真有效值直流转换芯片AD536A在直流点焊微机控制系统中的应用

    摘要：AD536A是美国AD公司推出的一种能够将直流/交流信号快速转换成真有效值输出的集成芯片。直流点焊微机控制系统是直流点焊微机控制箱的核心控制系统。本文简要介绍了AD536A的性能特点、工作原理以及连接方式，并且着重说明了它在直流点焊微机控制系统中作用，同时给出了该系统焊接电流流检测控制回路的原理框图。

    关键词：真有效值转换 直流点焊微机控制系统 恒流闭环回路 AD536A

1 概述

点焊微机控制箱在焊接过程中主要用来实现对点焊机的焊接控制，可广泛用于汽车、飞机制造业及其他行业，其发展趋势是高性能、高可靠性和小型化。笔者在航空飞行器的焊接过程中使用了直流点焊微机控制箱取得了良好的效果。

在电阻点焊中，由于电网电压、工作材料、厚度、表面状况、电缆阻抗、铁磁物质、电极压力等外界因素变化而引起的焊接负载阻抗的变化，将有可能使焊名处稳定的焊接条件遇到破坏，从而影响焊点质量。而以往的直流点焊微机控制箱大都采用开环控制方式， 实际焊接过程中易受外界因素的影响而无法保证焊接电流或电压（焊接电极两端的电压）的恒定，从而使焊机对工件的焊接质量大打折扣，以致于无法满足对航空飞行器焊接的高质量要求。因此笔者研制了一种控制性能更稳定的闭环恒流点焊机控制箱来提高焊接质量。

这种新型的点焊微机控制箱是以AT89C51单片机为核心。通过对大焊接电流进行步恒流控制来提高接电流的控制精度，笔者在关键的交流检测信号-直流有效值的转换时采用了真有效值直流转换芯片AD536A来实现转换，从而省去了复杂冗余长的软件换算过程，这样不仅大大提高了系统的响应速度，同时还降低了研制周期和成本。

AD536A是美国AD公司推出的一种专门用于真的效值-直流转换的单片集成电路。它的性能与混合或模数器件相当甚至更优，但其价格却低得多。AD536A可直接计算出任何包含直流的交流分量的复杂输入波形的真有效值，并将其转换成直流输出信号。AD536A可广泛用于标准正弦波或非周期、非正弦且叠加直流电平的各种噪声及机械传感信号的精确测量。AD536A的基本性能参数如下：

●高精度激光校正的最大误差；

0.2%（AD536AK）

0.5%（AD536AJ）

450kHz带宽时的输出电压有效值大于100mV

2MHz带宽时的输出电压有效值大于1V

误差为±1%时的（信号峰值因素为7）

●有效值输出范围：0～7V；

●对数输出范围：60dB；

●低功耗：1.2mA静态电流；

●采用单路或双路电源供电工作；

●工作温度：-55～+125℃（AD536AS）；

0～+70℃（AD536AJ/k）；

●采用14脚密封陶瓷DIP或TO-100封装。图1所示为14脚DIP封装的引脚排列。

2 工作原理

在有效值的直接计算中，不论是在整个工作范围还是在其它限定范围内，AD536A都能求出有效值方程的隐含解。可通过下列方程进行确切的计算：

Vrms=Avg[V IN 2/Vrms]

AD536A的内部简化原理如图2所示。它包括绝对值电路（Absolute Value）、电流镱（Current Mirror）、平方/除法器（Squarer/Divider）和缓冲放大器（Buffer）四部分。输入的直流或交流电压VIN由绝对值电路的A1、A2转换成单极性电流I1，然后再由I1去驱动平方/除法器。该平方/除法器完成的功能可用下式表示：

I4=I 2 1/I3

其中输出电流I4可通过一个由R1和外接电容Cav构成的低通滤波器来驱动电流镱。如果R1和Cav电路的时间常数与输入信号的最长周期相比足够大的话，I4将被有效地平均。电流镱将反一个电流I3（I3=Avg.I4）给平方/除法器以完成隐含的有效值计算，即：I4=Avg[I2 1/I4]=I1ms

