Σχεδιασμός ενός πραγματικού μετατροπέα rms σε dc χρησιμοποιώντας ic ad736

Ένα True-RMS ή TRMS είναι ένας τύπος μετατροπέα που μετατρέπει την τιμή RMS σε ισοδύναμη τιμή DC. Εδώ σε αυτό το σεμινάριο, θα μάθουμε για τον πραγματικό μετατροπέα RMS σε DC, πώς λειτουργεί και πώς οι μέθοδοι μέτρησης μπορούν να επηρεάσουν τα εμφανιζόμενα αποτελέσματα.

Τι είναι το RMS;

Το RMS είναι η συντομογραφία του Root Mean Square. Εξ ορισμού, για εναλλασσόμενο ηλεκτρικό ρεύμα, η τιμή RMS είναι ισοδύναμη με τάση DC που βάζει την ίδια ποσότητα ισχύος σε μια αντίσταση.

True RMS IC AD736

Το IC AD736 έχει λίγες λειτουργικές υποενότητες όπως ο ενισχυτής εισόδου, ο ανορθωτής πλήρους κύματος (FWR), ο πυρήνας RMS, ο ενισχυτής εξόδου και η μεροληψία. Ο ενισχυτής εισόδου είναι κατασκευασμένος με MOSFET, οπότε είναι υπεύθυνος για την υψηλή αντίσταση αυτού του IC.

Μετά τον ενισχυτή εισόδου, υπάρχει ένας ανορθωτής πλήρους κύματος ακριβείας ο οποίος είναι υπεύθυνος για την οδήγηση του πυρήνα RMS. Οι βασικές λειτουργίες RMS του τετραγώνου, του μέσου όρου και της τετραγωνικής ριζοβολίας εκτελούνται στον πυρήνα με τη βοήθεια ενός εξωτερικού μέσου όρου πυκνωτή CAV. Λάβετε υπόψη ότι χωρίς CAV, το διορθωμένο σήμα εισόδου διασχίζει τον πυρήνα χωρίς επεξεργασία.

Τέλος, ένας ενισχυτής εξόδου ρυθμίζει την έξοδο από τον πυρήνα RMS και επιτρέπει τη διενέργεια προαιρετικού φιλτραρίσματος χαμηλής διέλευσης μέσω του εξωτερικού πυκνωτή CF, ο οποίος συνδέεται κατά μήκος της διαδρομής ανάδρασης του ενισχυτή.

Χαρακτηριστικά του IC AD736

Τα χαρακτηριστικά του IC παρατίθενται παρακάτω
Αντίσταση υψηλής εισόδου: 10 ^ 12 Ω
Ρεύμα μεροληψίας χαμηλής εισόδου: μέγιστο 25 pA
Υψηλή ακρίβεια: ± 0,3 mV ± 0,3% της ένδειξης
Μετατροπή RMS με συντελεστές κορυφής σήματος έως 5
Ευρύ εύρος τροφοδοσίας: +2,8 V, −3,2 V έως ± 16,5 V
Χαμηλή ισχύς: μέγιστο ρεύμα τροφοδοσίας 200 μΑ
Έξοδος ρυθμισμένης τάσης
Δεν απαιτούνται εξωτερικές επενδύσεις για καθορισμένη ακρίβεια

Σημείωση: Σημειώστε ότι το λειτουργικό διάγραμμα μπλοκ, η λειτουργική περιγραφή και η λίστα δυνατοτήτων λαμβάνονται από το φύλλο δεδομένων και τροποποιούνται ανάλογα με τις ανάγκες.

Μέθοδοι True RMS to DC

Υπάρχουν κυρίως τρεις διαθέσιμες μέθοδοι που χρησιμοποιούν οι DVM για τη μέτρηση AC,

Μέτρηση True-RMS
Μέση διορθωμένη μέτρηση
True-RMS AC + DC Μέτρηση

Μέτρηση True-RMS

Το True-RMS είναι μια αρκετά κοινή και δημοφιλής μέθοδος μέτρησης δυναμικών σημάτων όλων των σχημάτων και μεγεθών. Σε ένα πολύμετρο True-RMS, το πολύμετρο υπολογίζει την τιμή RMS του σήματος εισόδου και δείχνει το αποτέλεσμα. Γι 'αυτό είναι μια πολύ ακριβής σύγκριση με μια μέση διορθωμένη μέθοδο μέτρησης

Μέση διορθωμένη μέτρηση

Σε ένα μέσο διορθωμένο DVM, παίρνει τη μέση ή τη μέση τιμή του σήματος εισόδου και πολλαπλασιάζει με το 1,11 και εμφανίζει την τιμή RMS. Έτσι, μπορούμε να πούμε ότι είναι ένα μέσο διορθωμένο πολύμετρο οθόνης RMS.

