引言：AD620儀表放大器概述

AD620是一款高性能、低功耗的儀表放大器，由Analog Devices公司生產(chǎn)。它以其出色的精度、低噪聲、低漂移和高共模抑制比（CMRR）而聞名，廣泛應(yīng)用于各種需要精確測(cè)量小差分信號(hào)的場(chǎng)合，如醫(yī)療儀器、工業(yè)過(guò)程控制、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、傳感器接口等。

AD620的核心優(yōu)勢(shì)在于其三運(yùn)放結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)允許它在保持高輸入阻抗的同時(shí)，提供精確且可調(diào)的增益。它的增益由一個(gè)外部電阻（RG）設(shè)置，增益范圍廣，從1到10000。此外，AD620具有非常低的輸入偏置電流和輸入失調(diào)電壓，這使得它能夠精確地放大微弱信號(hào)，而不會(huì)引入顯著的誤差。其優(yōu)異的共模抑制能力意味著它能有效抑制輸入端存在的共模噪聲，只放大差分信號(hào)，這對(duì)于在嘈雜環(huán)境中進(jìn)行精確測(cè)量至關(guān)重要。

然而，需要明確的是，AD620儀表放大器本身并不能直接將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)。它的主要功能是放大差分電壓信號(hào)，無(wú)論是交流還是直流。它是一個(gè)精密放大器，而不是一個(gè)整流器或解調(diào)器。交流到直流（AC-DC）的轉(zhuǎn)換是一個(gè)涉及整流、濾波和穩(wěn)壓的過(guò)程，通常需要專(zhuān)門(mén)的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

AD620的工作原理與信號(hào)放大

要理解AD620為何不能直接進(jìn)行AC-DC轉(zhuǎn)換，我們首先需要深入了解其工作原理。AD620內(nèi)部包含三個(gè)運(yùn)算放大器，這是一種經(jīng)典的儀表放大器配置。

三運(yùn)放結(jié)構(gòu)詳解

AD620的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)由一個(gè)輸入緩沖級(jí)和后接的差分放大級(jí)組成。

1. 輸入緩沖級(jí)（增益級(jí)）： 這一級(jí)由兩個(gè)非反相配置的運(yùn)算放大器（A1和A2）構(gòu)成。這兩個(gè)運(yùn)放的輸入端連接到AD620的差分輸入引腳（IN+和IN-）。在它們之間，通過(guò)一個(gè)外部電阻RG連接。這一級(jí)的關(guān)鍵作用是提供高輸入阻抗，并初步放大差分信號(hào)。

• 高輸入阻抗： 兩個(gè)輸入運(yùn)放是非反相配置，它們的輸入阻抗非常高，這意味著它們從信號(hào)源吸取的電流極小，從而避免了對(duì)信號(hào)源的負(fù)載效應(yīng)，確保了測(cè)量精度。這對(duì)于連接到高阻抗傳感器（如某些生物電極）的應(yīng)用尤其重要。

• 差分信號(hào)放大： 這一級(jí)的輸出電壓與輸入差分電壓成正比，其增益由電阻RG的值決定。當(dāng)RG越大時(shí)，增益越?。划?dāng)RG越小時(shí)，增益越大。具體增益公式為 G=1+RG49.4kΩ。這種設(shè)計(jì)使得差分信號(hào)在輸入端就被有效地放大，同時(shí)抑制了共模信號(hào)。

• 共模抑制： 在這一級(jí)，共模電壓會(huì)同時(shí)作用于兩個(gè)輸入運(yùn)放的同相輸入端，并在其輸出端以相同的幅度出現(xiàn)，因此在差分放大級(jí)中可以被有效消除。這是AD620實(shí)現(xiàn)高共模抑制比的關(guān)鍵。

2. 差分放大級(jí)： 這一級(jí)由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的差分運(yùn)算放大器（A3）構(gòu)成，它接收來(lái)自第一級(jí)兩個(gè)運(yùn)放的輸出信號(hào)。這個(gè)差分放大器將第一級(jí)輸出的差分電壓進(jìn)行進(jìn)一步放大（通常是單位增益或固定增益），并輸出最終的放大信號(hào)。

