การออกแบบตัวแปลง rms เป็น dc จริงโดยใช้ ic ad736

True-RMS หรือ TRMS เป็นตัวแปลงชนิดหนึ่งที่แปลงค่า RMS เป็นค่า DC ที่เทียบเท่า ในบทช่วยสอนนี้เราจะเรียนรู้เกี่ยวกับตัวแปลง RMS เป็น DC จริงวิธีการทำงานและวิธีการวัดจะส่งผลต่อผลลัพธ์ที่แสดงอย่างไร

RMS คืออะไร?

RMS เป็นตัวย่อของค่าเฉลี่ยกำลังสองตามคำจำกัดความสำหรับกระแสไฟฟ้าสลับค่า RMS จะเทียบเท่ากับแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่ทำให้พลังงานจำนวนเท่ากันเป็นตัวต้านทาน

True RMS IC AD736

IC AD736 มีส่วนย่อยที่ใช้งานได้น้อยเช่นเครื่องขยายสัญญาณอินพุตวงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่น (FWR) แกน RMS เครื่องขยายสัญญาณเอาต์พุตและส่วนอคติ อินพุทแอมพลิฟายเออร์สร้างด้วยมอสเฟตดังนั้นจึงต้องรับผิดชอบต่ออิมพีแดนซ์สูงของไอซีนี้

หลังจากอินพุทแอมพลิฟายเออร์จะมีวงจรเรียงกระแสเต็มคลื่นที่มีความแม่นยำซึ่งรับผิดชอบในการขับเคลื่อนแกน RMS การดำเนินการ RMS ที่สำคัญของการยกกำลังสองค่าเฉลี่ยและการรูทที่สองจะดำเนินการในแกนกลางด้วยความช่วยเหลือของ CAV ตัวเก็บประจุเฉลี่ยภายนอก โปรดทราบว่าหากไม่มี CAV สัญญาณอินพุตที่แก้ไขจะเดินทางผ่านคอร์ที่ยังไม่ได้ประมวลผล

ในที่สุดแอมพลิฟายเออร์เอาท์พุทจะบัฟเฟอร์เอาต์พุตจากแกน RMS และอนุญาตให้ทำการกรองความถี่ต่ำที่เป็นอุปกรณ์เสริมผ่าน CF ตัวเก็บประจุภายนอกซึ่งเชื่อมต่อผ่านเส้นทางป้อนกลับของเครื่องขยายเสียง

คุณสมบัติของ IC AD736

• คุณสมบัติของ IC แสดงอยู่ด้านล่าง
• ความต้านทานอินพุตสูง: 10 ^ 12 Ω
• กระแสไบแอสอินพุตต่ำ: สูงสุด 25 pA
• ความแม่นยำสูง: ± 0.3 mV ± 0.3% ของการอ่าน
• การแปลง RMS ด้วยปัจจัยยอดสัญญาณสูงสุด 5
• ช่วงแหล่งจ่ายไฟกว้าง: +2.8 V, −3.2 V ถึง± 16.5 V
• พลังงานต่ำ: 200 µA กระแสไฟฟ้าสูงสุด
• เอาท์พุทแรงดันไฟฟ้าบัฟเฟอร์
• ไม่จำเป็นต้องมีขอบภายนอกเพื่อความแม่นยำที่ระบุ

หมายเหตุ:โปรดทราบว่าแผนภาพบล็อกการทำงานคำอธิบายการทำงานและรายการคุณสมบัตินั้นนำมาจากแผ่นข้อมูลและแก้ไขตามความต้องการ

วิธีการวัด True RMS เป็น DC

ส่วนใหญ่มีสามวิธีที่ DVM ใช้ในการวัด AC ได้แก่ -

• การวัด True-RMS
• การวัดที่แก้ไขโดยเฉลี่ย
• การวัด True-RMS AC + DC

การวัด True-RMS

True-RMS เป็นวิธีที่ใช้กันทั่วไปและเป็นที่นิยมในการวัดสัญญาณไดนามิกทุกรูปทรงและขนาด ในมัลติมิเตอร์ True-RMS มัลติมิเตอร์จะคำนวณค่า RMS ของสัญญาณอินพุตและแสดงผลลัพธ์ ด้วยเหตุนี้จึงเป็นการเปรียบเทียบที่แม่นยำมากกับวิธีการวัดค่าเฉลี่ยที่แก้ไขแล้ว