电流镱产生输出电流的值为Iout=2I4。该Iout可以被直流应用，也可以通过R2转换成电压并被A4缓冲以提供一个低阻抗的电压输出。AD536A的转换功能可表示为：Vout=2R2Irms=VINrms

对数输出由Q3的发射极引出，该点的电压与-logVIN成正比。可用射极跟随器Q5来缓冲并平移该电压，因此当外部供给Q5的射极电流（Iref）约等于I3时，其对数输出电压为零。

3 标准连接

在大多数高精度的有效值测量时，AD536A的连接非常简单。只需一个外接电容来设置平均时间常数即可。其标准连接如图3所示。利用该电路可以测出输入的直流或交流信号的有效值。但在输入为低频信号时有误差。当Cav为4μF时，其附加的平衡误差在10Hz时为±0.1%，在3Hz时为±1%。在高频输入时的误差要根据具体情况来定。如果输入不是直流，需在输入端VIN接一个无极电容。如果AD536A的供电电源中含有高频波纹，则可用两个0.1μF瓷片电容分别将正负电源端接地，并且瓷片电容应离AD536A尽量近些。

输入和输出信号范围是由供电电压的性能来决定。如果不连接7脚输出和8脚缓冲，那么可在8脚通过25kΩ电阻获得无缓冲电压输出。缓冲放大器也可用于其它目的。如果不将9脚接，则可在8脚输出端直接获得直流输出。标称刻度的每1V有效值对应40μA的正极性输出。

4 外部调整

要提高AD536A的转换精度，需要对外部电路进行相应地调整。其调整电路如图4所示，其中R4用于调整补偿。应注意的是在补偿调整电路中，9脚上应串联一个365Ω的电阻。在脚1接R1电阻可使比例因素增大1.5%。比例因素校正的范围为±1.5%。调整过程如下：

（1）将1脚VIN接地，调整R4使6脚的输出电压为零。或者当VIN输入为最小时，调整R4使其有相应地输出。

（2）从1脚输入直流或经校准的交流信号（频率最好为1kHz），然后调整R1，使6脚有相应的正确输出。1000V直流输入应有1000V的直流输出。当然一个峰值为±1.000V的正弦波应当有0.707V的直流输出。

外部调整的最大优点是在尽量减小信号宽度范围的情况下优化芯片的性能。AD536A内部调整的有效值输出范围0～7V。

5 供电电源连接

AD536A有单路和双路两种电源供电方式。单路电源供电只能测量交流检测信号，而且对信号范围的限制较多，所以笔者采用了工作更稳定的±+15V双路电源供电方式。图5是AD536A在直流点焊微机控制系统中的具体连接图。

图6所示是这种点焊微机控制箱电流检测控制回路的原理图。由于要控制的焊接电流（即焊接变压器的次级电流i的有效值Irms常常达上万安培，因此无法直接进行检测，所以笔者采用BLF600-S7型电流传感器对焊接变压器的初级电流（小于300A）进行采样，然后将得出的交流检测信号直接送AD536A进行有效值转换，转换后输出的直流电压信号经高速A/D转换后送入CPU进行处理，再将得出的结果与给定电流有效值的差ΔI换算成晶闸管的导通控制角差Δα，并用PI调节算法重新修正控制角α，最后通过晶闸管控制电路改变对晶闸管的导通控制，从而达到有效控制焊接电流的目的。此电路是一个典型的恒流闭环控制回路。由于焊接时各种干扰因素不断影响着焊接电流的变化，因此需要整个控制回路能够实时、快速的对焊接电流进行恒定控制，以保证较高的焊接质量。AD536A为解决这个问题起到了关键作用。通过运用该控制箱的实际工作表明，其焊接电流的有效值在3000A～18000A的范围内能够基本保持恒定，控制精度在3%～5%左右（因工作环境和焊接材料而定），从而保证了飞行器焊接质量标准的设计要求。