RMS转换模块技术文档

本模块采用AD637真有效值转换器为核心，集成精密滤波电容和温度补偿电路，实现交流信号的真有效值(True RMS)精确测量。支持0.1Hz-1MHz宽带宽，峰值因数1-5，转换精度±0.2%，具备温度漂移补偿和增益调节功能，内置输入保护和输出缓冲，适用于交流电压电流测量、功率分析、音频测试、波形失真分析等需要精确RMS测量的应用场合。

交流输入 → 输入调理 → 平方器 → 低通滤波 → 开方器 → 输出缓冲 → RMS输出
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AC信号   缓冲放大   乘法器   积分器   对数运算  运放缓冲   DC电压
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任意波形  阻抗匹配  AD637   平均化   反对数   负载驱动  有效值
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输入保护  增益调节  温度补偿  滤波电容  线性化   校准调节  温漂补偿
    ↑        ↑        ↑       ↑        ↑        ↑         ↑
过压限幅  可编程   热敏电阻  聚酯薄膜  函数发生  零点调节  基准稳定

RMS转换模块采用AD637作为核心转换器，这是ADI公司生产的单片真有效值-直流转换器，采用隐式计算技术实现平方-平均-开方运算，能够精确测量任意波形的真有效值。

输入信号调理电路提供高输入阻抗和信号预处理功能。输入级采用精密仪表放大器，输入阻抗大于1MΩ，共模抑制比超过80dB。输入端配置保护网络，包含限流电阻和双向齐纳二极管，防止过压损坏芯片。可选择单端或差分输入模式。

AD637内部采用隐式RMS计算原理。传统的显式方法需要执行平方、积分、开方三个步骤，而AD637采用对数-反对数技术实现隐式计算。输入信号经过对数放大器转换为对数形式，乘以2实现平方运算，然后积分平均，最后通过反对数放大器得到RMS值。

核心计算单元包含精密对数放大器和反对数放大器。对数放大器将输入信号转换为Vlog=K×ln(|Vin|)的形式，其中K为比例常数。平方运算通过将对数值乘以2实现：2×Vlog=2K×ln(|Vin|)=K×ln(Vin²)。这种方法避免了直接平方运算带来的动态范围限制。

积分平均电路实现时间平均功能。对数域的平方信号通过低通滤波器进行时间积分，滤波器时间常数由外部电容CAV决定。积分输出为Vavg=K×ln(Vin²)avg=K×ln(Vrms²)，其中Vrms为输入信号的真有效值。

反对数放大器将积分结果转换回线性域。输出电压Vout=exp(Vavg/K)=exp(ln(Vrms²)/2)=Vrms，直接得到输入信号的真有效值。整个过程通过对数运算巧妙地实现了平方-平均-开方计算。

滤波电容CAV是关键元件，决定测量带宽和纹波性能。大电容提供更好的滤波效果但降低响应速度，小电容响应快但纹波大。CAV通常选择1μF-100μF，需要低介质吸收和高稳定性，推荐聚酯薄膜电容或钽电容。

温度补偿电路改善全温度范围的精度稳定性。AD637内部对数放大器的温度系数是主要误差源，典型值为±100ppm/°C。通过外接温敏电阻网络，可将温度系数改善至±25ppm/°C。温度补偿电阻通常选择热敏电阻或温度系数电阻。

输出缓冲放大器提供低输出阻抗和负载驱动能力。缓冲器采用精密运算放大器，失调电压小于1mV，温漂小于10μV/°C。输出级可驱动2kΩ以上负载，输出电压范围0-输入峰值，线性度优于0.1%。

基准电压电路为对数放大器提供稳定参考。内部基准采用带隙结构，提供温度稳定的偏置电压。基准稳定性直接影响RMS转换精度，长期漂移要求小于100ppm/1000小时。

增益调节电路允许用户设置转换比例。通过调节输入衰减器或输出放大器增益，可实现不同的输入量程。典型配置为1V RMS输入对应1V DC输出，也可配置为其他比例关系。

电源管理电路提供稳定的双电源供电。AD637需要±15V双电源，正电源供给对数放大器和输出级，负电源扩展输入信号范围。电源纹波抑制比要求80dB以上，确保测量精度不受电源干扰影响。

校准电路包含零点校准和满度校准功能。零点校准消除系统失调误差，通过在输入端串联调节电阻实现。满度校准调整转换增益，通过改变反馈电阻值实现。校准精度可达0.1%。

保护电路包含输入过载保护、输出短路保护和热关断保护。输入保护采用限幅二极管将输入信号限制在安全范围内。输出保护采用限流电阻防止短路损坏。芯片内置热关断功能，结温超过175°C时自动关断。

波形处理电路支持多种信号类型的RMS测量。对于高频信号，内置预滤波器限制带宽防止混叠。对于低频信号，加大滤波电容改善低频响应。支持正弦波、方波、三角波、噪声等任意波形的真有效值测量。