การวัดที่แก้ไขโดยเฉลี่ย

ใน DVM ที่แก้ไขโดยเฉลี่ยจะใช้ค่าเฉลี่ยหรือค่าเฉลี่ยของสัญญาณอินพุตและคูณด้วย 1.11 และแสดงค่า RMS ดังนั้นเราสามารถพูดได้ว่าเป็นมัลติมิเตอร์แสดงผล RMS ที่แก้ไขโดยเฉลี่ย

การวัด True-RMS AC + DC

เพื่อเอาชนะช่องโหว่ในมัลติมิเตอร์แบบ True-RMS มีวิธีการวัด True-RMS AC + DC หากคุณจะวัดสัญญาณ PWM ด้วยมัลติมิเตอร์ True-RMS คุณจะอ่านค่าผิด มาทำความเข้าใจกับวิธีนี้ด้วยสูตรและวิดีโอดูวิดีโอท้ายบทช่วยสอนนี้

การคำนวณสำหรับตัวแปลง True RMS

ค่า RMS

สูตรคำนวณค่า RMSอธิบายไว้ว่า

ถ้าเราทำแคลคูลัสโดยพิจารณา

V (t) = Vm Sin (wt) 0

เดือดลงไปที่

Vm / (2) ^1/2

มูลค่าเฉลี่ย

สูตรคำนวณค่าเฉลี่ยอธิบายเป็น

ถ้าเราทำแคลคูลัสโดยพิจารณา

V (t) = Vm Sin (wt) 0

เดือดลงไปที่

2Vm / ᴫ

ตัวอย่างการคำนวณตัวแปลง True RMS เป็น DC

ตัวอย่าง 1

ถ้าเราพิจารณาแรงดันไฟฟ้าสูงสุดถึงจุดสูงสุดที่ 1V และใส่ลงในสูตรเพื่อคำนวณแรงดัน RMS ซึ่งก็คือ

VRMS = Vm / √2 = 1 / √2 =.707V

ตอนนี้พิจารณาแรงดันไฟฟ้าสูงสุดถึงจุดสูงสุดที่ 1V และใส่ไว้ในสูตรเพื่อคำนวณแรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยซึ่งก็คือ

VAVE = 2VM / π = 2 * 1 / π = 2 / π = 0.637V

ดังนั้นใน RMS DVM ที่ไม่เป็นจริงค่าจะถูกปรับเทียบโดยปัจจัย 1.11 ซึ่งมาจากVRMS / VAVE = 0.707 / 637 = 1.11V

ตัวอย่าง 2

ตอนนี้เรามีจุดสูงสุดถึงจุดสูงสุดของคลื่นไซน์ AC บริสุทธิ์ที่ 5V และเรากำลังป้อนเข้าสู่ DVM โดยตรงซึ่งมีความสามารถ RMS ที่แท้จริงสำหรับการคำนวณจะเป็น

VRMS = Vm / √2 = 5 / √2 = 3.535V

ตอนนี้เรามีจุดสูงสุดถึงจุดสูงสุดของคลื่นไซน์ AC บริสุทธิ์ที่ 5V และเรากำลังป้อนเข้าสู่ DVM โดยตรงซึ่งเป็น DVM ที่แก้ไขโดยเฉลี่ยสำหรับการคำนวณจะเป็น

VAVE = 2VM / π = 2 * 5 / π = 10 / π = 3.183V

ณ จุดนี้ค่าที่แสดงใน DVM เฉลี่ยไม่เท่ากันกับ RMS DVM ดังนั้นผู้ผลิตจึงเข้ารหัสปัจจัย1.11Vเพื่อชดเชยข้อผิดพลาด

มันจึงกลายเป็น

VAVE = 3.183 * 1.11 = 3.535V

ดังนั้นจากสูตรและตัวอย่างข้างต้นเราสามารถพิสูจน์ได้ว่ามัลติมิเตอร์ RMS ที่ไม่เป็นจริงคำนวณแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับอย่างไร

แต่ค่านี้จะแม่นยำสำหรับรูปคลื่นไซน์บริสุทธิ์เท่านั้น ดังนั้นเราจะเห็นว่าเราต้องการ RMS DVM ที่แท้จริงเพื่อวัดรูปคลื่นที่ไม่ใช่ไซน์อย่างเหมาะสม มิฉะนั้นเราจะได้รับข้อผิดพลาด

