AD538的原理及應(yīng)用實(shí)例介紹
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1、概 述
AD538是美國ADI公司出品的實(shí)時(shí)模擬計(jì)算器件，能提供精確的模擬乘、除和冪運(yùn)算功能。
AD538結(jié)構(gòu)獨(dú)特、工藝精良。低輸入/輸出偏移電壓和優(yōu)異的線性性能的結(jié)合，使其可在一個(gè)非常寬的輸入動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)進(jìn)行精確的運(yùn)算。激光調(diào)整技術(shù)可使乘/除運(yùn)算誤差控制在輸入幅值的0.25%的范圍之內(nèi)。通常輸出偏移小于或等于100μV。由于器件具有400kHz帶寬，進(jìn)一步加強(qiáng)了實(shí)時(shí)模擬信號(hào)的處理能力。因此，AD538具有其它同類產(chǎn)品所不具備的特殊優(yōu)點(diǎn)，主要有：
●實(shí)時(shí)模擬乘法、除法和冪指數(shù)運(yùn)算;
●在很寬的動(dòng)態(tài)輸入范圍(1000∶1)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)高精度模擬除法運(yùn)算;
●電路中集成了2V或10V幅值參考電壓;
●有電壓和電流兩種輸入方式;
●單片結(jié)構(gòu)，比用標(biāo)準(zhǔn)的元器件組成的電路所需成本低，而可靠性更高;
●誤差低;
AD538的轉(zhuǎn)換函數(shù)為：VOUT=VY·(VZ/VX)m?？梢酝ㄟ^連接特定管腳來實(shí)現(xiàn)特定函數(shù)。單象限乘/除不需另外附加元件。雙象限乘/除可以通過外接電平平移和比例電阻來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于乘法和除法運(yùn)算，可以利用集成芯片上的2V或10V參考電壓選擇合適的比例范圍，也可以通過外接器件和電平來同時(shí)實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算。通過外接一至二個(gè)電阻可以實(shí)現(xiàn)不同的m值(0.2～5)的指數(shù)運(yùn)算。利用芯片上的對(duì)數(shù)比例和輸出部分可以直接實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)比例運(yùn)算。通過多重的算法連接增加了AD538的靈活性，而且從±4.5到±18V的電源范圍內(nèi)允許選擇±5V、±12V和±15V標(biāo)準(zhǔn)電壓作為工作時(shí)的電源電壓。
AD538在-25～+85℃工作溫度范圍內(nèi)應(yīng)用時(shí)，有A和B兩種精度等級(jí);在軍工溫度范圍內(nèi)(-55～+125℃)應(yīng)用時(shí)，精度等級(jí)為S。AD538采用18腳DIP封裝，其管腳圖如圖1所示。
2、AD538的工作原理
2.1 精 度
習(xí)慣上，模擬乘法器和除法器的“精度”(實(shí)際為誤差)都用滿刻度量程的百分?jǐn)?shù)來衡量。因此規(guī)定輸出滿刻度值為10V的乘法器，1%的誤差就意味著在設(shè)計(jì)的輸出范圍之內(nèi)的任意輸出幅值最大誤差為100mV，雖然誤差的這種表示方法便于測(cè)試，、估計(jì)和說明，但當(dāng)乘法器的輸出電壓很低，近似于規(guī)定的誤差界限100mV時(shí)，就會(huì)使用戶為乘法器的精度是否合適感到為難。
AD538的誤差表示不是簡單地把滿刻度的百分?jǐn)?shù)近似為誤差參數(shù)，因此，它更適合滿足在非常寬的動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)用的需要，可以達(dá)到最適合的狀態(tài)。當(dāng)用作乘法器和除法器，且輸入范圍為100∶1(100mV～10V)時(shí)，AD538的誤差不是滿量程的一個(gè)百分?jǐn)?shù)，而是被分成兩種誤差的和：即理想的讀數(shù)的百分?jǐn)?shù)加上一個(gè)固定的輸出偏移誤差。根據(jù)這個(gè)公式，AD538作為一個(gè)乘法器或除法器時(shí)在輸入低于100mV時(shí)，最大誤差為讀入幅值的±500μV±1%。在輸入范圍為100∶1時(shí)，兩種精度等級(jí)的芯片總誤差的一些經(jīng)驗(yàn)計(jì)算值如表1所列，誤差的這種定義公式對(duì)于那些數(shù)字式伏特表的設(shè)計(jì)者用戶來說是更易于理解的(其誤差定義為讀入值的百分?jǐn)?shù)加、減一定的數(shù)值)。
若在更寬的動(dòng)態(tài)范圍里工作，AD538作為乘法器和除法器有更詳細(xì)的誤差計(jì)算方法，誤差可看作三部分的和：(理想的)讀數(shù)的百分?jǐn)?shù)，輸出偏移和VY/VX對(duì)數(shù)比例部分的輸入偏移。從表1可舉一個(gè)這種計(jì)算公式的應(yīng)用例子：當(dāng)AD538的VY=1V,VZ=100mV和VX=10mV時(shí)，最大誤差為讀入幅值的±500μV(1+100mV)/10mV×250μV的±2.0%，或輸入幅值的±250μV±27.5mV的±2.0%。這個(gè)例子說明了在非常低的輸入電平情況下，由于AD538的增益(VY+VZ)/VX的緣故，使得輸入偏移成為實(shí)際誤差的重要部分，不可忽略。
2.2 工作原理
