Розробка справжнього середньоквадратичного перетворювача постійного струму за допомогою ic ad736

True-RMS або TRMS - це тип перетворювача, який перетворює середньоквадратичне значення в еквівалентне значення постійного струму. У цьому підручнику ми дізнаємося про справжній середньоквадратичний перетворювач постійного струму, як він працює та як методи вимірювання можуть вплинути на відображені результати.

Що таке RMS?

Середньоквадратичне значення - це абревіатура Кореневого середнього квадрата. За визначенням, для змінного електричного струму середньоквадратичне значення еквівалентно постійній напрузі, яка подає однакову кількість потужності в резистор.

Справжнє середньоквадратичне значення IC AD736

IC AD736 має кілька функціональних підрозділів, таких як вхідний підсилювач, повноволновий випрямляч (FWR), середньоквадратичне ядро, вихідний підсилювач та секція зміщення. Вхідний підсилювач побудований з МОП-транзисторами, тому він відповідає за високий опір цієї мікросхеми.

Після вхідного підсилювача є точний повнохвильовий випрямляч, який відповідає за керування середньоквадратичним ядром. Основні середньоквадратичні операції квадратування, усереднення та укорінення в квадраті виконуються в ядрі за допомогою зовнішнього конденсатора усереднення CAV. Зверніть увагу, що без CAV випрямлений вхідний сигнал проходить крізь ядро необробленим.

Нарешті, вихідний підсилювач буферизує вихід із середньоквадратичного ядра і дозволяє додаткову фільтрацію низьких частот виконувати через зовнішній конденсатор CF, який підключений через шлях зворотного зв'язку підсилювача.

Особливості мікросхеми AD736

Особливості ІС наведені нижче
Високий вхідний опір: 10 ^ 12 Ом
Низький вхідний струм зміщення: максимум 25 пА
Висока точність: ± 0,3 мВ ± 0,3% зчитування
Середньоквадратичне перетворення з коефіцієнтами гребеня сигналу до 5
Широкий діапазон джерела живлення: +2,8 В, від -3,2 В до ± 16,5 В
Низька потужність: 200 мкА максимальний струм живлення
Буферна вихідна напруга
Зовнішні обробки не потрібні для заданої точності

Примітка: Зверніть увагу, що функціональна блок-схема, функціональний опис та перелік функцій взяті з таблиці та модифіковані відповідно до потреб.

Справжні середньоквадратичні методи вимірювань постійного струму

Доступні в основному три методи, які DVM використовує для вимірювання змінного струму, вони -

Вимірювання True-RMS
Середнє випрямлене вимірювання
True-RMS вимірювання змінного та постійного струму

Вимірювання True-RMS

True-RMS - це досить поширений і популярний метод вимірювання динамічних сигналів будь-якої форми та розміру. У мультиметрі True-RMS мультиметр обчислює середньоквадратичне значення вхідного сигналу і показує результат. Ось чому це дуже точне порівняння із середнім випрямленим методом вимірювання.

Середнє випрямлене вимірювання

У середньому випрямленому DVM він приймає середнє або середнє значення вхідного сигналу, помножує його на 1,11 і відображає середньоквадратичне значення. Отже, можна сказати, що це середній випрямлений середньоквадратичний мультиметр.

True-RMS вимірювання змінного та постійного струму

Для подолання лазів у мультиметрі True-RMS існує метод вимірювання AC + DC True-RMS. Якщо вам потрібно було виміряти ШІМ-сигнал мультиметром True-RMS, ви прочитаєте неправильне значення. Давайте розберемося в цьому методі з деякими формулами та відео, знайдіть відео в кінці цього уроку.