• 共模消除： 差分放大器天生就具備抑制共模信號(hào)的能力。當(dāng)?shù)谝患?jí)將共模信號(hào)轉(zhuǎn)換為同相信號(hào)時(shí)，差分放大器則會(huì)將其消除，只保留差分信號(hào)的成分。

• 單端輸出： 最終的輸出信號(hào)通常是相對(duì)于參考地（REF引腳）的單端電壓。REF引腳允許用戶(hù)設(shè)置輸出信號(hào)的參考點(diǎn)，這對(duì)于將輸出信號(hào)與ADC或其他電路接口非常有用。

對(duì)交流和直流信號(hào)的放大

AD620對(duì)交流和直流信號(hào)的放大原理是相同的：它只關(guān)注輸入端的電壓差。

• 直流信號(hào)放大： 如果輸入IN+和IN-之間存在一個(gè)恒定的直流電壓差，AD620會(huì)將其放大，并在輸出端產(chǎn)生一個(gè)成比例的直流電壓。例如，如果連接一個(gè)熱電偶，它產(chǎn)生一個(gè)微小的直流電壓，AD620可以精確地將其放大到可測(cè)量的范圍。

• 交流信號(hào)放大： 如果輸入IN+和IN-之間存在一個(gè)隨時(shí)間變化的交流電壓差（例如，一個(gè)正弦波、方波或其他波形），AD620也會(huì)將其放大，并在輸出端產(chǎn)生一個(gè)相同波形但幅度增大了的交流電壓。它不會(huì)改變信號(hào)的頻率或波形形狀，只是將其幅度按設(shè)定的增益放大。例如，如果連接一個(gè)心電圖（ECG）信號(hào)，它本質(zhì)上是一個(gè)微弱的交流信號(hào)，AD620會(huì)將其放大，以便后續(xù)處理和顯示。

關(guān)鍵點(diǎn)在于： AD620的輸出電壓波形與輸入電壓波形是保持一致的，只是幅度不同。如果輸入是交流，輸出也是交流；如果輸入是直流，輸出也是直流。它不包含任何內(nèi)部機(jī)制來(lái)“平滑”交流信號(hào)的波動(dòng)，使其成為一個(gè)恒定的直流電平。

交流-直流（AC-DC）轉(zhuǎn)換的本質(zhì)

交流-直流轉(zhuǎn)換是一個(gè)將周期性變化的交流電壓或電流轉(zhuǎn)換為恒定或平滑的直流電壓或電流的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程通常涉及以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：

1. 整流

整流是AC-DC轉(zhuǎn)換的第一步，也是最核心的一步。它的目的是將交流信號(hào)的負(fù)半周或正半周反轉(zhuǎn)，使其只包含一個(gè)方向的電流分量。常見(jiàn)的整流電路包括：

• 半波整流： 只允許交流信號(hào)的一個(gè)半周通過(guò)，抑制另一個(gè)半周。這會(huì)導(dǎo)致輸出波形具有較大的紋波，效率較低。

• 全波整流： 將交流信號(hào)的兩個(gè)半周都轉(zhuǎn)換為同方向的脈動(dòng)直流。這可以通過(guò)中心抽頭變壓器和兩個(gè)二極管，或者更常見(jiàn)的由四個(gè)二極管組成的橋式整流器來(lái)實(shí)現(xiàn)。全波整流的輸出紋波更小，效率更高。

無(wú)論哪種整流方式，整流后的電壓都不是純粹的直流，而是脈動(dòng)直流，即它的幅度仍然是變化的，只是方向保持不變。

2. 濾波

濾波的目的是平滑整流后的脈動(dòng)直流，使其更接近純直流。最常用的濾波元件是電容器。

• 電容濾波： 當(dāng)整流電壓達(dá)到峰值時(shí)，電容器充電；當(dāng)整流電壓下降時(shí)，電容器放電，為負(fù)載提供電流，從而填補(bǔ)電壓谷值，使得輸出電壓變得更加平滑。電容的容量越大，濾波效果越好，輸出紋波越小。在一些高精度或大功率應(yīng)用中，可能還會(huì)使用LC濾波器（電感和電容組合）來(lái)進(jìn)一步降低紋波。