True-RMS AC + DC Μέτρηση

Για να ξεπεραστούν τα κενά σε ένα πολύμετρο True-RMS, υπάρχει η μέθοδος μέτρησης True-RMS AC + DC. Εάν επρόκειτο να μετρήσετε ένα σήμα PWM με ένα πολύμετρο True-RMS, θα διαβάσετε τη λάθος τιμή. Ας κατανοήσουμε αυτήν τη μέθοδο με μερικούς τύπους και βίντεο, βρείτε το βίντεο στο τέλος αυτού του σεμιναρίου.

Υπολογισμός για μετατροπέα True RMS

Η τιμή RMS

Ο τύπος για τον υπολογισμό της τιμής RMS περιγράφεται ως

Εάν κάνουμε τον λογισμό με την εξέταση

V (t) = Vm Sin (βάρος) 0

Αυτό βράζει σε

Vm / (2) ^1/2

Η μέση τιμή

Ο τύπος για τον υπολογισμό της μέσης τιμής περιγράφεται ως

Εάν κάνουμε τον λογισμό με την εξέταση

V (t) = Vm Sin (βάρος) 0

Αυτό βράζει σε

2Vm / ᴫ

Παράδειγμα υπολογισμού True RMS to DC converter

Παράδειγμα 1

Αν λάβουμε υπόψη την τάση από την κορυφή προς την κορυφή του 1V και την βάλουμε στον τύπο για τον υπολογισμό της τάσης RMS που είναι, VRMS = Vm / √2 = 1 / √2 =.707V

Τώρα εξετάζουμε την τάση από κορυφή σε κορυφή 1V και την τοποθετούμε στον τύπο για τον υπολογισμό της μέσης τάσης που είναι, VAVE = 2VM / π = 2 * 1 / π = 2 / π = 0,637V

Επομένως, σε μη αληθινό RMS DVM, η τιμή βαθμονομείται με συντελεστή 1,11 που προέρχεται από VRMS / VAVE = 0,707 / 637 = 1,11V

Παράδειγμα 2

Τώρα έχουμε ένα κορυφαίο ημιτονοειδές κύμα AC 5V και το τροφοδοτούμε απευθείας σε ένα DVM που έχει πραγματικές δυνατότητες RMS, για αυτό θα ήταν ο υπολογισμός, VRMS = Vm / √2 = 5 / √2 = 3,535V

Τώρα έχουμε ένα κορυφαίο ημιτονοειδές κύμα AC 5V, και το τροφοδοτούμε απευθείας σε ένα DVM που είναι ένα μέσο διορθωμένο DVM, για αυτό θα ήταν ο υπολογισμός, VAVE = 2VM / π = 2 * 5 / π = 10 / π = 3.183V

Τώρα σε αυτό το σημείο, η τιμή που εμφανίζεται στο μέσο DVM δεν είναι ίση με το RMS DVM, οπότε οι κατασκευαστές κωδικοποιούν τον συντελεστή 1,11V για να αντισταθμίσουν το σφάλμα.

Έτσι γίνεται, VAVE = 3.183 * 1.11 = 3.535V

Έτσι, από τους παραπάνω τύπους και παραδείγματα, μπορούμε να αποδείξουμε ότι πώς ένα αληθινό πολύμετρο RMS υπολογίζει την τάση AC.

Αλλά αυτή η τιμή είναι ακριβής μόνο για καθαρή ημιτονοειδή κυματομορφή. Έτσι μπορούμε να δούμε ότι χρειαζόμαστε ένα πραγματικό RMS DVM για να μετρήσουμε σωστά μια μη ημιτονοειδή κυματομορφή. Διαφορετικά, θα λάβουμε ένα σφάλμα.

Πράγματα που πρέπει να θυμάστε

Πριν κάνετε τους υπολογισμούς για την πρακτική εφαρμογή, ορισμένα στοιχεία πρέπει να είναι γνωστά για την κατανόηση της ακρίβειας κατά τη μέτρηση των τάσεων RMS με τη βοήθεια του AD736 IC.

Το φύλλο δεδομένων του AD736 περιγράφει τους δύο πιο σημαντικούς παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπόψη για τον υπολογισμό του ποσοστού σφάλματος που θα παράγει αυτό το IC κατά τη μέτρηση της τιμής RMS, είναι.