Розрахунок для True RMS конвертера

Середньоквадратичне значення

Формула для розрахунку середньоквадратичного значення описується як

Якщо ми робимо обчислення, враховуючи

V (t) = Vm Sin (wt) 0

Це зводиться до

Вм / (2) ^1/2

Середнє значення

Формула для розрахунку середнього значення описується як

Якщо ми робимо обчислення, враховуючи

V (t) = Vm Sin (wt) 0

Це зводиться до

2Вм / ᴫ

Приклад розрахунку Перетворювач True RMS в DC

Приклад 1

Якщо ми розглянемо пікову напругу 1В і помістимо її у формулу для розрахунку середньоквадратичної напруги, яка становить, VRMS = Vm / √2 = 1 / √2 =.707V

Тепер розглядаємо пікову до пікової напруги 1 В і поміщаємо її у формулу для розрахунку середньої напруги, яка становить, VAVE = 2VM / π = 2 * 1 / π = 2 / π = 0,637 В

Отже, у неістинному середньоквадратичному DVM значення відкалібрується в коефіцієнт 1,11, що надходить від VRMS / VAVE = 0,707 / 637 = 1,11 В

Приклад 2

Тепер у нас є пік до піку чистої синусоїди змінного струму 5 В, і ми безпосередньо подаємо його на DVM, який має справжні середньоквадратичні можливості, для цього буде розрахунок, VRMS = Vm / √2 = 5 / √2 = 3,535V

Зараз у нас є пік до піку чистої синусоїди змінного струму 5 В, і ми безпосередньо подаємо його на DVM, який є середнім випрямленим DVM, для цього розрахунок буде, VAVE = 2VM / π = 2 * 5 / π = 10 / π = 3.183V

На даний момент значення, яке відображається в середньому DVM, не дорівнює середньоквадратичному DVM, тому виробники жорстко кодують коефіцієнт 1,11 В для компенсації помилки.

Так стає, ХИЛЬ = 3,183 * 1,11 = 3,535В

Отже, з наведених вище формул та прикладів ми можемо довести, що неправдивий середньоквадратичний мультиметр обчислює змінну напругу.

Але це значення є точним лише для чистої форми синусоїди. Отже, ми можемо побачити, що нам потрібні справжні середньоквадратичні DVM, щоб правильно виміряти несинусоїдальну форму сигналу. В іншому випадку ми отримаємо помилку.

Що слід пам’ятати

Перш ніж робити розрахунки для практичного застосування, слід знати деякі факти, щоб зрозуміти точність при вимірюванні середньоквадратичної напруги за допомогою ІС AD736.

Таблиця даних AD736 розповідає про два найважливіші фактори, які слід враховувати, щоб розрахувати відсоток похибки, яку ця ІС створить під час вимірювання середньоквадратичного значення.

Частотна характеристика
Фактор гребеня

Частотна характеристика

Спостерігаючи криві на графіку, ми можемо помітити, що АЧХ не є постійною з амплітудою, але чим менша амплітуда, яку ви вимірюєте на вході IC вашого перетворювача, АЧХ падає, а в нижчих діапазонах вимірювань приблизно на 1 мВ, він раптово падає на кілька кГц.

У таблиці даних наведено деякі цифри щодо цієї теми, які ви можете побачити нижче

Межа для точного вимірювання становить 1%

Отже, ми чітко бачимо, що якщо вхідна напруга становить 1 мВ, а частота - 1 кГц, вона вже досягає позначки додаткової помилки в 1%. Я припускаю, що тепер ви можете зрозуміти інші значення.

ПРИМІТКА: Крива частотної характеристики та таблиця взяті з таблиці даних.

Фактор гребеня

Простіше кажучи, коефіцієнт гребеня - це відношення пікового значення, поділеного на середньоквадратичне значення.

Крест-фактор = VPK / VRMS

Наприклад, якщо розглядати чисту синусоїду з амплітудою

VRMS = 10В

Напруга Пік стає

VPK = VRMS * √2 = 10 * 1,414 = 14,14

Ви можете це чітко побачити з наведеного нижче зображення, взятого з Вікіпедії

Наведена нижче таблиця з таблиці повідомляє нам, що якщо розрахований коефіцієнт вершини становить від 1 до 3, ми можемо розраховувати на додаткову похибку в 0,7%, інакше ми повинні врахувати 2,5% додаткової похибки, що справедливо для сигналу ШІМ.