經(jīng)過(guò)整流和濾波后，輸出電壓雖然接近直流，但通常仍然存在一定的紋波，即小的周期性電壓波動(dòng)。

3. 穩(wěn)壓

穩(wěn)壓的目的是將濾波后的直流電壓穩(wěn)定在一個(gè)恒定值，即使輸入電壓或負(fù)載電流發(fā)生變化。穩(wěn)壓器（如線(xiàn)性穩(wěn)壓器或開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器）能夠有效地消除殘余紋波，并提供一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓。

• 線(xiàn)性穩(wěn)壓器： 通過(guò)串聯(lián)調(diào)整元件（如晶體管）來(lái)控制輸出電壓，其優(yōu)點(diǎn)是輸出紋波低，噪聲小，但效率相對(duì)較低，會(huì)產(chǎn)生熱量。

• 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器： 通過(guò)快速開(kāi)關(guān)電源來(lái)控制輸出電壓，效率高，但可能會(huì)引入高頻噪聲。

總結(jié)一下： AC-DC轉(zhuǎn)換是一個(gè)多階段的復(fù)雜過(guò)程，涉及整流元件（二極管）、儲(chǔ)能元件（電容器）和穩(wěn)壓元件（穩(wěn)壓器）。AD620儀表放大器不具備這些功能，它只是一個(gè)高精度的電壓放大器。

為何AD620不能直接進(jìn)行AC-DC轉(zhuǎn)換

正如前面反復(fù)強(qiáng)調(diào)的，AD620儀表放大器是一個(gè)線(xiàn)性放大器。它的核心功能是忠實(shí)地放大輸入信號(hào)的差分部分。這意味著：

1. 無(wú)整流功能： AD620內(nèi)部沒(méi)有二極管或其他整流元件來(lái)執(zhí)行半波或全波整流。如果輸入一個(gè)交流信號(hào)，它的正半周和負(fù)半周都會(huì)被按比例放大，輸出仍然是一個(gè)完整的交流波形。它不會(huì)“切掉”負(fù)半周或?qū)⑵浞崔D(zhuǎn)。

2. 無(wú)濾波功能： AD620內(nèi)部沒(méi)有大容量電容器或其他濾波網(wǎng)絡(luò)來(lái)平滑輸出信號(hào)的波動(dòng)。如果輸入是一個(gè)交流信號(hào)，即使是微小的波動(dòng)，也會(huì)被放大并體現(xiàn)在輸出端。它不能將脈動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為平滑的直流。

3. 無(wú)穩(wěn)壓功能： AD620的輸出電壓直接取決于其輸入電壓和設(shè)定的增益。它不具備維持恒定輸出電壓的穩(wěn)壓能力。如果輸入交流信號(hào)的幅度發(fā)生變化，輸出交流信號(hào)的幅度也會(huì)相應(yīng)變化。

形象比喻： 想象AD620就像一個(gè)高倍數(shù)的放大鏡。如果你通過(guò)放大鏡看一個(gè)波浪形的水面，你看到的水面仍然是波浪形的，只是波浪更大了。你不會(huì)看到水面變成一個(gè)平靜的平面。AD620也是如此，它放大了波形，但不會(huì)改變波形的性質(zhì)。

AD620在AC-DC測(cè)量中的角色

盡管AD620本身不能將交流轉(zhuǎn)換為直流，但在涉及交流信號(hào)測(cè)量并最終需要得到其直流等效值（如RMS值）的應(yīng)用中，它仍然扮演著重要的角色。在這種情況下，AD620通常是整個(gè)信號(hào)處理鏈中的一個(gè)環(huán)節(jié)，而不是唯一的器件。

應(yīng)用場(chǎng)景舉例：交流信號(hào)的有效值（RMS）測(cè)量

在許多工業(yè)和科學(xué)應(yīng)用中，我們需要測(cè)量交流電壓或電流的有效值（Root Mean Square, RMS）。RMS值是交流信號(hào)的“等效直流值”，它表示交流信號(hào)在阻性負(fù)載上產(chǎn)生相同熱效應(yīng)的直流值。例如，市電電壓220V通常指的是其RMS值。

