Un détecteur RMS pour un voltmètre à large bande : conception et fonctionnement

Dans mon projet précédent, j'ai présenté un voltmètre à large bande qui utilisait un détecteur de crête pour déterminer l'amplitude maximale du signal. Le détecteur de crête convient à de nombreuses mesures, cependant, pour certaines mesures, notamment le bruit, un détecteur de valeur efficace (RMS) est nécessaire. Le schéma fonctionnel du voltmètre à large bande avec un détecteur RMS remplaçant le détecteur de crête d'origine est présenté à la figure 1.

Avant de plonger dans les circuits, faisons un petit rappel sur les mathématiques. Pour générer la valeur racine quadratique moyenne d'un signal, nous devons appliquer les mots du terme de droite à gauche, ce qui est un peu déroutant.

Commencez par mettre le signal au carré (multipliez-le par lui-même, sans couper les pics !). Calculez ensuite la valeur moyenne (valeur moyenne). La moyenne est normalement mesurée sur au moins un cycle, mais parfois une moyenne sur un demi-cycle est utilisée. Enfin, prenez la racine carrée de la tension aux bornes du condensateur.

Mathématiquement, le calcul RMS est représenté comme suit :

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

Bien qu'il soit possible de fabriquer un détecteur RMS à partir de composants discrets, des dispositifs soigneusement adaptés sont nécessaires et les performances peuvent souvent être décevantes. Un circuit intégré (IC) peut offrir de bien meilleures performances, en particulier si un découpage au laser est appliqué lors de la fabrication. Il ne s'agit pas d'un processus peu coûteux, de tels dispositifs sont donc plus coûteux que, par exemple, les amplificateurs opérationnels et les comparateurs à usage général.

L'AD736 d'Analog Devices est un véritable circuit intégré convertisseur RMS vers DC et est disponible dans une version abordable (AD736J) qui offre de bonnes performances (et dans trois versions plus coûteuses avec des performances de précision). Pour toutes les versions, la bande passante utile est limitée à 200 kHz, mais cela est généralement tout à fait acceptable pour des mesures RMS non effectuées par des instruments spécialisés.

Le schéma du circuit du détecteur RMS est illustré à la figure 2 et remplace le circuit de la figure 5 du projet original de voltmètre à large bande.

Le détecteur RMS est souvent utilisé pour mesurer des formes d'onde dont l'amplitude varie rapidement, un affichage numérique n'est donc pas utilisable. Le choix se fait entre un compteur à bobine mobile et un graphique à barres LED avec une résolution de 1 dB ou moins.

La technique utilisée dans l'AD736 et les appareils similaires aboutit à une réponse haute fréquence qui varie en fonction du niveau du signal. Dans la présente demande, cela ne constitue pas un problème sérieux car le niveau du signal appliqué au dispositif peut être maintenu dans la plage de 316 mV à 1 V, sauf lorsque le voltmètre est réglé à la sensibilité maximale sur la plage de 1 mV.

La figure 3 montre les réponses en fréquence à trois niveaux de signal d'entrée. La réponse chute assez fortement à la limite de la bande.

L’erreur de lecture du compteur à bobine mobile est une caractéristique importante. Cela varie bien entendu en fonction de la taille du compteur, car les petites déviations sont difficiles à lire à petite échelle. Les résultats avec l'instrument que j'ai utilisé, qui a une échelle de 110 mm, sont présentés dans la figure 4.

Bien sûr, même avec cet appareil de mesure assez grand, les déviations à -30 dB et -34 dB sont très faibles, et on ne s'attendrait pas à lire ces niveaux avec précision.

Un schéma fonctionnel simplifié de l'Analog Devices AD736 est présenté à la figure 5.

La figure 6 fournit des détails supplémentaires sur la conception du circuit d'Analog Devices. L'appareil utilise un circuit translinéaire décrit près du centre de la figure 6 et étiqueté « RMS TRANSLINEAR CORE ». Le circuit translinéaire se compose uniquement de transistors bipolaires (des CMOS pourraient être utilisés dans certains cas) et de sources de courant. Il n'y a pas de composants passifs.

La fiche technique ne divulgue pas tous les secrets d'Analog Devices, mais nous pouvons évaluer les bases de son fonctionnement. Les opérations de quadrature et de racine carrée sont réalisées par le circuit translinéaire. Pour la mise au carré, le signal est présenté comme un courant vers une jonction base-émetteur. La tension développée à ses bornes est proportionnelle au logarithme du courant. C’est juste l’inverse de l’expression plus familière selon laquelle le courant est proportionnel à l’exposant de la tension :