Un rilevatore RMS per un voltmetro a banda larga: progettazione e funzionamento

Nel mio progetto precedente, ho dimostrato un voltmetro a banda larga che utilizzava un rilevatore di picco per determinare l'ampiezza massima del segnale. Il rilevatore di picco è adatto per molte misurazioni, tuttavia, per alcune misurazioni, incluso il rumore, è necessario un rilevatore di valore efficace (RMS). Lo schema a blocchi del voltmetro a banda larga con un rilevatore RMS che sostituisce il rilevatore di picco originale è mostrato nella Figura 1.

Prima di immergerci nei circuiti, facciamo un rapido ripasso di matematica. Per generare il valore quadratico medio di un segnale, dobbiamo applicare le parole nel termine da destra a sinistra, il che crea un po' di confusione.

Innanzitutto, eleva al quadrato il segnale (moltiplicalo per se stesso, senza tagliare i picchi!). Quindi calcolare il valore medio (valore medio). La media viene normalmente misurata su almeno un ciclo, ma occasionalmente viene utilizzata una media di mezzo ciclo. Infine, prendi la radice quadrata della tensione ai capi del condensatore.

Matematicamente il calcolo RMS è rappresentato come:

$$V_{rms} = \sqrt{media(V^2)}$$

Sebbene sia possibile realizzare un rilevatore RMS da componenti discreti, sono necessari dispositivi attentamente abbinati e le prestazioni possono spesso essere deludenti. Un circuito integrato (IC) può offrire prestazioni molto migliori, soprattutto se durante la produzione viene applicato il taglio laser. Questo non è un processo a basso costo, quindi tali dispositivi sono più costosi, ad esempio, degli amplificatori operazionali e dei comparatori per uso generale.

AD736 di Analog Devices è un vero convertitore in CI da RMS a CC ed è disponibile in una versione conveniente (AD736J) che fornisce buone prestazioni (e in tre versioni più costose con prestazioni di precisione). Per tutte le versioni, la larghezza di banda utile è limitata a 200 kHz, ma di solito è abbastanza accettabile per misurazioni RMS non effettuate da strumenti specializzati.

Lo schema del circuito del rilevatore RMS è mostrato nella Figura 2 e sostituisce il circuito della Figura 5 del progetto originale del voltmetro a banda larga.

Il rilevatore RMS viene spesso utilizzato per misurare forme d'onda che variano rapidamente in ampiezza, quindi un display digitale non è utilizzabile. La scelta è tra un misuratore a bobina mobile e un grafico a barre LED con una risoluzione di 1 dB o inferiore.

La tecnica utilizzata nell'AD736 e in dispositivi simili produce una risposta ad alta frequenza che varia con il livello del segnale. Nella presente domanda, questo non è un problema serio poiché il livello del segnale applicato al dispositivo può essere mantenuto entro l'intervallo da 316 mV a 1 V, tranne quando il voltmetro è impostato sulla sensibilità massima nell'intervallo di 1 mV.

La Figura 3 mostra le risposte in frequenza a tre livelli di segnale di ingresso. La risposta diminuisce bruscamente al limite della banda.

L'errore nella lettura del contatore a bobina mobile è una caratteristica importante. Varia, ovviamente, con la dimensione del misuratore perché piccole deflessioni sono difficili da leggere su piccola scala. I risultati con lo strumento da me utilizzato, che ha una lunghezza della scala di 110 mm, sono mostrati nella Figura 4.

Naturalmente, anche con questo misuratore piuttosto grande, le deflessioni a -30 dB e -34 dB sono molto piccole e non ci si aspetterebbe di leggere quei livelli in modo accurato.

Uno schema a blocchi semplificato di Analog Devices AD736 è mostrato nella Figura 5.

La Figura 6 fornisce ulteriori dettagli sulla progettazione del circuito di Analog Devices. Il dispositivo utilizza un circuito translineare delineato vicino al centro della Figura 6 ed etichettato "RMS TRANSLINEAR CORE". Il circuito translineare è costituito solo da transistor bipolari (in alcuni casi potrebbe essere utilizzato CMOS) e da generatori di corrente. Non sono presenti componenti passivi.

La scheda tecnica non svela tutti i segreti di Analog Devices, ma possiamo valutare le basi del suo funzionamento. Le operazioni di quadratura e radice quadrata vengono eseguite dal circuito translineare. Per la quadratura, il segnale viene presentato come corrente a una giunzione base-emettitore. La tensione sviluppata ai suoi capi è proporzionale al logaritmo della corrente. Questo è proprio il contrario dell'espressione più familiare secondo cui la corrente è proporzionale all'esponente della tensione: