Návrh skutečného převodníku rms na dc pomocí ic ad736

True-RMS nebo TRMS je typ převaděče, který převádí hodnotu RMS na ekvivalentní hodnotu DC. Zde v tomto výukovém programu se dozvíme o skutečném převaděči RMS na DC, o tom, jak funguje a jak mohou metody měření ovlivnit zobrazené výsledky.

Co je RMS?

RMS je zkratka Root Mean Square. Podle definice je pro střídavý elektrický proud hodnota RMS ekvivalentní stejnosměrnému napětí, které vnáší do rezistoru stejné množství energie.

True RMS IC AD736

IC AD736 má několik funkčních podsekcí, jako je vstupní zesilovač, full-wave usměrňovač (FWR), jádro RMS, výstupní zesilovač a zkreslení. Vstupní zesilovač je konstruován s MOSFETy, takže je zodpovědný za vysokou impedanci tohoto IC.

Za vstupním zesilovačem je přesný plnovlnný usměrňovač, který je zodpovědný za řízení jádra RMS. Základní operace RMS kvadratury, průměrování a zakořenění čtverců se provádějí v jádru pomocí externího průměrovacího kondenzátoru CAV. Pamatujte, že bez CAV cestuje usměrněný vstupní signál jádrem nezpracovaný.

Nakonec výstupní zesilovač vyrovnává výstup z jádra RMS a umožňuje provádět volitelnou dolní propust pomocí externího kondenzátoru CF, který je připojen přes cestu zpětné vazby zesilovače.

Vlastnosti IC AD736

Vlastnosti IC jsou uvedeny níže
Vysoká vstupní impedance: 10 ^ 12 Ω
Nízký vstupní zkreslený proud: maximálně 25 pA
Vysoká přesnost: ± 0,3 mV ± 0,3% odečtu
Konverze RMS s činiteli výkyvu signálu až 5
Široký rozsah napájení: +2,8 V, -3,2 V až ± 16,5 V
Nízký výkon: maximální napájecí proud 200 µA
Vyrovnávací napěťový výstup
Pro specifikovanou přesnost nejsou zapotřebí žádné vnější obruby

Poznámka: Vezměte prosím na vědomí, že funkční blokové schéma, popis funkce a seznam funkcí jsou převzaty z datového listu a upraveny podle potřeb.

Pravdivé metody měření RMS na DC

K dispozici jsou hlavně tři metody, které DVM používá k měření střídavého proudu, jsou -

Měření True-RMS
Průměrné usměrněné měření
Měření AC-DC True-RMS

Měření True-RMS

True-RMS je docela běžná a populární metoda pro měření dynamických signálů všech tvarů a velikostí. V multimetru True-RMS multimetr vypočítá hodnotu RMS vstupního signálu a zobrazí výsledek. Proto je to velmi přesné srovnání s průměrnou metodou opraveného měření.

Průměrné usměrněné měření

V průměrném rektifikovaném DVM přebírá průměrnou nebo střední hodnotu vstupního signálu a vynásobí jej 1,11 a zobrazí hodnotu RMS. Můžeme tedy říci, že jde o průměrný usměrněný RMS zobrazovací multimetr.

Měření AC-DC True-RMS

K překonání mezer v multimetru True-RMS existuje metoda měření True-RMS AC + DC. Pokud byste měřili signál PWM pomocí multimetru True-RMS, načtete nesprávnou hodnotu. Pojďme pochopit tuto metodu s některými vzorci a videem, vyhledejte video na konci tohoto kurzu.

Výpočet pro převodník True RMS

Hodnota RMS

Vzorec pro výpočet hodnoty RMS je popsán jako

Pokud provedeme počet uvažováním

V (t) = Vm Sin (wt) 0

To se scvrkává na

Vm / (2) ^1/2

Průměrná hodnota

Vzorec pro výpočet průměrné hodnoty je popsán jako

Pokud provedeme počet uvažováním

V (t) = Vm Sin (wt) 0

To se scvrkává na

2 Vm / ᴫ

Příklad výpočtu True RMS na DC převodník

Příklad 1

Pokud vezmeme v úvahu špičkové napětí 1V a dáme jej do vzorce pro výpočet RMS napětí, které je, VRMS = Vm / √2 = 1 / √2 = 0,707 V.

Nyní uvažujeme špičkové napětí 1 V a vložíme jej do vzorce pro výpočet průměrného napětí, které je, VAVE = 2VM / π = 2 * 1 / π = 2 / π = 0,637V

Proto v nepravém RMS DVM je hodnota kalibrována faktorem 1,11, který pochází z VRMS / VAVE = 0,707 / 637 = 1,11V

Příklad 2

Nyní máme špičkovou čistou sinusovou vlnu střídavého proudu 5 V a přímo ji napájíme do DVM, který má skutečné schopnosti RMS, takže výpočet by byl, VRMS = Vm / √2 = 5 / √2 = 3,535V

Nyní máme špičkovou čistou sinusovou vlnu střídavého proudu 5 V a přímo ji napájíme do DVM, což je průměrný usměrněný DVM, protože výpočet by byl, VAVE = 2VM / π = 2 * 5 / π = 10 / π = 3,183V

V tomto okamžiku se hodnota uvedená v průměrném DVM nerovná hodnotě RMS DVM, takže výrobci pevně kódují faktor 1,11 V, aby kompenzovali chybu.