Απόκριση συχνότητας
Παράγοντας Crest

Απόκριση συχνότητας

Παρατηρώντας τις καμπύλες στο γράφημα, μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι η απόκριση συχνότητας δεν είναι σταθερή με το πλάτος, αλλά όσο χαμηλότερο είναι το πλάτος που μετράτε στην είσοδο του μετατροπέα IC, η απόκριση συχνότητας πέφτει και στα χαμηλότερα εύρη μέτρησης περίπου 1mv, πέφτει ξαφνικά μερικά kHz.

Το δελτίο δεδομένων μας δίνει ορισμένα στοιχεία σχετικά με αυτό το θέμα που μπορείτε να δείτε παρακάτω

Το όριο για την ακριβή μέτρηση είναι 1%

Έτσι, μπορούμε να δούμε ξεκάθαρα ότι εάν η τάση εισόδου είναι 1mv και η συχνότητα είναι 1 kHz, φτάνει ήδη στο 1% πρόσθετο σήμα σφάλματος. Υποθέτω τώρα ότι μπορείτε να καταλάβετε τις υπόλοιπες τιμές.

ΣΗΜΕΙΩΣΗ: Η καμπύλη απόκρισης συχνότητας και ο πίνακας λαμβάνονται από το φύλλο δεδομένων.

Παράγοντας Crest

Με απλά λόγια, ο παράγοντας κορυφής είναι ο λόγος της τιμής Peak διαιρούμενος με την τιμή RMS.

Crest-Factor = VPK / VRMS

Για παράδειγμα, αν λάβουμε υπόψη ένα καθαρό ημιτονοειδές κύμα με πλάτος

VRMS = 10V

Η μέγιστη τάση γίνεται

VPK = VRMS * √2 = 10 * 1.414 = 14.14

Μπορείτε να το δείτε ξεκάθαρα από την παρακάτω εικόνα που λαμβάνεται από τη wikipedia

Ο παρακάτω πίνακας από το φύλλο δεδομένων μας λέει ότι εάν ο υπολογισμένος συντελεστής κορυφής είναι μεταξύ 1 και 3, μπορούμε να περιμένουμε ένα επιπλέον σφάλμα 0,7% αλλιώς πρέπει να λάβουμε υπόψη το 2,5% του πρόσθετου σφάλματος που ισχύει για ένα σήμα PWM.

Σχηματικό για πραγματικό μετατροπέα RMS χρησιμοποιώντας IC AD736

Το παρακάτω σχήμα για τον μετατροπέα RMS έχει ληφθεί από το φύλλο δεδομένων και τροποποιείται σύμφωνα με τις ανάγκες μας.

Απαιτούμενα στοιχεία

Sl. Όχι	Ανταλλακτικά	Τύπος	Ποσότητα
1	AD736	IC	1
2	100Κ	Αντίσταση	2
3	10uF	Πυκνωτής	2
4	100uF	Πυκνωτής	2
5	33uF	Πυκνωτής	1
6	9V	Μπαταρία	1
7	Μονό σύρμα μετρητή	Γενικός	8
8	Μετασχηματιστής	0 - 4,5V	1
9	Arduino Nano	Γενικός	1
10	Ψωμί	Γενικός	1

Αληθινός μετατροπέας RMS σε DC - Πρακτικοί υπολογισμοί και δοκιμές

Για την επίδειξη, χρησιμοποιείται η ακόλουθη συσκευή

Πολύμετρο Meco 108B + TRMS
Πολύμετρο Meco 450B + TRMS
Hantek 6022BE παλμογράφος

Όπως φαίνεται στο σχηματικό, χρησιμοποιείται ένας εξασθενητής εισόδου, ο οποίος είναι βασικά ένα κύκλωμα διαίρεσης τάσης για εξασθένιση του σήματος εισόδου του AD736 IC, επειδή η τάση εισόδου πλήρους κλίμακας αυτού του IC είναι 200mV MAX.

Τώρα που έχουμε ξεκάθαρα ορισμένα βασικά στοιχεία για το κύκλωμα, ας ξεκινήσουμε τους υπολογισμούς για το πρακτικό κύκλωμα.

Υπολογισμοί RMS για 50Hz AC Sine Wave

Τάση μετασχηματιστή: 5.481V RMS, 50Hz

Τιμή αντίστασης R1: 50.45K

Τιμή αντίστασης R1: 220R

Τάση εισόδου του μετασχηματιστή

Τώρα αν βάλουμε αυτές τις τιμές σε έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή διαχωριστή τάσης και υπολογίσουμε, θα λάβουμε την τάση εξόδου 0,02355V Ή 23,55mV

Τώρα η είσοδος και η έξοδος του κυκλώματος φαίνονται καθαρά.