1. 电源连接：连接±15V双电源，检查LED1电源指示灯点亮 2. 输入量程设置：通过SW1选择合适的输入RMS电压范围 3. 带宽配置：通过SW2设置测量带宽，平衡精度和响应速度 4. 输入模式选择：根据信号源选择单端或差分输入模式 5. 耦合方式设置：通过JP1选择AC或DC耦合 6. 平均化时间：通过JP3选择平均化电容，设定响应时间 7. 系统校准：使用标准交流源进行零点和满度校准

snippet.c

// RMS计算的数学定义
// RMS = sqrt(1/T * ∫[0,T] x²(t) dt)
// 其中T为积分周期，x(t)为瞬时值
 
// 常见波形的RMS值
typedef struct {
    char name[20];
    float peak_to_rms;    // 峰值到RMS的转换系数
    float avg_to_rms;     // 平均值到RMS的转换系数
} waveform_rms_t;
 
waveform_rms_t waveforms[] = {
    {"正弦波",     0.707,  1.111},    // RMS = Peak/√2
    {"方波",       1.000,  1.000},    // RMS = Peak
    {"三角波",     0.577,  1.155},    // RMS = Peak/√3
    {"锯齿波",     0.577,  1.155},    // RMS = Peak/√3
    {"高斯噪声",   1.000,  -1   }     // 统计平均
};
 
// 波形失真分析
float calculate_crest_factor(float peak_value, float rms_value) {
    // 峰值因数 = 峰值 / RMS值
    return peak_value / rms_value;
}
 
float calculate_form_factor(float rms_value, float avg_value) {
    // 波形因数 = RMS值 / 平均值
    return rms_value / avg_value;
}

snippet.c

// 零点校准
void rms_zero_calibration(void) {
    // 输入端短路或接地
    printf("请将输入端短路\n");
    delay_ms(2000);
 
    // 等待输出稳定
    float settle_time = get_settle_time();
    delay_ms((int)(settle_time * 1000 * 5));  // 等待5个时间常数
 
    // 读取零点输出
    float zero_output = read_rms_output();
    printf("零点输出: %.4f V\n", zero_output);
 
    // 调整零点电位器
    if(fabs(zero_output) > 0.001) {
        printf("调整零点电位器至接近0V\n");
    }
 
    zero_offset = zero_output;
}
 
// 满度校准
void rms_fullscale_calibration(float input_rms) {
    // 输入标准正弦波信号
    printf("请输入%.3f V RMS标准正弦波\n", input_rms);
    delay_ms(2000);
 
    // 等待输出稳定
    float settle_time = get_settle_time();
    delay_ms((int)(settle_time * 1000 * 5));
 
    // 读取输出电压
    float output_voltage = read_rms_output() - zero_offset;
 
    printf("理论输出: %.3f V\n", input_rms);
    printf("实际输出: %.3f V\n", output_voltage);
 
    // 计算校准误差
    float error = (output_voltage - input_rms) / input_rms * 100;
    printf("校准误差: %.2f%%\n", error);
 
    if(fabs(error) > 0.5) {
        printf("调整满度电位器进行校准\n");
    }
}

snippet.c

// 计算平均化时间常数
float calculate_averaging_time(float cap_value, float input_freq) {
    // 时间常数 τ = R × C，其中R为内部电阻约630kΩ
    const float internal_resistance = 630e3;  // 630kΩ
    float time_constant = internal_resistance * cap_value;
 
    // 对于正弦波输入，建议τ > 10/f
    float min_time_constant = 10.0 / input_freq;
 
    printf("电容值: %.1f μF\n", cap_value * 1e6);
    printf("时间常数: %.2f ms\n", time_constant * 1000);
    printf("最小建议值: %.2f ms\n", min_time_constant * 1000);
 
    return time_constant;
}
 
// 选择合适的平均化电容
float select_averaging_cap(float input_freq, float max_ripple_percent) {
    // 根据输入频率和纹波要求选择电容
    const float internal_r = 630e3;
 
    // 时间常数需要满足: τ > 10/(2πf × ripple_factor)
    float ripple_factor = max_ripple_percent / 100.0;
    float required_tau = 10.0 / (2 * 3.14159 * input_freq * ripple_factor);
 
    float required_cap = required_tau / internal_r;
 
    // 选择标准电容值
    float std_caps[] = {1e-6, 10e-6, 47e-6, 100e-6};  // 1μF, 10μF, 47μF, 100μF
 
    for(int i = 0; i < 4; i++) {
        if(std_caps[i] >= required_cap) {
            return std_caps[i];
        }
    }
 
    return 100e-6;  // 默认100μF
}

snippet.c

// 交流电压表应用
typedef struct {
    float input_rms;       // 输入RMS值(V)
    float output_dc;       // 输出DC值(V)
    float crest_factor;    // 峰值因数
    float thd_percent;     // 总谐波失真(%)
} ac_measurement_t;
 
// 测量交流参数
ac_measurement_t measure_ac_signal(void) {
    ac_measurement_t result;
 
    // 读取RMS输出
    result.output_dc = read_rms_output() - zero_offset;
    result.input_rms = result.output_dc;  // 假设1:1转换比
 
    // 测量峰值用于计算峰值因数
    float peak_value = measure_peak_value();
    result.crest_factor = peak_value / result.input_rms;
 