測(cè)量交流信號(hào)RMS值的典型流程如下：

1. 信號(hào)預(yù)處理與放大（AD620的作用）：

• 首先，交流信號(hào)可能非常微弱或存在共模噪聲。AD620儀表放大器可以在這一階段發(fā)揮關(guān)鍵作用，放大微弱的交流差分信號(hào)，并抑制共模噪聲，提高信噪比。例如，如果我們要測(cè)量一個(gè)傳感器輸出的微小交流電壓，AD620可以將其放大到后續(xù)RMS-DC轉(zhuǎn)換器能夠處理的范圍。

• AD620的低噪聲和高精度確保了放大后的信號(hào)仍然保持其原始的準(zhǔn)確性。

2. RMS-DC轉(zhuǎn)換：

• 放大后的交流信號(hào)接下來(lái)需要通過(guò)一個(gè)專(zhuān)門(mén)的真RMS-DC轉(zhuǎn)換器芯片（如AD637、LTC1968等）。這些芯片內(nèi)部集成了復(fù)雜的模擬電路（如乘法器、平方器、積分器和平方根提取器），能夠計(jì)算交流信號(hào)的真RMS值，并輸出一個(gè)與RMS值成正比的直流電壓。

• 這些真RMS-DC轉(zhuǎn)換器能夠處理各種波形的交流信號(hào)（正弦波、方波、三角波、不規(guī)則波形），并提供準(zhǔn)確的RMS值。

3. 后續(xù)處理：

• 得到的直流電壓可以通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，供微控制器或計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、顯示或存儲(chǔ)。

在這個(gè)流程中，AD620的角色是確保RMS-DC轉(zhuǎn)換器能夠接收到足夠大、足夠干凈的交流信號(hào)。它負(fù)責(zé)“放大”信號(hào)，而不是“轉(zhuǎn)換”信號(hào)的性質(zhì)。

其他間接應(yīng)用：

• 鎖相放大器（Lock-in Amplifier）前端： 在某些需要從噪聲中提取微弱交流信號(hào)的應(yīng)用中，如光譜學(xué)或材料科學(xué)，鎖相放大器是一種強(qiáng)大的工具。鎖相放大器通常需要一個(gè)高增益、低噪聲的前置放大器來(lái)放大輸入信號(hào)，而AD620非常適合這個(gè)角色。鎖相放大器通過(guò)與參考信號(hào)進(jìn)行相敏解調(diào)，可以將交流信號(hào)的特定頻率成分轉(zhuǎn)換為直流電壓。這里，AD620是負(fù)責(zé)信號(hào)放大，解調(diào)部分由鎖相放大器完成。

• 高精度AC電壓/電流采樣： 在一些需要高精度測(cè)量交流電壓或電流的系統(tǒng)中，AD620可以用于放大從電流互感器或電壓互感器獲得的微弱交流信號(hào)，確保信號(hào)足夠強(qiáng)，以便后續(xù)的ADC或?qū)Ｓ脺y(cè)量芯片進(jìn)行數(shù)字化和處理。雖然最終目的是獲取交流參數(shù)，但在某些應(yīng)用中，這些參數(shù)可能需要轉(zhuǎn)換成直流等效量進(jìn)行顯示或控制。

實(shí)現(xiàn)交流-直流轉(zhuǎn)換的典型電路方案

如果需要將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，通常需要以下類(lèi)型的電路組合：

1. 基礎(chǔ)整流濾波電路

這通常是最簡(jiǎn)單的AC-DC轉(zhuǎn)換方案，適用于對(duì)直流電壓平滑度要求不高的場(chǎng)合。

• 變壓器： 如果交流輸入電壓很高，需要先通過(guò)變壓器降壓到適合整流的范圍。

• 整流橋： 由四個(gè)二極管組成，將交流電轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)直流電。

• 濾波電容： 并聯(lián)在整流橋輸出端，用于平滑脈動(dòng)直流電。電容容量越大，輸出紋波越小。

• 負(fù)載： 連接到濾波電容之后，用于消耗直流電能。

這種電路的輸出是含有一定紋波的直流電，其電壓值大約是交流輸入峰值減去二極管壓降。

2. 精密整流電路

對(duì)于小信號(hào)或需要更高精度整流的場(chǎng)合，普通二極管由于其0.7V左右的正向壓降，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)損失和非線(xiàn)性。此時(shí)，可以使用運(yùn)算放大器構(gòu)建精密整流電路。