Στη δεξιά πλευρά, το πολύμετρο Meco 108B + TRMS δείχνει την τάση εισόδου. Αυτή είναι η έξοδος του κυκλώματος διαχωριστή τάσης.

Στην αριστερή πλευρά, το πολύμετρο Meco 450B + TRMS δείχνει την τάση εξόδου. Αυτή είναι η τάση εξόδου από το AD736 IC.

Τώρα μπορείτε να δείτε ότι ο παραπάνω θεωρητικός υπολογισμός και τα δύο αποτελέσματα των πολυμέτρων είναι κοντά, οπότε για ένα καθαρό ημιτονοειδές κύμα, επιβεβαιώνει τη θεωρία.

Το σφάλμα μέτρησης και στα δύο αποτελέσματα του πολύμετρου οφείλεται στην ανοχή τους και για επίδειξη, χρησιμοποιώ την είσοδο εναλλασσόμενου ρεύματος 230V AC, η οποία αλλάζει πολύ γρήγορα με την πάροδο του χρόνου.

Εάν έχετε αμφιβολίες, μπορείτε να μεγεθύνετε την εικόνα και να δείτε ότι το πολύμετρο Meco 108B + TRMS βρίσκεται σε λειτουργία AC και το πολύμετρο Meco 450B + TRMS βρίσκεται σε λειτουργία DC.

Σε αυτό το σημείο, δεν ενοχλήθηκα να χρησιμοποιήσω το hantek 6022BL μου παλμογράφο γιατί ο παλμοσκόπιο είναι σχεδόν άχρηστος και δείχνει μόνο θόρυβο σε αυτά τα χαμηλά επίπεδα τάσης.

Υπολογισμοί για σήμα PWM

Για επίδειξη, δημιουργείται ένα σήμα PWM με τη βοήθεια ενός Arduino. Η τάση της πλακέτας Arduino είναι 4.956V και η συχνότητα είναι σχεδόν 1 kHz.

Μέγιστη τάση πλακέτας Arduino: 4.956V, 989.3Hz

Τιμή αντίστασης R1: 50.75K

Τιμή αντίστασης R1: 220R

Τάση εισόδου στον πίνακα Arduino

Τώρα βάλτε αυτές τις τιμές σε έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή διαιρέτη τάσης και υπολογίστε, θα λάβουμε την τάση εξόδου 0,02141V Ή 21,41mV.

Αυτή είναι η μέγιστη τάση του σήματος εισόδου PWM και για να βρούμε την τάση RMS, πρέπει απλώς να τη διαιρέσουμε με √2, ώστε ο υπολογισμός να γίνει

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

Θεωρητικά, ένα πολύμετρο True-RMS θα μπορεί εύκολα να υπολογίσει αυτήν τη θεωρητικά υπολογισμένη τιμή, σωστά;

Σε λειτουργία DC

Σε λειτουργία AC

Ο μετασχηματιστής στην εικόνα κάθεται εκεί και δεν κάνει τίποτα. Με αυτό, μπορείτε να δείτε ότι είμαι πολύ τεμπέλης άνθρωπος.

Λοιπόν, ποιο είναι το πρόβλημα?

Πριν κάποιος πηδήξει και λέει ότι κάναμε λάθος τους υπολογισμούς, επιτρέψτε μου να σας πω ότι έχουμε κάνει σωστά τους υπολογισμούς και το πρόβλημα είναι στα πολύμετρα.

Στη λειτουργία DC το πολύμετρο παίρνει απλά τον μέσο όρο του σήματος εισόδου που μπορούμε να υπολογίσουμε.

Έτσι, η τάση εισόδου είναι 0,02141V και για να πάρετε τη μέση τάση, πολλαπλασιάζει απλώς την τιμή με 0,5.

Έτσι ο υπολογισμός γίνεται, VAVE = 0,02141 * 0,5 = 0,010705V ή 10,70 mV

Και αυτό είναι που έχουμε στην οθόνη πολυμέτρων.

Στη λειτουργία AC, ο πυκνωτής εισόδου του πολύμετρου εμποδίζει τα εξαρτήματα DC του σήματος εισόδου, οπότε ο υπολογισμός γίνεται σχεδόν ο ίδιος.