Tak se stává, VAVE = 3,183 * 1,11 = 3,535V

Z výše uvedených vzorců a příkladů tedy můžeme dokázat, že jak nepravdivý multimetr RMS počítá střídavé napětí.

Ale tato hodnota je přesná pouze pro čistý sinusový průběh. Takže vidíme, že potřebujeme skutečné RMS DVM pro správné měření nesinusového průběhu. V opačném případě se zobrazí chyba.

Na co je třeba pamatovat

Před provedením výpočtů pro praktickou aplikaci je třeba znát některé skutečnosti, aby bylo možné porozumět přesnosti při měření napětí RMS pomocí IC AD736.

Datasheet AD736 hovoří o dvou nejdůležitějších faktorech, které by měly být brány v úvahu při výpočtu procenta chyby, které tento IC způsobí při měření hodnoty RMS, to jsou.

Frekvenční odezva
Crest Factor

Frekvenční odezva

Pozorováním křivek v grafu můžeme pozorovat, že kmitočtová odezva není konstantní s amplitudou, ale čím nižší je amplituda, kterou měříte na vstupu IC převodníku, kmitočtová odezva klesá a v nižších měřících rozsazích kolem 1 mv, najednou klesne o několik kHz.

Datasheet nám poskytuje několik údajů o tomto tématu, které můžete vidět níže

Limit pro přesné měření je 1%

Můžeme tedy jasně vidět, že pokud je vstupní napětí 1 mv a frekvence 1 kHz, dosáhne již 1% dodatečné chybové značky. Předpokládám, že nyní můžete pochopit ostatní hodnoty.

POZNÁMKA: Křivka frekvenční odezvy a tabulka jsou převzaty z datového listu.

Crest Factor

Jednoduše řečeno, činitel výkyvu je poměr hodnoty Peak dělený hodnotou RMS.

Faktor výkyvu = VPK / VRMS

Například pokud vezmeme v úvahu čistou sinusovou vlnu s amplitudou

VRMS = 10V

Peak napětí se stává

VPK = VRMS * √2 = 10 * 1,414 = 14,14

Jasně to vidíte na obrázku níže převzatém z wikipedie

Níže uvedená tabulka z datového listu nám říká, že pokud je vypočítaný činitel výkyvu mezi 1 až 3, můžeme očekávat další chybu 0,7%, jinak musíme vzít v úvahu 2,5% další chyby, což platí pro signál PWM.

Schéma skutečného převaděče RMS pomocí IC AD736

Níže uvedené schéma převaděče RMS je převzato z datového listu a upraveno podle našich potřeb.

Požadované komponenty

Sl. Č	Díly	Typ	Množství
1	AD736	IC	1
2	100 tis	Rezistor	2
3	10uF	Kondenzátor	2
4	100 uF	Kondenzátor	2
5	33uF	Kondenzátor	1
6	9V	baterie	1
7	Single Gauge Wire	Obecný	8
8	Transformátor	0 - 4,5V	1
9	Arduino Nano	Obecný	1
10	Nepájivá deska	Obecný	1

Skutečný převodník RMS na DC - praktické výpočty a testování

K předvedení se používá následující zařízení

Multimetr Meco 108B + TRMS
Multimetr Meco 450B + TRMS
Osciloskop Hantek 6022BE

Jak je znázorněno na schématu, používá se vstupní tlumič, který je v zásadě obvodem děliče napětí pro zeslabení vstupního signálu IC AD736, protože vstupní napětí tohoto IC v plném rozsahu je MAX 200mV.

Nyní, když máme jasné některé základní údaje o obvodu, začněme s výpočty praktického obvodu.

Výpočty RMS pro 50 Hz střídavé sinusové vlny

Napětí transformátoru: 5,481 V RMS, 50 Hz

Hodnota odporu R1: 50,45K

Hodnota odporu R1: 220R

Vstupní napětí transformátoru

Nyní, když dáme tyto hodnoty do online kalkulačky děliče napětí a vypočítáme, dostaneme výstupní napětí 0,02355V NEBO 23,55mV

Nyní lze jasně vidět vstup a výstup obvodu.

Na pravé straně zobrazuje multimetr Meco 108B + TRMS vstupní napětí. To je výstup obvodu děliče napětí.

Na levé straně zobrazuje multimetr Meco 450B + TRMS výstupní napětí. To je výstupní napětí z AD736 IC.

Nyní vidíte, že výše uvedený teoretický výpočet a výsledky multimetru jsou blízké, takže pro čistou sinusovou vlnu to teorii potvrzuje.

Chyba měření u obou výsledků multimetru je způsobena jejich tolerancí a pro demonstraci používám síťový vstup 230V AC, který se časem velmi rychle mění.

Máte-li jakékoli pochybnosti, můžete obrázek přiblížit a zjistit, že multimetr Meco 108B + TRMS je v režimu AC a multimetr Meco 450B + TRMS je v režimu DC.