    // 估算THD（基于峰值因数）
    if(result.crest_factor > 1.41 * 1.05) {
        // 峰值因数偏离正弦波理论值，可能存在失真
        result.thd_percent = (result.crest_factor - 1.414) / 1.414 * 100;
    } else {
        result.thd_percent = 0;
    }
 
    return result;
}
 
// 功率测量应用
float calculate_ac_power(float voltage_rms, float current_rms, float power_factor) {
    // 有功功率 P = U × I × cosφ
    float active_power = voltage_rms * current_rms * power_factor;
    return active_power;
}

- 输出不稳定：检查平均化电容，增大电容值改善稳定性 - 低频响应差：确保输入耦合设置正确，检查输入信号幅度 - 精度不足：进行零点满度校准，检查温度补偿设置 - 响应速度慢：减小平均化电容，调整带宽设置 - 高频滚降：检查输入信号带宽，确认在器件规格范围内

1. 交流电压表/万用表

1. 数字式工频有效值多用表（1999年B题）
2. 简易数字电压表（1997年A题）
3. 交流毫伏表（2001年B题）
4. 宽频交流电压表（2015年B题）

2. 功率测量仪器

1. 交流功率测量仪（2003年B题）
2. 三相功率测量装置（2007年B题）
3. 电能质量分析仪（2017年A题）
4. 谐波功率分析仪（2021年B题）

3. 音频分析仪器

1. 音频信号分析仪（2005年A题）
2. 音频功率放大器（2011年B题）
3. 声音信号识别装置（2021年A题）
4. 音频失真度测量仪（2019年A题）

4. 声学测量系统

1. 声音导引系统（2013年A题）
2. 超声波测距仪（2001年A题）
3. 噪声监测装置（2017年B题）
4. 声学参数分析仪（2023年A题）

5. 调制信号分析

1. 调幅广播收音机（1999年A题）
2. FSK调制解调器（2013年A题）
3. 数字调制解调器（2015年A题）
4. 软件无线电系统（2017年A题）

6. 信号质量分析

1. 信号失真度测量仪（2007年B题）
2. 简易频谱分析仪（2011年A题）
3. 矢量信号分析仪（2021年B题）
4. 通信信号检测器（2023年B题）

7. 电源测试设备

1. 开关稳压电源（2003年B题）
2. 三相正弦波变频电源（2005年A题）
3. DC-DC变换器（2011年B题）
4. 直流稳压电源（2019年A题）

8. 电机驱动测试

1. 直流电动机转速控制系统（1997年B题）
2. 三相异步电动机变频调速系统（2007年B题）
3. 无刷直流电机控制器（2017年A题）
4. 电机参数测试仪（2019年A题）

9. 振动测量分析

1. 简易数字式重力加速度测量仪（2007年A题）
2. 微弱信号检测装置（2019年B题）
3. 结构健康监测系统（2021年B题）
4. 机械故障诊断仪（2023年A题）

10. 转速扭矩测量

1. 风力摆控制系统（2017年A题）
2. 电机转矩测量装置（2019年B题）
3. 机械性能测试台（2021年A题）
4. 动平衡测试仪（2023年B题）

11. 环境监测设备

1. 气象数据采集系统（2011年A题）
2. 空气质量监测装置（2019年A题）
3. 环境噪声监测仪（2021年B题）
4. 智能环境监测站（2023年B题）

12. 安全检测系统

1. 漏电保护器测试仪（2015年B题）
2. 电气安全检测仪（2019年B题）
3. 绝缘电阻测试仪（2021年A题）
4. 接地电阻测试仪（2023年A题）

13. 生物信号测量

1. 心率测量仪（2003年B题）
2. 生物医学信号处理装置（2019年A题）
3. 多道生理参数监护仪（2021年B题）
4. 便携式医疗设备（2023年A题）

14. 汽车电子检测

1. 汽车电子控制系统（2017年A题）
2. 发动机参数监测仪（2019年B题）
3. 汽车故障诊断仪（2021年A题）
4. 新能源汽车检测设备（2023年B题）

15. 过程控制测量

1. 智能送药装置（2021年A题）
2. 流量测量控制装置（2017年B题）
3. 工业现场监测系统（2019年A题）
4. 过程参数分析仪（2023年A题）

16. 能源监测系统

1. 太阳能发电监控系统（2019年A题）
2. 风力发电状态监测（2021年B题）
3. 储能系统检测装置（2023年A题）
4. 电动汽车充电检测（2017年B题）

- 真有效值测量：不受波形影响，适合任意波形的精确测量 - 宽频带响应：0.1Hz-1MHz覆盖音频到射频范围 - 高精度转换：±0.2%精度满足精密测量要求 - 宽动态范围：1mV-7V输入范围适应多种信号幅度 - 温度稳定性：±50ppm/°C温漂适合工业环境 - 峰值因数处理：支持1-5峰值因数的失真信号 - 快速响应：可调平均化时间平衡精度和速度

本模块特别适合需要精确交流信号有效值测量的竞赛项目，是交流仪表、功率分析、音频测试、信号质量分析等系统的核心器件。其真有效值测量能力使其成为现代电子测量仪器的重要组成部分。