Um Detector RMS para um Voltímetro de Banda Larga – Projeto e Operação

Em meu projeto anterior, demonstrei um voltímetro de banda larga que usava um detector de pico para determinar a amplitude máxima do sinal. O detector de pico é adequado para muitas medições, no entanto, para algumas medições, incluindo ruído, é necessário um detector de raiz quadrada média (RMS). O diagrama de blocos do voltímetro de banda larga com um detector RMS substituindo o detector de pico original é mostrado na Figura 1.

Antes de mergulharmos nos circuitos, vamos relembrar rapidamente a matemática. Para gerar o valor Root-Mean-Square de um sinal, precisamos aplicar as palavras do termo da direita para a esquerda, o que é um pouco confuso.

Primeiro, eleve o sinal ao quadrado (multiplique-o por si mesmo, não corte os picos!). Em seguida, calcule o valor médio (valor médio). A média é normalmente medida ao longo de pelo menos um ciclo, mas ocasionalmente é utilizada uma média de meio ciclo. Finalmente, calcule a raiz quadrada da tensão no capacitor.

Matematicamente, o cálculo RMS é representado como:

$$V_{rms} = \sqrt{média(V^2)}$$

Embora seja possível fazer um detector RMS a partir de componentes discretos, são necessários dispositivos cuidadosamente combinados e o desempenho muitas vezes pode ser decepcionante. Um circuito integrado (IC pode oferecer desempenho muito melhor, especialmente se o corte a laser for aplicado durante a fabricação. Este não é um processo de baixo custo, portanto, tais dispositivos são mais caros do que, digamos, amplificadores operacionais e comparadores de uso geral.

O Analog Devices AD736 é um verdadeiro conversor IC RMS para DC e está disponível em uma versão acessível (AD736J) que oferece bom desempenho (e em três versões mais caras com desempenho de precisão). Para todas as versões, a largura de banda útil é limitada a 200 kHz, mas isso geralmente é bastante aceitável para medições RMS não feitas por instrumentos especializados.

O esquema do circuito detector RMS é mostrado na Figura 2 e substitui o circuito da Figura 5 do projeto original do voltímetro de banda larga.

O detector RMS é frequentemente usado para medir formas de onda que variam rapidamente em amplitude, portanto, um display digital não é utilizável. A escolha é entre um medidor de bobina móvel e um gráfico de barras de LED com resolução de 1 dB ou menor.

A técnica usada no AD736 e dispositivos similares resulta em uma resposta de alta frequência que varia com o nível do sinal. No presente pedido, isto não é um problema sério porque o nível do sinal aplicado ao dispositivo pode ser mantido dentro da faixa de 316 mV a 1 V, exceto quando o voltímetro está ajustado para sensibilidade máxima na faixa de 1 mV.

A Figura 3 mostra as respostas de frequência em três níveis de sinal de entrada. A resposta cai bastante no limite da banda.

O erro na leitura do medidor de bobina móvel é uma característica importante. Varia, é claro, com o tamanho do medidor porque pequenas deflexões são difíceis de ler em pequena escala. Os resultados com o instrumento que utilizei, que possui escala de 110 mm de comprimento, são mostrados na Figura 4.

É claro que, mesmo com este medidor bastante grande, as deflexões em -30 dB e -34 dB são muito pequenas, e não se esperaria ler esses níveis com precisão.

Um diagrama de blocos simplificado dos Dispositivos Analógicos AD736 é mostrado na Figura 5.

A Figura 6 fornece detalhes adicionais do projeto do circuito dos Dispositivos Analógicos. O dispositivo usa um circuito translinear delineado próximo ao centro da Figura 6 e denominado 'RMS TRANSLINEAR CORE. O circuito translinear consiste apenas em transistores bipolares (CMOS pode ser usado em alguns casos) e fontes de corrente. Não há componentes passivos.

A ficha técnica não divulga todos os segredos da Analog Devices, mas podemos avaliar o básico de seu funcionamento. As operações de quadratura e raiz quadrada são realizadas pelo circuito translinear. Para quadratura, o sinal é apresentado como uma corrente para uma junção base-emissor. A tensão desenvolvida através dele é proporcional ao logaritmo da corrente. Isto é apenas o inverso da expressão mais familiar de que a corrente é proporcional ao expoente da tensão: