简介这份资料是《电子设计应用》2003年第5期的技术文章聚焦真有效值转换器LTC1966的原理与应用面向从事电子测量、仪器仪表开发的工程师及电子类专业师生。内容从真有效值数字电压表的基本原理切入讲解交流电压有效值的定义与“平方—取平均—开平方”运算思路进而剖析LTC1966采用的D-S调制器技术说明其如何通过二阶积分器、极性转换开关与低通滤波器完成TRMS/DC转换并给出差分与单端典型应用电路以及由LTC1966与ICL7136构成的5量程3½位真有效值数字电压表设计涵盖200mV至700V量程、高阻抗分压与基准电压设置等细节。资源包为1个PDF文件约80KB篇幅精炼便于快速查阅原理框图、引脚功能与电路参数。目前已有2491人学习下载适合需要掌握真有效值测量方案、进行多量程数字电压表选型与电路设计的读者参考。1. 真有效值转换器 LTC1966 的原理与应用从 RMS 定义到 5 量程数字电压表万用表测交流电压十有八九测的是“平均值”然后按正弦波系数折算成有效值。一旦波形不是纯正弦——可控硅调光、变频器输出、开关电源纹波——读数就偏得离谱。真有效值TRMS转换器就是来解决这个问题的它按定义做“平方→取平均→开平方”不管波形长什么样读数都对。LTC1966 是凌特公司 2002 年推出的一款 TRMS/DC 转换器采用全新的 D-S 调制技术50Hz~1kHz 误差只有 0.25%线性度优于 0.02%单电源 2.7V~5.5V 就能跑。这篇笔记拆的是它从原理到多量程数字电压表的完整落地路径适合做手持表、面板表、电力监测模块的硬件工程师。2. LTC1966 内部原理D-S 调制器怎么替代对数-反对数2.1 从有效值定义到“平方-平均-开方”电路交流电压有效值的定义式是U_RMS sqrt( (1/T) * ∫ u²(t) dt )离散近似就是先平方、再取平均、最后开方。传统 RMS/DC 芯片比如 AD636、AD736走的是对数-反对数路线先取对数再做乘法/除法最后反对数还原。这条路精度可以做高但外围元件多、温漂难控、动态范围受对数电路限制。LTC1966 换了一条路。它内部用 D-S 调制器完成除法运算再用极性转换开关做乘法直接算出 (U_IN)²/U_OUT然后靠外部平均电容 C_AVE 取平均最终输出正比于有效值的直流电压。整个信号链没有对数环节所以线性度天然好校准也简单——这也是它敢标 0.02% 线性度的底气。2.2 D-S 调制器与极性转换开关的配合逻辑D-S 调制器由二阶积分器和求和电路构成本质上是一个一位输出的除法器。它产生的一位输出信号其平均占空比与输入信号 U_IN 和反馈信号 U_OUT 的比值成正比Duty ∝ U_IN / U_OUT极性转换开关相当于乘法器对 U_IN 和 D-S 调制器的一位输出做乘法得到 (U_IN)²/U_OUT。这个电压送到 U_OUT 引脚经 C_AVE 滤波后就是平均值。整个环路稳定后U_OUT 就等于 U_IN 的有效值。这里的关键参数是 C_AVE。它和内部电阻 r 一起构成低通滤波器决定平均时间常数。C_AVE 选小了输出纹波大选大了响应慢。数据手册给的典型值是 1μF但实际选值要看输入频率下限。2.3 引脚功能与供电配置LTC1966 是 MSOP-8 封装引脚不多但每个都有讲究引脚名称功能说明1GND地2U_IN1差分输入 13U_IN2差分输入 24U_SS负电源单电源时接地5U_OUT电压输出外接 C_AVE 到 COM6COM输出返回端一般接地7U_DD正电源2.7V~5.5V8EN使能控制低电平有效供电很灵活单电源 2.7V~5.5V或者双电源最大 ±5.5V。单电源时 U_SS 接地双电源时接负轨。EN 脚拉低芯片工作拉高进入关断状态静态电流大幅下降——做电池供电的仪表时这个脚一定要用起来。注意COM 脚在 ACDC 输入情况下U_OUT 与 COM 之间会不平衡这时 COM 要对地接一个小电阻否则输出会偏。3. 典型应用电路差分输入与单端输入怎么选3.1 差分输入电路与隔直电容取值图 2a 是差分输入方式交流信号峰峰值不超过 1V5V 单电源供电C_C 是隔直电容。差分输入的好处是能抑制共模干扰适合信号源和测量系统不共地的场景。隔直电容 C_C 的取值和输入信号频率有关。它和输入阻抗构成高通截止频率要低于最低工作频率。LTC1966 的差分输入阻抗不是恒定的它随输入电压变化所以 C_C 不能简单按固定电阻算。常见做法是最低频率 50Hz 时C_C 取 1μF 以上如果要做 10Hz 以下的低频测量C_C 得加到 10μF 甚至更大而且要用薄膜电容电解电容的漏电流会带来直流误差。