Схема справжнього середньоквадратичного перетворювача з використанням IC AD736

Наведена нижче схема RMS-перетворювача взята з таблиці та модифікована відповідно до наших потреб.

Потрібні компоненти

Сл	Частини	Тип	Кількість
1	AD736	IC	1
2	100 тис	Резистор	2
3	10 мкФ	Конденсатор	2
4	100 мкФ	Конденсатор	2
5	33 мкФ	Конденсатор	1
6	9В	Акумулятор	1
7	Однокаліберний дріт	Загальний	8
8	Трансформатор	0 - 4,5 В	1
9	Arduino Nano	Загальний	1
10	Макет	Загальний	1

Справжній середньоквадратичний перетворювач в постійний струм - практичні розрахунки та тестування

Для демонстрації використовується наступний пристрій

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

Як показано на схемі, використовується вхідний аттенюатор, який є в основному ланцюгом дільника напруги для ослаблення вхідного сигналу ІС AD736, оскільки повна масштабна вхідна напруга цієї ІС становить 200 мВ МАКС.

Тепер, коли ми зрозуміли деякі основні факти про схему, давайте почнемо розрахунки для практичної схеми.

Середньоквадратичні розрахунки для синусоїди 50 Гц змінного струму

Напруга трансформатора: 5.481 В середньоквадратичне значення, 50 Гц

Значення резистора R1: 50,45 К

Значення резистора R1: 220R

Вхідна напруга трансформатора

Тепер, якщо ми помістимо ці значення в онлайн- калькулятор дільника напруги і обчислимо, ми отримаємо вихідну напругу 0,02355 В АБО 23,55 мВ

Тепер вхід і вихід схеми можна чітко побачити.

З правого боку мультиметр Meco 108B + TRMS показує вхідну напругу. Це вихід ланцюга дільника напруги.

З лівого боку мультиметр Meco 450B + TRMS показує вихідну напругу. Це вихідна напруга від ІС AD736.

Тепер ви можете бачити, що вищезазначений теоретичний розрахунок і результати мультиметра близькі, тому для чистої синусоїди це підтверджує теорію.

Похибка вимірювання в результатах мультиметра зумовлена їх допуском та для демонстрації. Я використовую вхід змінного струму 230 В змінного струму, який з часом змінюється дуже швидко.

Якщо у вас є сумніви, ви можете збільшити зображення і побачити, що мультиметр Meco 108B + TRMS знаходиться в режимі змінного струму, а мультиметр Meco 450B + TRMS - в режимі постійного струму.

На даний момент я не заважав користуватися своїм осцилографом hantek 6022BL, оскільки осцилограф є майже марним і показує шум лише на цих низьких рівнях напруги.

Розрахунки для ШІМ-сигналу

Для демонстрації сигнал ШІМ формується за допомогою Arduino. Напруга плати Arduino становить 4,956 В, а частота майже 1 кГц.

Максимальна напруга плати Arduino: 4,956 В, 989,3 Гц

Значення резистора R1: 50,75 К

Значення резистора R1: 220R

Вхідна напруга на платі Arduino

Тепер помістіть ці значення в онлайн-калькулятор дільника напруги і обчисліть, ми отримаємо вихідну напругу 0,02141 В АБО 21,41 мВ.

Це пікова напруга вхідного ШІМ-сигналу, і щоб знайти середньоквадратичну напругу, нам потрібно просто розділити її на √2, щоб розрахунок став

VRMS = Vm / √2 = 0,02141 / √2 = 0,01514V або 15,14mV

Теоретично мультиметр True-RMS легко зможе обчислити це теоретично розраховане значення, чи не так?

У режимі постійного струму

У режимі змінного струму

Трансформатор на зображенні сидить там і нічого не робить. З цього ви бачите, що я дуже ледача людина.

