Создание преобразователя истинного среднеквадратичного значения в постоянный с использованием микросхемы ad736

True-RMS или TRMS - это тип преобразователя, который преобразует среднеквадратичное значение в эквивалентное значение постоянного тока. Здесь, в этом руководстве, мы узнаем об истинном преобразователе среднеквадратичного значения в постоянный ток, как он работает и как методы измерения могут повлиять на отображаемые результаты.

Что такое RMS?

RMS - это сокращение от Root Mean Square. По определению для переменного электрического тока значение RMS эквивалентно напряжению постоянного тока, которое передает такое же количество мощности на резистор.

True RMS IC AD736

IC AD736 имеет несколько функциональных подразделов, таких как входной усилитель, двухполупериодный выпрямитель (FWR), ядро RMS, выходной усилитель и секция смещения. Входной усилитель построен на полевых МОП-транзисторах, поэтому он отвечает за высокий импеданс этой ИС.

После входного усилителя есть прецизионный двухполупериодный выпрямитель, который отвечает за управление ядром RMS. Основные операции возведения в квадрат, усреднения и извлечения квадратного корня RMS выполняются в сердечнике с помощью внешнего конденсатора усреднения CAV. Обратите внимание, что без CAV выпрямленный входной сигнал проходит через сердечник без обработки.

Наконец, выходной усилитель буферизует выходной сигнал с сердечника RMS и позволяет выполнять дополнительную фильтрацию нижних частот через внешний конденсатор CF, подключенный через тракт обратной связи усилителя.

Особенности микросхемы AD736

Характеристики микросхемы перечислены ниже.
Высокое входное сопротивление: 10 ^ 12 Ом
Низкий входной ток смещения: максимум 25 пА
Высокая точность: ± 0,3 мВ ± 0,3% от показания
Преобразование RMS с пик-факторами сигнала до 5
Широкий диапазон питания: +2,8 В, от −3,2 В до ± 16,5 В
Низкое энергопотребление: максимальный ток питания 200 мкА
Буферизованный выход напряжения
Для достижения указанной точности не требуются внешние триммеры

Примечание. Обратите внимание, что функциональная блок-схема, функциональное описание и список функций взяты из таблицы данных и изменены в соответствии с потребностями.

Методы измерения истинного среднеквадратичного значения и постоянного тока

В основном доступны три метода, которые DVM используют для измерения переменного тока:

Измерение истинного среднеквадратичного значения
Среднее выпрямленное измерение
Измерение истинного среднеквадратичного значения переменного и постоянного тока

Измерение истинного среднеквадратичного значения

True-RMS - довольно распространенный и популярный метод измерения динамических сигналов всех форм и размеров. В мультиметре True-RMS мультиметр вычисляет среднеквадратичное значение входного сигнала и показывает результат. Вот почему это очень точное сравнение со средним выпрямленным методом измерения.

Среднее выпрямленное измерение

В среднем выпрямленном DVM он берет среднее или среднее значение входного сигнала, умножает его на 1,11 и отображает среднеквадратичное значение. Итак, можно сказать, что это мультиметр с дисплеем среднего выпрямленного СКЗ.

Измерение истинного среднеквадратичного значения переменного и постоянного тока

Чтобы преодолеть лазейки в мультиметре True-RMS, существует метод измерения True-RMS AC + DC. Если вам нужно было измерить сигнал ШИМ с помощью мультиметра True-RMS, вы получите неверное значение. Давайте разберемся в этом методе с некоторыми формулами и видео, найдите видео в конце этого урока.