圖2所示為AD538的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，圖3所示為其電路模型。由這兩圖可以看到，Vz和Vx的輸入直接與AD538的輸入對(duì)數(shù)比例放大器相連。這一部分的輸出電壓與(lnVZ-lnVX)成正比。對(duì)數(shù)比例放大器在13腳的輸出可以用下式來表示：
VB="KTln"(Vx/Vx)/q
式中K=1.3806J/K，q=1.60219×10-19C，T是開氏溫度。若對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償，且輸出能調(diào)整到理想電平，對(duì)數(shù)比例結(jié)構(gòu)這部分可以單獨(dú)使用。
一般情況下，對(duì)數(shù)比例部分的輸出應(yīng)直接與第二個(gè)功能--反對(duì)數(shù)部分連接，作為第二個(gè)功能塊的輸入。該功能塊執(zhí)行下式所示的反對(duì)數(shù)算法：
Vo="VY" eVc·q/KT
同對(duì)數(shù)比例部分的電路一樣，用戶也可直接單獨(dú)使用反對(duì)數(shù)部分。當(dāng)使用兩部分時(shí)，第一部分的輸出B腳與第二部分的輸入連接，則AD538運(yùn)算器的轉(zhuǎn)換函數(shù)就可以用下式表示：
VO=VY e[(KT/q)(q/KT)Ln(Vz/Vx)] ;
VB="VC"化簡后為：
VO="VY"(Vz/Vx)
最后，通過外接電阻，可以控制對(duì)數(shù)比例部分輸出的增大或衰減，使Vz/Vx的值增大到它的m次方。不外接任何電阻時(shí)，m為1。AD538的轉(zhuǎn)換函數(shù)的最終表達(dá)式為：
VO="Y" (Vz/VYx)m
這里0.2
當(dāng)AD538被用作模擬除法器時(shí)，VY的輸入可作為一個(gè)合適的比例因子去乘比值VZ/Vx。實(shí)際上，常把VY輸入信號(hào)的對(duì)數(shù)值加到C腳的信號(hào)上(其在對(duì)數(shù)域中)來獲得放大效果。
3.典型應(yīng)用
利用AD538可以進(jìn)行許多模擬計(jì)算，如單象限乘法器、除法器、雙象限除法運(yùn)算和比例對(duì)數(shù)的運(yùn)算，并可進(jìn)行模擬乘方和開方運(yùn)算以及正切值的近似運(yùn)算。以下以比例對(duì)數(shù)的運(yùn)算和反正切值的近似運(yùn)算為例來說明其應(yīng)用。
3.1 比例對(duì)數(shù)運(yùn)算
圖4給出了利用AD538用來計(jì)算兩個(gè)輸入電壓(或電流)比例對(duì)數(shù)的電路結(jié)構(gòu)。B端 的輸出信號(hào)通過兩個(gè)串聯(lián)電阻與輸出放大器的相加節(jié)點(diǎn)相連。90.9Ω金屬膜電阻使溫度系數(shù)為3500ppm/℃的熱敏電阻的溫度系數(shù)降低，等效成溫度系數(shù)為3300ppm/℃、1.09kΩ的電阻。為了把VY從轉(zhuǎn)換函數(shù)中消除，在電路中VY應(yīng)與小于零的電壓相連(本例中為-1.2V)。
電路中5kΩ的電位器用于比例因子的調(diào)整，以得到每10倍程輸出1V的比例。輸出偏移電位器應(yīng)被設(shè)置成在Vx=Vz=1V時(shí)輸出為零。調(diào)整電路在VZ=1mV、VX=1V時(shí)，輸出為3V。
圖4所示的比例對(duì)數(shù)電路在輸入電壓落在3個(gè)量級(jí)的輸入范圍(10mV～10V)內(nèi)時(shí)，在對(duì)數(shù)域能夠獲得±0.5%的精度。這個(gè)誤差不是依據(jù)滿刻度輸出的百分比來衡量的，而是被定義為輸入值的百分比。例如，一個(gè)1V/10量程的比例因子，比例對(duì)數(shù)放大器的輸入有正極方向的1%的誤差，這樣，輸出與理想輸出之間就會(huì)有4.3mV的偏移(即1V/Log10(1.01)=4.3214mV)。負(fù)極方向的1%的輸入誤差有輕微的不同，會(huì)產(chǎn)生4.3648mV的輸出偏移。
3.2 反正切近似
圖5所示的電路是利用AD538取Vz/Vx值的指數(shù)大于1的冪的典型應(yīng)用：用AD538精確地計(jì)算出用X和Y(這里由輸入電壓VZ和Vx代替)定義的角度。精度要求在1°的范圍內(nèi)(輸入范圍在100μV～10V之間)，則AD538的反正切電路比傳統(tǒng)的模擬電路更精確，比大多數(shù)數(shù)字電路更快。直接的反正切運(yùn)算只需少量外加元件。圖5所示電路實(shí)現(xiàn)的傳遞函數(shù)如下：
Vθ=(Vrθf-Vθ)[(VZ)/(Vx)]1.21
用來代替：
θ=Tan-1(Z/X)
該電路中，(Vrθf-Vθ)函數(shù)是把AD538的輸出Vθ和另外采用的參考電壓Vrθf通過一個(gè)外加的運(yùn)算放大器AD547相加得到的。和AD547的100kΩ反饋相連的1μF電容作為網(wǎng)絡(luò)(由Vθ和VY間的放大器形成)的頻率補(bǔ)償。電阻RA(一般為931Ω)用來調(diào)節(jié)指數(shù)因子m。
為了得到更高的反正切精度，外加的電阻R1和R2應(yīng)該匹配。但是，因?yàn)榉蔷€性影響在這里是主要的誤差來源，所以在其他電路中的偏移調(diào)整電路就不再需要。另外，還需要注意的是在輸出接近90°時(shí)會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定性，這是因?yàn)檫@時(shí)的反正切函數(shù)值無窮大，于是AD538的 增益將會(huì)特別高的緣故。
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