• 精密半波整流器： 利用一個(gè)運(yùn)算放大器和二極管，可以實(shí)現(xiàn)幾乎零壓降的整流。運(yùn)放通過(guò)反饋路徑消除二極管的壓降。

• 精密全波整流器： 通常由多個(gè)運(yùn)算放大器和二極管構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流信號(hào)的全波精密整流。

這類(lèi)電路主要用于信號(hào)處理，將交流信號(hào)的特定部分（如峰值）轉(zhuǎn)換為直流，而不是提供大功率的DC電源。

3. 真RMS-DC轉(zhuǎn)換器

如前所述，專(zhuān)門(mén)的真RMS-DC轉(zhuǎn)換器芯片是實(shí)現(xiàn)精確AC-DC轉(zhuǎn)換（尤其是非正弦波形）的理想選擇。這些芯片能夠輸出一個(gè)與輸入交流信號(hào)RMS值成正比的直流電壓。

4. 峰值檢波器

峰值檢波器電路能夠檢測(cè)交流信號(hào)的峰值電壓，并將其轉(zhuǎn)換為一個(gè)直流電壓。這通常通過(guò)二極管和電容器的組合實(shí)現(xiàn)，同樣可以使用運(yùn)算放大器來(lái)提高精度。但峰值檢波器輸出的是峰值電壓，而非RMS值，兩者在非正弦波形下差異很大。

5. 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理（DSP）

這是一種現(xiàn)代且靈活的AC-DC轉(zhuǎn)換“概念”，尤其適用于需要精確測(cè)量和分析交流波形的場(chǎng)合。

• 前端信號(hào)調(diào)理（AD620）： 交流信號(hào)首先通過(guò)AD620進(jìn)行放大和共模抑制。

• 模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）： 放大后的交流信號(hào)輸入到高速、高分辨率的ADC，將其數(shù)字化。

• 數(shù)字信號(hào)處理（DSP/MCU）： 數(shù)字化的交流信號(hào)數(shù)據(jù)由微控制器（MCU）或數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）進(jìn)行處理。通過(guò)編程，可以實(shí)現(xiàn)各種算法，如：

• 計(jì)算波形的RMS值。

• 計(jì)算平均值。

• 檢測(cè)峰值。

• 進(jìn)行傅里葉變換以分析頻率成分。

• 等等。

• 最終，這些計(jì)算結(jié)果可以以數(shù)字形式存儲(chǔ)，或者通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）轉(zhuǎn)換回一個(gè)代表該交流特性（如RMS值）的直流電壓。

這種方法提供了極大的靈活性和精度，可以處理復(fù)雜的波形，并提供比純模擬方案更豐富的測(cè)量信息。

結(jié)論

綜上所述，AD620儀表放大器本身并不能將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)。它的核心功能是高精度地放大差分電壓信號(hào)，無(wú)論是交流還是直流，它都會(huì)忠實(shí)地保持信號(hào)的波形。

要實(shí)現(xiàn)交流到直流的轉(zhuǎn)換，必須結(jié)合其他專(zhuān)門(mén)的電子元件或電路，如：

• 二極管和電容（用于整流和濾波）

• 運(yùn)算放大器（用于精密整流和峰值檢波）

• 專(zhuān)用真RMS-DC轉(zhuǎn)換器芯片

• 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理（DSP/MCU）

AD620在涉及交流信號(hào)的測(cè)量和處理中，通常作為前端的高精度信號(hào)放大器和共模抑制器，為后續(xù)的AC-DC轉(zhuǎn)換或信號(hào)分析提供一個(gè)干凈、放大的信號(hào)。它提高了整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度和性能，但其作用是“放大”，而不是“轉(zhuǎn)換”信號(hào)的本質(zhì)。

因此，如果您需要將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，應(yīng)該將AD620視為信號(hào)鏈中的第一步——一個(gè)優(yōu)秀的信號(hào)預(yù)處理器，然后將放大的交流信號(hào)送入專(zhuān)門(mén)的AC-DC轉(zhuǎn)換電路。