Расчет для конвертера True RMS

Значение RMS

Формула для расчета среднеквадратичного значения описывается как

Если мы сделаем расчет, учитывая

V (t) = Vm Sin (вес) 0

Это сводится к

Вм / (2) ^1/2

Среднее значение

Формула для расчета среднего значения описывается как

Если мы сделаем расчет, учитывая

V (t) = Vm Sin (вес) 0

Это сводится к

2Вм / ᴫ

Пример расчета преобразователя истинного среднеквадратичного значения в постоянный ток

Пример 1

Если мы рассмотрим напряжение от пика до пика 1 В и поместим его в формулу для расчета среднеквадратичного напряжения, которое составляет, VRMS = Vm / √2 = 1 / √2 = 0,707 В

Теперь рассмотрим размах напряжения 1 В и поместим его в формулу для расчета среднего напряжения, которое

VAVE = 2VM / π = 2 * 1 / π = 2 / π = 0,637V

Следовательно, в DVM с неверным среднеквадратичным значением значение откалибровано с коэффициентом 1,11, который исходит из VRMS / VAVE = 0,707 / 637 = 1,11 В.

Пример 2

Теперь у нас есть размах чистой синусоидальной волны переменного тока 5 В, и мы напрямую подаем ее на цифровой вольтметр, имеющий истинные возможности RMS, для этого расчет будет таким:

VRMS = Vm / √2 = 5 / √2 = 3,535 В

Теперь у нас есть размах чистой синусоидальной волны переменного тока 5 В, и мы напрямую подаем ее на цифровой вольтметр, который является средним выпрямленным DVM, для этого расчет будет таким:

VAVE = 2VM / π = 2 * 5 / π = 10 / π = 3,183V

На этом этапе значение, показанное в среднем DVM, не равно RMS DVM, поэтому производители жестко кодируют коэффициент 1,11 В для компенсации ошибки.

Так становится, VAVE = 3,183 * 1,11 = 3,535 В

Итак, из приведенных выше формул и примеров мы можем доказать, что мультиметр с неверным среднеквадратичным значением вычисляет напряжение переменного тока.

Но это значение верно только для синусоидального сигнала. Таким образом, мы видим, что нам нужны цифровые вольтметры с истинным среднеквадратичным значением для правильного измерения несинусоидальной формы волны. В противном случае мы получим ошибку.

Что нужно помнить

Перед выполнением расчетов для практического применения необходимо знать некоторые факты, чтобы понять точность измерения среднеквадратичных напряжений с помощью микросхемы AD736.

В техническом описании AD736 рассказывается о двух наиболее важных факторах, которые следует принимать во внимание для расчета процента ошибок, которые эта микросхема будет производить при измерении среднеквадратичного значения.

Частотный отклик
Крест-фактор

Частотный отклик

Наблюдая за кривыми на графике, мы можем заметить, что частотная характеристика не постоянна с амплитудой, но чем ниже амплитуда, которую вы измеряете на входе вашего преобразователя IC, частотная характеристика падает, а в нижних диапазонах измерения примерно на 1 мВ, он внезапно падает на несколько кГц.

Таблица дает нам некоторые цифры по этой теме, которые вы можете увидеть ниже.

Предел точности измерения - 1%.

Итак, мы можем ясно видеть, что если входное напряжение составляет 1 мВ, а частота равна 1 кГц, оно уже достигает отметки дополнительной ошибки 1%. Полагаю, теперь вы можете понять остальные ценности.

ПРИМЕЧАНИЕ. Кривая частотной характеристики и таблица взяты из таблицы данных.

Крест-фактор

Проще говоря, пик-фактор - это отношение пикового значения к среднеквадратичному значению.

Крест-фактор = VPK / VRMS

Например, если мы рассматриваем чистую синусоидальную волну с амплитудой

VRMS = 10 В

Напряжение Пик становится

ВПК = VRMS * √2 = 10 * 1,414 = 14,14

Вы можете ясно видеть, что на изображении ниже, взятом из Википедии

Приведенная ниже таблица из таблицы данных говорит нам, что если рассчитанный коэффициент амплитуды составляет от 1 до 3, мы можем ожидать дополнительной ошибки 0,7%, иначе мы должны учитывать 2,5% дополнительной ошибки, что верно для сигнала ШИМ.

