Designe en ægte rms til dc konverter ved hjælp af ic ad736

En True-RMS eller TRMS er en type konverter, der konverterer RMS-værdi til ækvivalent DC-værdi. Her i denne vejledning lærer vi om ægte RMS til DC-konverter, hvordan det fungerer, og hvordan målemetoder kan påvirke de viste resultater.

Hvad er RMS?

RMS er en forkortelse af Root Mean Square. Per definition svarer RMS-værdien til vekselstrøm til en jævnstrømsspænding, der sætter den samme mængde strøm i en modstand.

Ægte RMS IC AD736

IC AD736 har få funktionelle underafsnit som inputforstærker, fuldbølge-ensretter (FWR), RMS-kerne, outputforstærker og bias-sektion. Inputforstærkeren er konstrueret med MOSFET'er, så den er ansvarlig for denne IC's høje impedans.

Efter inputforstærkeren er der en præcisions fuldbølge-ensretter, som er ansvarlig for at drive RMS-kernen. De væsentligste RMS-operationer med kvadrering, middelværdi og kvadratrod udføres i kernen ved hjælp af en ekstern middelkondensator CAV. Vær opmærksom på at uden CAV bevæger det rettede indgangssignal ubehandlet gennem kernen.

Endelig buffrer en udgangsforstærker udgangen fra RMS-kernen og tillader valgfri lavpasfiltrering, der skal udføres via den eksterne kondensator CF, som er forbundet over forstærkerens feedbackvej.

Funktioner i IC AD736

IC'ens funktioner er angivet nedenfor
Høj indgangsimpedans: 10 ^ 12 Ω
Lav indgangsstrøm: maksimum 25 pA
Høj nøjagtighed: ± 0,3 mV ± 0,3% af aflæsningen
RMS konvertering med signal crest faktorer op til 5
Bredt strømforsyningsområde: +2,8 V, -3,2 V til ± 16,5 V
Lav effekt: 200 µA maksimal forsyningsstrøm
Buffer spændingsoutput
Ingen eksterne trimmer er nødvendige for specificeret nøjagtighed

Bemærk: Bemærk, at det funktionelle blokdiagram, den funktionelle beskrivelse og funktionslisten er taget fra databladet og ændret efter behov.

Ægte RMS til DC-målemetoder

Der er hovedsageligt tre metoder til rådighed, som DVM bruger til at måle AC, de er-

True-RMS-måling
Gennemsnitlig rettet måling
True-RMS AC + DC måling

True-RMS-måling

True-RMS er en ret almindelig og populær metode til at måle dynamiske signaler i alle former og størrelser. I et True-RMS multimeter beregner multimeteret RMS-værdien for indgangssignalet og viser resultatet. Det er derfor, det er en meget nøjagtig sammenligning med en gennemsnitlig rettet målemetode.

Gennemsnitlig rettet måling

I en gennemsnitlig rettet DVM tager det gennemsnittet eller middelværdien af indgangssignalet og ganger det med 1,11 og viser RMS-værdien. Så vi kan sige, at det er et gennemsnitligt rettet RMS-display- multimeter.

True-RMS AC + DC måling

For at overvinde smuthullene i et True-RMS multimeter findes der True-RMS AC + DC målemetoden. Hvis du skulle måle et PWM-signal med et True-RMS multimeter, vil du læse den forkerte værdi. Lad os forstå denne metode med nogle formler og video, find videoen i slutningen af denne vejledning.

Beregning for True RMS-konverter

RMS-værdien

Formlen til beregning af RMS-værdi er beskrevet som

Hvis vi foretager beregningen ved at overveje

V (t) = Vm Sin (wt) 0

Dette koger ned til

Vm / (2) ^1/2

Den gennemsnitlige værdi

Formlen til beregning af gennemsnitsværdien er beskrevet som

Hvis vi foretager beregningen ved at overveje

V (t) = Vm Sin (wt) 0

Dette koger ned til

2Vm / ᴫ

Eksempel på beregning Ægte RMS til DC-konverter

Eksempel 1

Hvis vi overvejer spændingen fra top til top på 1V og sætter den i formlen til beregning af RMS-spænding, som er, VRMS = Vm / √2 = 1 / √2 =.707V

Overvejer nu en top til top spænding på 1V og sætter den i formlen for at beregne gennemsnitsspænding, som er, VAVE = 2VM / π = 2 * 1 / π = 2 / π = 0,637V

Derfor, i en ikke-sand RMS DVM, kalibreres værdien med en faktor på 1,11, der kommer fra VRMS / VAVE = 0,707 / 637 = 1,11V

Eksempel 2

Nu har vi en peak to peak ren AC sinusbølge på 5V, og vi tilfører den direkte til en DVM, der har ægte RMS-muligheder, for at beregningen ville være, VRMS = Vm / √2 = 5 / √2 = 3.535V

Nu har vi en peak to peak ren AC sinusbølge på 5V, og vi tilfører den direkte til en DVM, som er en gennemsnitlig rettet DVM, for at beregningen ville være, VAVE = 2VM / π = 2 * 5 / π = 10 / π = 3.183V

Nu på dette tidspunkt er værdien vist i den gennemsnitlige DVM ikke lig med RMS DVM, så producenterne koder 1.11V- faktoren for at kompensere for fejlen.