V tomto okamžiku jsem se neobtěžoval používat svůj osciloskop hantek 6022BL, protože osciloskop je docela zbytečný a zobrazuje hluk pouze při těchto nízkých úrovních napětí.

Výpočty pro signál PWM

Pro demonstraci je signál PWM generován pomocí Arduina. Napětí desky Arduino je 4,956 V a frekvence je téměř 1 kHz.

Max. Napětí desky Arduino: 4,956 V, 989,3 Hz

Hodnota rezistoru R1: 50,75 tis

Hodnota odporu R1: 220R

Vstupní napětí na desce Arduino

Nyní vložte tyto hodnoty do online kalkulačky děliče napětí a vypočítejte, dostaneme výstupní napětí 0,02141V NEBO 21,41mV.

Toto je špičkové napětí vstupního signálu PWM a abychom zjistili napětí RMS, musíme jej jednoduše vydělit √2, aby se výpočet stal

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

Teoreticky bude multimetr True-RMS snadno schopen vypočítat tuto teoreticky vypočítanou hodnotu, že?

V režimu DC

V režimu střídavého proudu

Transformátor na obrázku tam sedí a nedělá nic. S tím můžete vidět, že jsem velmi líný člověk.

V čem je tedy problém?

Než někdo skočí a řekne, že jsme provedli výpočty špatně, řeknu vám, že jsme provedli výpočty správně, a problém je v multimetrech.

V DC režimu multimetr jednoduše vezme průměr vstupního signálu, který můžeme vypočítat.

Takže vstupní napětí je 0,02141V a pro získání průměrného napětí jednoduše vynásobí hodnotu 0,5.

Takže výpočet se stane, VAVE = 0,02141 * 0,5 = 0,010705V nebo 10,70mV

A to je to, co dostáváme na displeji multimetru.

V režimu střídavého proudu blokuje vstupní kondenzátor multimetru stejnosměrné složky vstupního signálu, takže výpočet je téměř stejný.

Jak nyní jasně vidíte, v této situaci jsou obě hodnoty naprosto špatné. Displeji multimetru tedy nemůžete důvěřovat. Proto existují multimetry s funkcí True RMS AC + DC, které mohou snadno přesně měřit tento druh vln. Například extech 570A je multimetr s funkcí True RMS AC + DC.

AD736 je druh IC, který se používá k měření těchto typů vstupních signálů přesně. Níže uvedený obrázek je důkazem teorie.

Nyní jsme vypočítali RMS napětí na 15,14 mV. Ale multimetr ukazuje 15,313 mV, protože jsme nezohlednili činitel výkyvu a frekvenční odezvu IC AD736.

Protože jsme vypočítali činitel výkyvu, je to 0,7% z vypočítané hodnoty, takže pokud uděláme matematiku, scvrkne se na 0,00010598 nebo 0,10598mV

Tak, Vout = 15,14 + 0,10598 = 15,2459 mV

Nebo

Vout = 15,14 - 0,10598 = 15,0340 mV

Hodnota zobrazená multimetrem Meco 450B + je tedy jasně v rozsahu 0,7% chyby

Arduino kód pro generování PWM

Skoro jsem zapomněl zmínit, že jsem použil tento Arduino kód ke generování signálu PWM s 50% pracovním cyklem.

int OUT_PIN = 2; // obdélníková vlna s 50% pracovním cyklem void setup () {pinMode (OUT_PIN, OUTPUT); // definování pinu jako výstupu} void loop () {/ * * pokud převedeme 500 mikrosekund na sekundy, získáme 0,0005S * nyní, pokud to dáme do vzorce F = 1 / T * dostaneme F = 1 / 0,0005 = 2000 * pin je zapnutý pro 500 uS a vypnutý pro 500 nás, takže * frekvence se změní na F = 2000/2 = 1000Hz nebo 1Khz * * / digitalWrite (OUT_PIN, HIGH); delayMicroseconds (500); digitalWrite (OUT_PIN, LOW); delayMicroseconds (500); }

Zde se můžete dozvědět více o generování PWM pomocí Arduina.

Opatření

Převodník IC AD736 True RMS na DC je zdaleka nejdražší 8pinový PDIP IC, se kterým jsem pracoval.

Po úplném zničení jednoho pomocí ESD jsem učinil náležitá opatření a připoutal se k zemi.

Vylepšení obvodu

Pro demonstraci jsem vytvořil obvod v nepájeném nepájivém poli, což se absolutně nedoporučuje. Proto se chyba měření zvyšuje po určitém frekvenčním rozsahu. Tento obvod potřebuje řádný PCB s řádným s tar-rovinou vozovky, aby fungoval správně.

Aplikace převaděče True RMS na DC

Používá se v

Vysoce přesné voltmetry a multimetry.
Vysoce přesné nesinusové měření napětí.

Doufám, že se vám tento článek líbil a dozvěděli jste se z něj něco nového. Máte-li jakékoli pochybnosti, můžete se zeptat v komentářích níže nebo můžete použít naši fóra pro podrobnou diskusi.

Níže je uvedeno podrobné video zobrazující kompletní proces výpočtu.