Отже, в чому проблема?

Перш ніж хтось стрибне і скаже, що ми зробили обчислення неправильно, дозвольте мені сказати вам, що ми зробили обчислення правильно, і проблема в мультиметрах.

У режимі постійного струму мультиметр просто бере середнє значення вхідного сигналу, яке ми можемо розрахувати.

Отже, вхідна напруга становить 0,02141 В, і, щоб отримати середню напругу, вона просто помножує значення на 0,5.

Отже, розрахунок стає, VAVE = 0,02141 * 0,5 = 0,010705V Або 10,70mV

І це те, що ми отримуємо на дисплеї мультиметра.

У режимі змінного струму вхідний конденсатор мультиметра блокує компоненти постійного струму вхідного сигналу, тому розрахунок стає майже однаковим.

Тепер, як ви це чітко бачите, у цій ситуації обидва показники абсолютно помилкові. Отже, ви не можете довіряти дисплею мультиметра. Ось чому існують мультиметри з можливостями True RMS AC + DC, які можуть легко точно виміряти такий тип сигналу. Наприклад, Extech 570A - це мультиметр із функціями True RMS AC + DC.

AD736 є своїм родом IC, який використовується для точного вимірювання цих типів вхідних сигналів. Наведене нижче зображення є доказом теорії.

Тепер ми розрахували середньоквадратичну напругу 15,14 мВ. Але мультиметр показує 15,313 мВ, оскільки ми не враховували коефіцієнт гребеня та частотну характеристику ІС AD736.

Оскільки ми розрахували коефіцієнт гребеня, це 0,7% від розрахункового значення, тому якщо ми обчислюємо, він зводиться до 0,00010598 або 0,10598mV

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

Або

Vout = 15.14 - 0.10598 = 15.0340mV

Отже, значення, яке відображає мультиметр Meco 450B +, явно знаходиться в межах 0,7% помилок

Код Arduino для генерації ШІМ

Я майже забув згадати, що я використовував цей код Arduino для генерації ШІМ-сигналу з 50% робочим циклом.

int OUT_PIN = 2; // квадратна хвиля з 50% робочого циклу void setup () {pinMode (OUT_PIN, OUTPUT); // визначення штифта як вихідного сигналу} void loop () {/ * * якщо ми перетворимо 500 мікросекунд в секунди, отримаємо 0,0005S * тепер, якщо ми помістимо його у формулу F = 1 / T *, ми отримаємо F = 1 / 0.0005 = 2000 * штифт увімкнено на 500 мкС і вимкнено на 500 с, тому * частота стає F = 2000/2 = 1000 Гц або 1 кГц * * / digitalWrite (OUT_PIN, HIGH); delayMicroseconds (500); digitalWrite (OUT_PIN, LOW); delayMicroseconds (500); }

Ви можете дізнатися більше про створення ШІМ за допомогою Arduino тут.

Запобіжні заходи

Схема AD736 True RMS в DC перетворювача на сьогоднішній день є найдорожчою 8-контактною мікросхемою PDIP, з якою я працював.

Після повного знищення одного із застосуванням електростатичного розряду я вжив належних запобіжних заходів і прив’язав себе до землі.

Покращення схеми

Для демонстрації я зробив схему в безпаяній макетній платі, що абсолютно не рекомендується. Ось чому похибка вимірювання збільшується після певного діапазону частот. Ця схема вимагає належного PCB з належною з Тарамі-площиною землі для того, щоб працювати належним чином.

Застосування True RMS в перетворювач постійного струму

Він використовується в

Високоточні вольтметри та мультиметри.
Високоточне несинусоїдальне вимірювання напруги.

Сподіваюся, вам сподобалась ця стаття і ви дізналися з неї щось нове. Якщо у вас є якісь сумніви, ви можете запитати в коментарях нижче або скористатися нашими форумами для детального обговорення.

Детальне відео, що демонструє повний процес розрахунку, наведено нижче.