Схема преобразователя истинных среднеквадратичных значений на микросхеме AD736

Приведенная ниже схема преобразователя RMS взята из таблицы данных и изменена в соответствии с нашими потребностями.

Необходимые компоненты

Sl.No	Запчасти	Тип	Количество
1	AD736	IC	1
2	100 тыс.	Резистор	2
3	10 мкФ	Конденсатор	2
4	100 мкФ	Конденсатор	2
5	33 мкФ	Конденсатор	1
6	9В	Аккумулятор	1
7	Проволока одного калибра	Универсальный	8
8	Трансформатор	0 - 4,5 В	1
9	Ардуино Нано	Универсальный	1
10	Макетная плата	Универсальный	1

Преобразователь истинного среднеквадратичного значения в постоянный ток - практические расчеты и испытания

Для демонстрации используется следующая аппаратура.

Мультиметр Meco 108B + TRMS
Мультиметр Meco 450B + TRMS
Осциллограф Hantek 6022BE

Как показано на схеме, используется входной аттенюатор, который по сути представляет собой схему делителя напряжения для ослабления входного сигнала микросхемы AD736, поскольку полное входное напряжение этой микросхемы составляет 200 мВ МАКС.

Теперь, когда мы прояснили некоторые основные факты о схеме, давайте приступим к расчетам для практической схемы.

Расчет RMS для синусоидального сигнала переменного тока 50 Гц

Напряжение трансформатора: 5,481 В RMS, 50 Гц

Номинальное значение резистора R1: 50,45 кОм

Номинал резистора R1: 220R

Входное напряжение трансформатора

Теперь, если мы поместим эти значения в онлайн- калькулятор делителя напряжения и вычислим, мы получим выходное напряжение 0,02355 В ИЛИ 23,55 мВ.

Теперь можно отчетливо увидеть вход и выход схемы.

Справа мультиметр Meco 108B + TRMS показывает входное напряжение. Это выход схемы делителя напряжения.

С левой стороны мультиметр Meco 450B + TRMS показывает выходное напряжение. Это выходное напряжение микросхемы AD736.

Теперь вы можете видеть, что приведенный выше теоретический расчет и результаты обоих мультиметров близки, поэтому для чистой синусоидальной волны это подтверждает теорию.

Погрешность измерений обоих результатов мультиметра связана с их допусками, и для демонстрации я использую вход сети 230 В переменного тока, который очень быстро меняется со временем.

Если у вас есть сомнения, вы можете увеличить изображение и увидеть, что мультиметр Meco 108B + TRMS находится в режиме переменного тока, а мультиметр Meco 450B + TRMS находится в режиме постоянного тока.

На этом этапе я не стал использовать свой осциллограф hantek 6022BL, потому что осциллограф в значительной степени бесполезен и показывает шум только при таких низких уровнях напряжения.

Расчеты для сигнала ШИМ

Для демонстрации сигнал ШИМ генерируется с помощью Arduino. Напряжение платы Arduino составляет 4,956 В, а частота - почти 1 кГц.

Максимальное напряжение платы Arduino: 4,956 В, 989,3 Гц

Номинальное значение резистора R1: 50,75 кОм

Номинал резистора R1: 220R

Входное напряжение на плате Arduino

Теперь поместите эти значения в онлайн-калькулятор делителя напряжения и рассчитайте, мы получим выходное напряжение 0,02141 В ИЛИ 21,41 мВ.

Это пиковое напряжение входного ШИМ-сигнала, и чтобы найти среднеквадратичное значение напряжения, нам нужно просто разделить его на √2, чтобы расчет стал

VRMS = Vm / √2 = 0,02141 / √2 = 0,01514 В или 15,14 мВ

Теоретически мультиметр True-RMS легко сможет вычислить это теоретически рассчитанное значение, верно?

В режиме постоянного тока

В режиме переменного тока

Трансформатор на изображении сидит и ничего не делает. Из этого видно, что я очень ленивый человек.

Так в чем проблема?