# 差分输入隔直电容估算经验公式 # f_c 1 / (2 * pi * R_in * C_C) # LTC1966 差分输入等效阻抗约 50kΩ典型值随输入变化 # 要求 f_c 最低工作频率 / 10 # 例最低频率 50Hzf_c 取 5Hz # C_C 1 / (2 * 3.14 * 50e3 * 5) ≈ 0.64μF取 1μF上面这段估算只是给个起点。实际调试时用信号源从最低频率开始扫看输出是否随频率下降而明显偏低——如果偏低就是 C_C 不够大。3.2 单端输入与关断控制接法图 2b 是单端输入方式2.7V 单电源供电EN 脚直接接 CMOS 电路输出。单端输入适合信号源和测量系统共地的场景电路更简单但共模抑制能力不如差分。单端接法时U_IN2 通过电容接地U_IN1 接信号。EN 脚接 CMOS 输出低电平工作时芯片正常转换高电平时进入关断。关断状态下U_OUT 引脚呈高阻后级 A/D 如果直接接在这里要注意输入阻抗匹配。提示单电源 2.7V 供电时输入信号峰峰值不能超过电源电压范围否则内部保护二极管会导通导致读数非线性。如果信号幅度可能超限前面要加限幅电路。3.3 平均电容 C_AVE 的选型与布局C_AVE 是 LTC1966 外围最关键的元件。它接在 U_OUT 和 COM 之间和内部电阻一起决定平均时间常数。选型要点必须用薄膜电容聚酯电容就行不能用电解电容。电解电容的介质吸收和漏电流会直接变成输出误差。典型值 1μF但输入频率越低C_AVE 要越大。50Hz 时 1μF 够用10Hz 时建议 4.7μF 以上。布局上 C_AVE 要尽量靠近 U_OUT 和 COM 引脚走线短而粗减少寄生电感。# C_AVE 与输出纹波、响应时间的关系经验值 # 输出纹波 V_ripple ≈ I_ripple / (2 * pi * f_in * C_AVE) # 响应时间 t_response ≈ 5 * R_internal * C_AVE # R_internal 约 20kΩ典型值 # 例C_AVE 1μFt_response ≈ 5 * 20e3 * 1e-6 0.1s # 如果要求响应时间小于 50msC_AVE 要降到 0.47μF 以下响应时间和纹波是一对矛盾。做手持表时响应太快读数跳太慢用户等得着急。我一般先按 0.1s 响应时间选 C_AVE再根据实际纹波微调。4. 5 量程 3 1/2 位真有效值数字电压表从分压器到 A/D4.1 高阻抗分压器与量程切换图 3 的电路用 LTC1966 加 ICL7136 构成 5 量程 3 1/2 位数字电压表量程分别是 200mV、2V、20V、200V、700V。分压器由精密电阻 R1~R5 组成总阻值 10MΩ保证输入阻抗足够高不加载被测电路。S1 是量程开关输入电压先被衰减到 200mV 以下再经限流电阻 R6 送到 LTC1966 的第 2 脚。VD1、VD2 是双向限幅保护二极管防止输入过压打坏芯片。分压电阻的精度直接决定整机精度。200mV 基本量程不经过分压直接进 LTC1966其他量程靠电阻分压比来定。R1~R5 要用精密电阻温漂要匹配否则不同量程的读数会不一致。量程分压比分压后电压备注200mV1:1200mV基本量程不分压2V10:1200mVR1/R2 分压20V100:1200mVR1/R3 分压200V1000:1200mVR1/R4 分压700V3500:1200mVR1/R5 分压4.2 ICL7136 基准与 A/D 接口ICL7136 是微功耗 3 1/2 位 A/D 转换器LTC1966 的输出直接加到它的模拟输入端。ICL7136 用外基准ICL8069 提供 1.2V 基准电压源通过 R8 和 RP 分压后得到 U_REF 100.0mV基本量程就是 200mV。RP 是可调电阻用来校准基准。校准步骤输入一个已知的 200mV 交流信号比如用标准源输出 200mV 有效值调 RP 使显示为 200.0mV。基本量程校准好后其他量程靠分压电阻的精度保证。# ICL7136 基准校准流程 # 1. 量程开关打到 200mV # 2. 输入端接标准交流源输出 200.0mV RMS频率 50Hz # 3. 调 RP使 ICL7136 显示 200.0 # 4. 换 2V 量程输入 2.000V RMS看显示是否为 2.000 # 5. 如果偏差大检查 R1/R2 分压比4.3 电源与关断控制整机用 9V 叠层电池供电C4 是电源滤波电容。LTC1966 的 U_DD 接 5VU_SS 接地单电源工作。