Så det bliver, VAVE = 3.183 * 1.11 = 3.535V

Så fra ovenstående formler og eksempler kan vi bevise, at hvordan et ikke-sandt RMS-multimeter beregner vekselstrøm.

Men denne værdi er kun nøjagtig for ren sinusform. Så vi kan se, at vi har brug for en ægte RMS DVM'er til korrekt at måle en ikke-sinusformet bølgeform. Ellers får vi en fejl.

Ting at huske på

Før du foretager beregningerne til den praktiske anvendelse, skal der kendes nogle fakta for at forstå nøjagtigheden, mens de måler RMS-spændinger ved hjælp af AD736 IC.

Dataarket for AD736 fortæller om de to vigtigste faktorer, der skal tages i betragtning for at beregne den procentdel af fejl, som denne IC producerer, mens de måler RMS-værdi.

Frekvensrespons
Crest Factor

Frekvensrespons

Ved at observere kurverne på grafen kan vi observere, at frekvensresponset ikke er konstant med amplitude, men jo lavere amplitude du måler i indgangen til din konverter IC, falder frekvensresponset og i de nedre måleområder på omkring 1mv, det falder pludselig et par kHz.

Dataarket giver os nogle tal om dette emne, som du kan se nedenfor

Grænsen for nøjagtig måling er 1%

Så vi kan tydeligt se, at hvis indgangsspændingen er 1mv, og frekvensen er 1 kHz, når den allerede 1% ekstra fejlmærke. Jeg antager, at du nu kan forstå hvileværdierne.

BEMÆRK: Frekvensresponskurven og tabellen er taget fra databladet.

Crest Factor

Enkelt sagt er kamfaktoren forholdet mellem Peak-værdien divideret med RMS-værdien.

Crest-Factor = VPK / VRMS

For eksempel, hvis vi betragter en ren sinusbølge med en amplitude på

VRMS = 10V

Den Peak spænding bliver

VPK = VRMS * √2 = 10 * 1,414 = 14,14

Du kan tydeligt se det fra nedenstående billede taget fra wikipedia

Tabellen nedenfor fra databladet fortæller os, at hvis den beregnede kamfaktor er mellem 1 og 3, kan vi forvente en yderligere fejl på 0,7%, ellers skal vi overveje 2,5% af den ekstra fejl, hvilket er sandt for et PWM-signal.

Skematisk for ægte RMS-konverter ved hjælp af IC AD736

Nedenstående skema for RMS-konverteren er taget fra databladet og ændret i henhold til vores behov.

Komponenter, der kræves

Sl. Nr	Dele	Type	Antal
1	AD736	IC	1
2	100K	Modstand	2
3	10 uF	Kondensator	2
4	100 uF	Kondensator	2
5	33uF	Kondensator	1
6	9V	Batteri	1
7	Single Gauge Wire	Generisk	8
8	Transformer	0 - 4,5V	1
9	Arduino Nano	Generisk	1
10	Brødbræt	Generisk	1

Ægte RMS til DC-konverter - Praktiske beregninger og test

Til demonstrationen anvendes følgende apparat

Meco 108B + TRMS multimeter
Meco 450B + TRMS multimeter
Hantek 6022BE oscilloskop

Som vist i skemaet anvendes en indgangsdæmper, der grundlæggende er et spændingsdelerkredsløb til at dæmpe indgangssignalet på AD736 IC, det skyldes, at fuldskalaindgangsspændingen på denne IC er 200mV MAX.

Nu hvor vi har klare nogle grundlæggende fakta om kredsløbet, lad os begynde beregningerne for det praktiske kredsløb.

RMS-beregninger for 50Hz AC sinusbølge

Transformerspænding: 5,481V RMS, 50Hz

Værdi af modstand R1: 50,45K

Værdi af modstand R1: 220R

Transformerens indgangsspænding

Hvis vi nu sætter disse værdier i en online spændingsdelerberegner og beregner, får vi udgangsspændingen på 0,02355V ELLER 23,55mV

Nu kan input og output fra kredsløbet ses tydeligt.

På højre side viser Meco 108B + TRMS multimeter indgangsspændingen. Det er output fra spændingsdelerkredsløbet.

På venstre side viser Meco 450B + TRMS multimeter udgangsspændingen. Det er udgangsspændingen fra AD736 IC.

Nu kan du se, at ovenstående teoretiske beregning og begge multimeterresultaterne er tætte, så for en ren sinusbølge bekræfter det teorien.

Målefejlen i begge multimeterresultater skyldes deres tolerance, og til demonstration bruger jeg lysnets 230V AC-indgang, som ændrer sig meget hurtigt med tiden.

Hvis du er i tvivl, kan du zoome ind på billedet og se, at Meco 108B + TRMS multimeter er i AC-tilstand, og Meco 450B + TRMS multimeter er i DC-tilstand.