Прежде чем кто-нибудь подскочит и скажет, что мы неправильно сделали расчеты, позвольте мне сказать вам, что мы выполнили расчеты правильно, и проблема в мультиметрах.

В режиме постоянного тока мультиметр просто берет среднее значение входного сигнала, которое мы можем вычислить.

Итак, входное напряжение составляет 0,02141 В, и чтобы получить среднее значение напряжения, оно просто умножает значение на 0,5.

Таким образом, расчет становится, VAVE = 0,02141 * 0,5 = 0,010705 В или 10,70 мВ

И это то, что мы получаем на дисплее мультиметра.

В режиме переменного тока входной конденсатор мультиметра блокирует составляющие постоянного тока входного сигнала, поэтому расчет практически не отличается.

Теперь, как вы можете ясно видеть, в этой ситуации оба показания абсолютно неверны. Значит, дисплею мультиметра доверять нельзя. Вот почему существуют мультиметры с возможностями True RMS AC + DC, которые могут легко точно измерять такие формы сигналов. Например, extech 570A - это мультиметр с функциями True RMS AC + DC.

AD736 является своим родом IC, который используется для точного измерения этих типов входных сигналов. Изображение ниже является доказательством теории.

Теперь мы рассчитали, что среднеквадратичное значение напряжения составляет 15,14 мВ. Но мультиметр показывает 15,313 мВ, потому что мы не учли пик-фактор и частотную характеристику микросхемы AD736.

Поскольку мы рассчитали коэффициент амплитуды, он составляет 0,7% от расчетного значения, поэтому, если мы сделаем математические вычисления, он упадет до 0,00010598 или 0,10598 мВ.

Так, Vвых = 15,14 + 0,10598 = 15,2459 мВ

Или же

Vout = 15,14 - 0,10598 = 15,0340 мВ

Таким образом, значение, отображаемое мультиметром Meco 450B +, явно находится в пределах диапазона ошибок 0,7%.

Код Arduino для генерации ШИМ

Я чуть не забыл упомянуть, что использовал этот код Arduino для генерации сигнала ШИМ с рабочим циклом 50%.

int OUT_PIN = 2; // прямоугольная волна с коэффициентом заполнения 50% void setup () {pinMode (OUT_PIN, OUTPUT); // определяем вывод как выход} void loop () {/ * * если мы конвертируем 500 микросекунд в секунды, мы получим 0,0005S * теперь, если мы поместим это в формулу F = 1 / T *, мы получим F = 1 / 0,0005 = 2000 * контакт включен для 500 мкс и выключен для 500 мкс, поэтому * частота становится F = 2000/2 = 1000 Гц или 1 кГц * * / digitalWrite (OUT_PIN, HIGH); delayMicroseconds (500); digitalWrite (OUT_PIN, LOW); delayMicroseconds (500); }

Вы можете узнать больше о генерации ШИМ с помощью Arduino здесь.

Меры предосторожности

ИС преобразователя истинного среднеквадратичного значения в постоянный ток AD736 - безусловно, самая дорогая 8-контактная ИС PDIP, с которой мне приходилось работать.

После полного уничтожения одного с помощью электростатического разряда я принял необходимые меры и привязал себя к земле.

Улучшения схемы

Для демонстрации я сделал схему на макетной плате без пайки, что категорически не рекомендуется. Поэтому погрешность измерения увеличивается после определенного диапазона частот. Эта схема требует надлежащего PCB с надлежащей с Тарами-плоскостью земли для того, чтобы работать должным образом.

Применение преобразователя True RMS в постоянный ток

Он используется в

Вольтметры и мультиметры высокой точности.
Измерение несинусоидального напряжения с высокой точностью.

Надеюсь, вам понравилась эта статья и вы узнали из нее что-то новое. Если у вас есть сомнения, вы можете задать вопрос в комментариях ниже или воспользоваться нашим форумом для подробного обсуждения.

Подробное видео, показывающее полный процесс расчета, приведено ниже.