Τώρα όπως μπορείτε να δείτε ξεκάθαρα ότι, σε αυτήν την περίπτωση και οι δύο αναγνώσεις είναι απολύτως λανθασμένες. Έτσι, δεν μπορείτε να εμπιστευτείτε την οθόνη πολυμέτρου Γι 'αυτό υπάρχουν πολύμετρα με δυνατότητες True RMS AC + DC που μπορούν εύκολα να μετρήσουν με ακρίβεια τέτοιου είδους κυματομορφές. Για παράδειγμα, το extech 570A είναι ένα πολύμετρο με δυνατότητες True RMS AC + DC.

Το AD736 είναι ένα είδος IC που χρησιμοποιείται για την ακριβή μέτρηση αυτών των τύπων σημάτων εισόδου. Η παρακάτω εικόνα είναι απόδειξη της θεωρίας.

Τώρα υπολογίσαμε την τάση RMS να είναι 15,14mV. Ωστόσο, το πολύμετρο δείχνει 15.313mV επειδή δεν λάβαμε υπόψη τον συντελεστή κορυφής και την απόκριση συχνότητας του AD736 IC.

Καθώς έχουμε υπολογίσει τον συντελεστή κορυφής είναι 0,7% της υπολογιζόμενης τιμής, οπότε αν κάνουμε τα μαθηματικά, θα φτάσει στα 0,00010598 ή 0,10598mV

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

Ή

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

Έτσι, η τιμή που εμφανίζεται από το πολύμετρο Meco 450B + είναι σαφώς εντός του εύρους σφαλμάτων 0,7%

Κωδικός Arduino για παραγωγή PWM

Ξέχασα σχεδόν να αναφέρω ότι έχω χρησιμοποιήσει αυτόν τον κωδικό Arduino για να δημιουργήσω το σήμα PWM με κύκλο λειτουργίας 50%.

int OUT_PIN = 2; // τετραγωνικό κύμα με 50% άκυρο κύκλο λειτουργίας () {pinMode (OUT_PIN, OUTPUT); // ορισμός του πείρου ως έξοδος} κενό βρόχο () {/ * * εάν μετατρέψουμε 500 μικροδευτερόλεπτα σε δευτερόλεπτα θα λάβουμε 0,0005S * τώρα αν το βάλουμε στον τύπο F = 1 / T * θα πάρουμε F = 1 / 0,0005 = 2000 * ο ακροδέκτης είναι ενεργοποιημένος για 500 uS και απενεργοποιημένος για 500 μας, οπότε η * συχνότητα γίνεται F = 2000/2 = 1000Hz ή 1Khz * * / digitalWrite (OUT_PIN, HIGH). καθυστέρηση Μικροδευτερόλεπτα (500); digitalWrite (OUT_PIN, LOW); καθυστέρηση Μικροδευτερόλεπτα (500); }

Μπορείτε να μάθετε περισσότερα σχετικά με τη δημιουργία PWM με το Arduino εδώ.

Προφυλάξεις

Το AD736 True RMS to DC converter IC είναι μακράν το πιο ακριβό 8-PIN PDIP IC με το οποίο έχω συνεργαστεί.

Μετά την πλήρη καταστροφή ενός με ESD, πήρα τις κατάλληλες προφυλάξεις και έδεσα τον εαυτό μου στο έδαφος.

Βελτιώσεις κυκλώματος

Για την επίδειξη, έφτιαξα το κύκλωμα σε ένα ψωμί χωρίς κόλλα που δεν συνιστάται. Γι 'αυτό το σφάλμα μέτρησης αυξάνεται μετά από ένα συγκεκριμένο εύρος συχνοτήτων. Αυτό το κύκλωμα χρειάζεται μια κατάλληλη PCB με την κατάλληλη s επίπεδο πίσσας-εδάφους, προκειμένου να λειτουργήσει σωστά.

Εφαρμογές True RMS σε μετατροπέα DC

Χρησιμοποιείται σε

Βολτόμετρα υψηλής ακρίβειας και πολύμετρα.
Μέτρηση υψηλής ημιτονοειδούς τάσης ακριβείας.

Ελπίζω να σας άρεσε αυτό το άρθρο και να μάθετε κάτι νέο από αυτό. Εάν έχετε οποιαδήποτε αμφιβολία, μπορείτε να ρωτήσετε στα παρακάτω σχόλια ή να χρησιμοποιήσετε τα φόρουμ μας για λεπτομερή συζήτηση.

Ένα λεπτομερές βίντεο που δείχνει την πλήρη διαδικασία υπολογισμού δίνεται παρακάτω.