สิ่งที่ควรทราบ

ก่อนที่จะทำการคำนวณสำหรับการใช้งานจริงจำเป็นต้องทราบข้อเท็จจริงบางประการเพื่อทำความเข้าใจกับความแม่นยำในขณะที่วัดแรงดันไฟฟ้า RMS ด้วยความช่วยเหลือของ AD736 IC

แผ่นข้อมูลของ AD736 จะบอกเกี่ยวกับปัจจัยที่สำคัญที่สุดสองประการที่ควรนำมาพิจารณาเพื่อคำนวณเปอร์เซ็นต์ของข้อผิดพลาดที่ IC นี้จะสร้างขึ้นในขณะที่วัดค่า RMS นั่นคือ

1. การตอบสนองต่อความถี่
2. ปัจจัยยอด

การตอบสนองต่อความถี่

จากการสังเกตเส้นโค้งบนกราฟเราสามารถสังเกตได้ว่าการตอบสนองความถี่ไม่คงที่เมื่อมีแอมพลิจูดแต่ยิ่งแอมพลิจูดต่ำที่คุณวัดในอินพุตของ IC ตัวแปลงของคุณการตอบสนองความถี่จะลดลงและในช่วงการวัดที่ต่ำกว่าที่ประมาณ 1mv จู่ๆมันก็ลดลงไม่กี่กิโลเฮิร์ตซ์

แผ่นข้อมูลให้ข้อมูลเกี่ยวกับหัวข้อนี้ซึ่งคุณสามารถดูได้ด้านล่าง

ขีด จำกัด สำหรับการวัดที่แม่นยำคือ 1%

ดังนั้นเราจะเห็นได้อย่างชัดเจนว่าหากแรงดันไฟฟ้าอินพุตเป็น 1mv และความถี่คือ 1 kHz แสดงว่ามีข้อผิดพลาดเพิ่มขึ้นถึง 1% แล้ว ฉันถือว่าตอนนี้คุณเข้าใจค่าที่เหลือแล้ว

หมายเหตุ:เส้นโค้งการตอบสนองความถี่และตารางนำมาจากแผ่นข้อมูล

ปัจจัยยอด

พูดง่ายๆปัจจัยยอดคืออัตราส่วนของค่าพีคหารด้วยค่า RMS

Crest-Factor = VPK / VRMS

ตัวอย่างเช่นหากเราพิจารณาคลื่นไซน์บริสุทธิ์ที่มีแอมพลิจูด

VRMS = 10V

แรงดันไฟฟ้าสูงสุดจะกลายเป็น

VPK = VRMS * √2 = 10 * 1.414 = 14.14

คุณสามารถเห็นได้อย่างชัดเจนจากภาพด้านล่างที่นำมาจาก wikipedia

ตารางด้านล่างจากแผ่นข้อมูลบอกเราว่าหากปัจจัยยอดที่คำนวณได้อยู่ระหว่าง 1 ถึง 3 เราสามารถคาดหวังข้อผิดพลาดเพิ่มเติมได้อีก 0.7% เราจะต้องพิจารณาข้อผิดพลาดเพิ่มเติม 2.5% ซึ่งเป็นจริงสำหรับสัญญาณ PWM

แผนผังสำหรับตัวแปลง True RMS โดยใช้ IC AD736

แผนผังด้านล่างสำหรับตัวแปลง RMS นำมาจากแผ่นข้อมูลและแก้ไขตามความต้องการของเรา

ส่วนประกอบที่จำเป็น

ส. เลขที่	อะไหล่	ประเภท	ปริมาณ
1	AD736	เข้าใจแล้ว	1
2	100K	ตัวต้านทาน	2
3	10 ยูเอฟ	คาปาซิเตอร์	2
4	100 ยูเอฟ	คาปาซิเตอร์	2
5	33 ยูเอฟ	คาปาซิเตอร์	1
6	9V	แบตเตอรี่	1
7	สายวัดเดี่ยว	ทั่วไป	8
8	หม้อแปลงไฟฟ้า	0 - 4.5V	1
9	Arduino นาโน	ทั่วไป	1
10	เขียงหั่นขนม	ทั่วไป	1

ตัวแปลง True RMS เป็น DC - การคำนวณและการทดสอบในทางปฏิบัติ

สำหรับการสาธิตจะใช้อุปกรณ์ดังต่อไปนี้

1. Meco 108B + TRMS มัลติมิเตอร์
2. มัลติมิเตอร์ Meco 450B + TRMS
3. Hantek 6022BE ออสซิลโลสโคป

ดังที่แสดงในแผนผังจะใช้ตัวลดทอนอินพุตซึ่งโดยพื้นฐานแล้วเป็นวงจรแบ่งแรงดันเพื่อลดทอนสัญญาณอินพุตของไอซี AD736 นั่นเป็นเพราะแรงดันอินพุตเต็มสเกลของ IC นี้คือ 200mV MAX

