数字真有效值检波器

    在声学测量仪器中,测试传声器拾取的交变信号经放大、计权后,需要由检波器将交流信号转变为直流信号,送到指示器显示出测量结果,转变出的直流信号可以和交流信号的平均值、峰值或有效值(RMS)相对应,于是就相应有平均值、峰值或有效值检波器。对于波形固定的信号,它的平均值、峰值、有效值保持一定的比例关系,例如对正弦波,它的峰值相当于有效值的2倍,等于平均值的1.57倍。但由于声学测量中往往测量的并非固定波形(如正弦波)信号,而是无规信号,因此选择峰值、平均值还是有效值就很重要,由于有效值反映了声音的功率,因此在声学测量中使用最为广泛,只要未经说明通常均指有效值。在声学测量仪器中,线性度、峰值因数、仪器精度等许多重要指标都取决于检波器,所以真有效值检波器在声学测量仪器中占着举足轻重的作用。

    对真有效值检波器的评价指标主要有线性工作范围、峰值因数容量、准确性、带宽和频响等。线性工作范围指的是在满足有效值转换精度要求下,检波器的最大输出值和最小输出值的差值,该值越大越好。峰值因数(Crest factor)指的是信号的峰值和有效值的比值,不同形式的信号有不同的峰值因数,如方波的峰值因数最小为1,正弦波的峰值因数为2,而持续时间短而周期长的短脉冲信号,它的峰值因数就较大,对于这种高峰值因数信号仍能得到准确测量结果的能力,就是峰值因数容量。1型脉冲声级计中检波器的峰值因数容量要求达到10。准确性反映了检波器输出的有效值和真实值之间的差异,当输入信号的峰值因数不一样时此差异也会不同。当输入信号的频率增加时,检波器的准确性、峰值因数容量会降低,它往往决定了声级计的频率范围。从这几个指标我们可以看出一个好的检波器,它应有非常大的线性工作范围和峰值因数容量,较高的准确性,较宽的带宽。从检波器的工作原理可以分为线性有效值检波器、对数有效值检波器、数字有效值检波器。

    交流信号的有效值可由以下公式表达

    由公式可知,有效值检波器应当首先把输入的瞬时电压平方,然后在一定平均时间内取平均值再开方,再在电表上指示输入信号的均方根值。图1是有效值检波器的原理框图。

    在实际电路中,平方作用往往是用折线去近似抛物线,平均过程由RC网络进行,开平方作用则通过反馈平均电容器上的电压改变抛物线斜率来实现。

    对数有效值(LMS)检波器检波后的直流信号与输入交流信号有效值的对数成正比。对数有效值检波器的原理框图如图2所示。

    输入交流信号ui先进行对数放大,对数放大实际上是利用二极管(通常用三极管的be极)正向电流和电压的指数关系,经负反馈使输出信号的幅度与输入信号幅度的对数成比例。再经2倍放大以实现平方运算,再进行检波取绝对值和积分均方平均,完成对数有效值检波。对数有效值检波可以用运算放大器,三极管等分立元件来实现,也可以使用集成有效值检波器,如AD536,AD637等来实现。图3是AD637的简单工作原理图,它主要由绝对值电路、平方/除法电路、滤波电路和缓冲电路等四部分组成。其原理,性能和分立元件的对数有效值检波器类似,只是它还提供线性有效值检波输出,而且体积小,可靠性高。