På dette tidspunkt gider jeg ikke at bruge mit hantek 6022BL oscilloskop, fordi oscilloskopet er stort set ubrugeligt og viser kun støj ved disse lave spændingsniveauer.

Beregninger for PWM-signal

Til demonstration genereres et PWM-signal ved hjælp af en Arduino. Spændingen på Arduino-kortet er 4.956V, og frekvensen er næsten 1 kHz.

Max Arduino Board spænding: 4.956V, 989.3Hz

Værdi af modstand R1: 50,75K

Værdi af modstand R1: 220R

Indgangsspænding på Arduino-kortet

Sæt nu disse værdier i en online spændingsdelerberegner og beregne, vi får udgangsspændingen på 0,02141V ELLER 21,41mV.

Dette er spidsen af det indgående PWM-signal, og for at finde RMS-spændingen skal vi blot dele den med √2, så beregningen bliver

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

I teorien vil et True-RMS multimeter let være i stand til at beregne denne teoretisk beregnede værdi, ikke?

I DC-tilstand

I AC-tilstand

Transformeren på billedet sidder der og gør ingenting. Med det kan du se, at jeg er en meget doven person.

Så hvad er problemet?

Inden nogen springer og siger, at vi har gjort beregningerne forkert, lad mig fortælle dig, at vi har foretaget beregningerne rigtigt, og problemet ligger i multimeterne.

I DC-tilstand tager multimeteret simpelthen gennemsnittet af det indgangssignal, som vi kan beregne.

Så indgangsspændingen er 0,02141V, og for at få den gennemsnitlige spænding multiplicerer den simpelthen værdien med 0,5.

Så beregningen bliver, VAVE = 0,02141 * 0,5 = 0,010705V Eller 10,70mV

Og det er hvad vi får i multimeter-skærmen.

I AC-tilstand blokerer multimeterets indgangskondensator DC-komponenterne i indgangssignalet, så beregningen bliver stort set den samme.

Som du tydeligt kan se, er begge aflæsninger i denne situation helt forkerte. Så du kan ikke stole på multimeterskærmen. Derfor findes der multimetre med True RMS AC + DC- funktioner, der let kan måle denne form for bølgeformer nøjagtigt. For eksempel er extech 570A et multimeter med True RMS AC + DC-kapaciteter.

Den AD736 er en slags IC, der anvendes til at måle disse typer af indgangssignaler nøjagtigt. Billedet nedenfor er bevis for teorien.

Nu har vi beregnet RMS-spændingen til at være 15,14mV. Men multimeteret viser 15.313mV, fordi vi ikke overvejede crestfaktoren og frekvensresponset for AD736 IC.

Da vi har beregnet kamfaktoren, er den 0,7% af den beregnede værdi, så hvis vi laver matematikken, koger den ned til 0,00010598 eller 0,10598mV

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

Eller

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

Så værdien, der vises af Meco 450B + multimeter, ligger klart inden for 0,7% fejlområdet

Arduino-kode til PWM-generation

Jeg glemte næsten at nævne, at jeg har brugt denne Arduino-kode til at generere PWM-signalet med 50% driftscyklus.

int OUT_PIN = 2; // firkantet bølge ud med 50% duty cycle ugyldig opsætning () {pinMode (OUT_PIN, OUTPUT); // definerer pin som output} ugyldig loop () {/ * * hvis vi konverterer 500 mikrosekunder til sekunder, får vi 0.0005S * nu, hvis vi sætter det i formlen F = 1 / T *, får vi F = 1 / 0,0005 = 2000 * stiften er tændt for 500 us og slukket for 500 os, så * frekvensen bliver F = 2000/2 = 1000Hz eller 1 Khz * * / digitalWrite (OUT_PIN, HIGH); forsinkelseMikrosekunder (500); digitalWrite (OUT_PIN, LOW); forsinkelseMikrosekunder (500); }

Du kan lære mere om at generere PWM med Arduino her.

Forholdsregler

AD736 True RMS til DC-konverter IC er langt den dyreste 8-PIN PDIP IC, som jeg har arbejdet med.

Efter fuldstændig ødelæggelse af en med ESD tog jeg passende forholdsregler og spændte mig fast på jorden.

Forbedringer af kredsløb

Til demonstrationen har jeg lavet kredsløbet i et loddet brødbræt, som absolut ikke anbefales. Derfor stiger målefejlen efter et bestemt frekvensområde. Dette kredsløb har brug for et ordentligt printkort med det rette s tjærejordplan for at fungere korrekt.

Anvendelser af True RMS til DC-konverter

Det bruges i

Højpræcisions voltmetre og multimetre.
Ikke-sinusformet spændingsmåling med høj præcision.

Jeg håber, du kunne lide denne artikel og lærte noget nyt ud af den. Hvis du er i tvivl, kan du spørge i kommentarerne nedenfor eller bruge vores fora til detaljeret diskussion.

Nedenfor vises en detaljeret video, der viser den komplette beregningsproces.