ICL7136 也接同一路电源。S2 是测量/备用模式选择开关。常态下 S2 闭合LTC1966 的 EN 脚拉低芯片正常工作。断开 S2 时EN 脚被拉高LTC1966 进入关断状态功耗大幅下降。做手持表时这个开关就是“省电键”——不测量时拨到备用电池能多撑很久。注意LTC1966 关断后U_OUT 引脚呈高阻ICL7136 的输入会悬空。如果 ICL7136 没有内部下拉显示会乱跳。常见做法是在 U_OUT 对地接一个高阻电阻比如 1MΩ给 A/D 输入一个确定的电位。5. 避坑与排查LTC1966 实战中容易翻车的五个点5.1 读数随频率下降而偏低现象输入信号幅度不变频率从 1kHz 降到 50Hz读数慢慢往下掉。原因隔直电容 C_C 或平均电容 C_AVE 取值不够。C_C 太小低频时容抗增大信号被衰减C_AVE 太小低频时平均不充分输出纹波大A/D 采样到的是纹波峰值而不是平均值。解决按最低工作频率重新算 C_C 和 C_AVE。50Hz 时 C_C 至少 1μFC_AVE 至少 1μF10Hz 时 C_C 加到 10μFC_AVE 加到 4.7μF。换薄膜电容别用电解。5.2 小信号读数跳变现象输入 10mV 以下时读数不稳定末位跳好几个字。原因LTC1966 的输出纹波在低输入时相对占比大加上 ICL7136 的输入失调和噪声导致末位跳动。解决增大 C_AVE 降低纹波或者在 LTC1966 输出和 ICL7136 输入之间加一级 RC 低通。RC 截止频率取 1Hz 左右电阻 100kΩ、电容 1μF 就行。但注意 RC 会引入额外响应延迟。5.3 双电源供电时输出偏置现象双电源 ±5V 供电输入短路时输出不是 0V而是几十毫伏。原因COM 脚处理不当。双电源时 COM 一般接地但 U_OUT 和 COM 之间的不平衡电流会在外部电阻上产生压降。解决COM 脚对地接一个小电阻比如 100Ω给不平衡电流一个泄放路径。同时检查 U_SS 是否确实接了负轨虚焊会导致内部参考偏移。5.4 关断后显示乱跳现象S2 断开进入备用模式ICL7136 显示乱跳或显示“1”。原因LTC1966 关断后 U_OUT 高阻ICL7136 输入悬空采到的是噪声。解决在 U_OUT 对地接 1MΩ 电阻给 A/D 输入确定电位。或者用 S2 同时切换 ICL7136 的输入关断时把 A/D 输入短接到地。5.5 分压电阻温漂导致量程不一致现象200mV 量程校准好了2V 和 20V 量程读数偏 1% 以上。原因R1~R5 的温漂不匹配或者电阻精度不够。分压比靠电阻比值保证单个电阻的绝对误差会被比值抵消但温漂不会。解决用同一批次、同一温漂系数的精密电阻。如果要求高用电阻网络比如 Vishay 的 MPM 系列比值温漂能做到 5ppm/°C 以内。校准的时候每个量程单独校别只校基本量程。6. 进阶技巧用 LTC1966 做 ACDC 测量与校准LTC1966 有一个容易被忽略的能力它能测 ACDC 混合信号的真有效值。普通 AC 耦合的真有效值转换器隔直电容把直流分量滤掉了测出来只是交流部分的有效值。但 LTC1966 的差分输入可以配置成 DC 耦合直接测 ACDC 的总有效值。具体做法去掉输入端的隔直电容U_IN1 和 U_IN2 直接接信号两端。这时 LTC1966 测的是 (U_AC² U_DC²) 的平方根。做电源纹波测量、电池内阻测试时这个模式很有用——纹波和直流偏置一起测不用分开算。校准方面LTC1966 的校准比对数型 RMS 芯片简单得多。因为线性度好基本量程校准一个点就行其他量程靠分压电阻保证。我一般用 Fluke 5500A 或者国产的标准源输出 50Hz 和 1kHz 两个频率点分别校准。如果两个频率点校准结果差得多说明 C_AVE 或 C_C 的频率特性有问题得回去查电容。# ACDC 测量模式配置 # 1. 去掉输入隔直电容 C_C # 2. U_IN1 接信号正端U_IN2 接信号负端或地 # 3. 确认输入共模范围在 U_SS 到 U_DD 之间 # 4. 输出读数即为 ACDC 总有效值 # 5. 如需分离 AC 分量另做一路 AC 耦合测量用 sqrt(总² - DC²) 算最后说一个血泪教训C_AVE 的布局比选值还重要。我早期做的一块板子C_AVE 离芯片 5mm走线细长结果输出纹波比手册标称值大了一倍。后来把 C_AVE 挪到紧贴 U_OUT 和 COM 引脚纹波立刻降下来。从那以后我每次画 LTC1966 的板子C_AVE 都强制放在芯片旁边 2mm 以内走线能多短就多短。希望帮到你。本文还有配套的精品资源点击获取