号作为模拟信号源，滤波器的幅频特性如图8(a)所示。

由仿真得出的高通滤波器幅频特性可以看出，滤波器的下限截止频率为981 kHz，中心频率为2.5 MHz，满足设计要求。

3.3.3 等效修正系数

由于AD637测量交流信号的最高频率为8 MHz，因此在计算等效系数时，可将高通滤波器看作测量频带范围为980 kHz～8 MHz的带通滤波器。

与带通滤波器类似，将高通滤波器等效修正系数定义为：对理想滤波器放大倍数在相应频率段上的积分与对实际滤波器的放大倍数在对纹波有放大作用的频率段上的积分之比。图8(b)为理想高通滤波器与实际值的对比。

由高通滤波器的传递函数可将其幅频特性表示为：

电路最终的测量结果为三路滤波放大电路的叠加和除以对纹波的放大倍数，表示为：

4 测量电路的工作原理

改进的直流电源纹波测量电路如图9所示，C1为隔直电容，选择电容器的耐压值需大于直流电源输出的最大电压。CD4052为4路选择开关，由上位机控制接通，U6为电路的核心器件AD637，其输入为滤波放大后的信号，以直流电压的形式输出交流成分的真有效值。将每一路AD637的输出值乘以修正系数后的计算结果相加，得出最终的测量结果。

图9 改进后的纹波测试电路

实验发现，电路在测量直流高压的纹波时，高压在接通的一瞬间，会被当作交流通过电容，到达运放的输入端，使得OP37瞬间的输入电压过高导致烧毁。因此电路中，在B点到地串联2个方向相反的6V稳压管，起双向稳压保护后面电路的作用。

5 实验与分析

实验中用幅值可调的稳压源作为电路输入，用安捷伦数字电压表测量经过隔直电容之后纹波的真有效值，将原电路的测量结果与改进后电路的测量结果作对比，如表1所示，从而验证改进方案能否提高电路对交流信号有效值的测试精度。

表1 原电路与增加滤波器之后的电路对直流电源纹波测量值的对比

实验结果表明，原电路的输出与安捷伦电压表测量的准确值有较大的误差，经过滤波器电路补偿及等效修正系数的计算后，准确度得到了很大的提高，减小了实验中由于放大器带宽而引起的测量误差。

6 结论

本文介绍了一种以AD637为核心器件的直流电源电压纹波真有效值测量电路，并提出了一种由于运放带宽限制不能准确测量纹波有效值的解决方案，将输入至AD637的纹波损失减至最小，通过滤波器补偿电路大大提高了测量结果的准确性。该电路输出稳定，精确度高。通过增加多路开关，可实现多路直流电源电压纹波的测量，适用于航空电源测试设备等精确度要求高的测量仪器中。

[1]田芳宁，孙国强.电源纹波分析测试与抑制[J].电子质量，2012 (3)：12-14.

Design ofmeasurement circuit on true RMS for DC power ripple based onAD637

LE Jun,YAO En-tao,ZHANG Ming-wei,CAO Ji-kang

Ripple was an important parameter in DC power quality evaluation.The true RMS-to-DC ConverterAD637 was chosen as the core of the circuit.According to the small ripple test,after isolated DC component,the operational amplifier was used to amplify the signal.Some errors would be caused by the limited bandwidth of the amplifier because of signal attenuation.Second-order filtering amplifier circuit aimed at the ripple of different frequency band was designed and combined with equivalent correction factor of different frequency band to correct corresponding ripple component.The experiment result shows that thismethod can reduce themeasuring error caused by the limited bandwidth of amplifier in DC ripple test.

ripple;true RMS-to-DC converterAD637;section compensation circuit;equivalent correction coefficient

TM 13

A

1002-087 X(2014)10-1926-04

2014-03-01

江苏省科技支撑计划资助项目(BE2010191)

作者姓名：乐珺(1991—)，女，安徽省人，硕士研究生，主要研究方向为计算机测控。