ตอนนี้เราได้เข้าใจข้อเท็จจริงพื้นฐานบางอย่างเกี่ยวกับวงจรแล้วให้เราเริ่มการคำนวณสำหรับวงจรที่ใช้งานได้จริง

การคำนวณ RMS สำหรับ 50Hz AC Sine Wave

แรงดันไฟฟ้าของหม้อแปลง: 5.481V RMS, 50Hz

ค่าตัวต้านทาน R1: 50.45K

ค่าตัวต้านทาน R1: 220R

แรงดันไฟฟ้าขาเข้าของหม้อแปลงไฟฟ้า

ตอนนี้ถ้าเราใส่ค่าเหล่านี้ในเครื่องคำนวณตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าออนไลน์และคำนวณเราจะได้แรงดันเอาต์พุต0.02355V หรือ 23.55mV

ตอนนี้สามารถมองเห็นอินพุตและเอาต์พุตของวงจรได้อย่างชัดเจน

ทางด้านขวามัลติมิเตอร์ Meco 108B + TRMS กำลังแสดงแรงดันไฟฟ้าขาเข้า นั่นคือเอาต์พุตของวงจรแบ่งแรงดันไฟฟ้า

ทางด้านซ้ายมัลติมิเตอร์ Meco 450B + TRMS กำลังแสดงแรงดันไฟฟ้าขาออก นั่นคือแรงดันเอาต์พุตจาก AD736 IC

ตอนนี้คุณสามารถเห็นได้ว่าการคำนวณทางทฤษฎีข้างต้นและผลลัพธ์ของมัลติมิเตอร์ใกล้เคียงกันดังนั้นสำหรับคลื่นไซน์บริสุทธิ์จึงเป็นการยืนยันทฤษฎี

ข้อผิดพลาดในการวัดทั้งในผลมัลติมิเตอร์เกิดจากความทนทานและสำหรับการสาธิตฉันใช้อินพุต AC 230V หลักซึ่งเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วตามเวลา

หากคุณมีข้อสงสัยใด ๆ คุณสามารถขยายภาพและดูว่ามัลติมิเตอร์ Meco 108B + TRMS อยู่ในโหมด AC และมัลติมิเตอร์ Meco 450B + TRMS อยู่ในโหมด DC

ณ จุดนี้ฉันไม่ได้กังวลที่จะใช้ออสซิลโลสโคป hantek 6022BL ของฉันเพราะออสซิลโลสโคปนั้นค่อนข้างไร้ประโยชน์และแสดงสัญญาณรบกวนที่ระดับแรงดันไฟฟ้าต่ำ

การคำนวณสัญญาณ PWM

สำหรับการสาธิตสัญญาณ PWM ถูกสร้างขึ้นด้วยความช่วยเหลือของ Arduino แรงดันไฟฟ้าของบอร์ด Arduino คือ4.956Vและความถี่เกือบ 1 kHz

แรงดันไฟฟ้าสูงสุดของบอร์ด Arduino: 4.956V, 989.3Hz

ค่าตัวต้านทาน R1: 50.75K

ค่าตัวต้านทาน R1: 220R

แรงดันไฟฟ้าขาเข้าบนบอร์ด Arduino

ตอนนี้ใส่ค่าเหล่านี้ในเครื่องคำนวณตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าออนไลน์และคำนวณเราจะได้แรงดันเอาต์พุต0.02141V หรือ 21.41mV

นี่คือแรงดันไฟฟ้าสูงสุดของสัญญาณ PWM อินพุตและในการค้นหาแรงดัน RMS เราต้องหารด้วย√2เพื่อให้การคำนวณกลายเป็น

VRMS = Vm / √2 = 0.02141 / √2 = 0.01514V หรือ15.14mV

ตามทฤษฎีแล้วมัลติมิเตอร์ True-RMSจะสามารถคำนวณค่าที่คำนวณตามทฤษฎีนี้ได้อย่างง่ายดายใช่ไหม?

ในโหมด DC

ในโหมด AC

หม้อแปลงไฟฟ้าในภาพนั่งอยู่เฉยๆไม่ได้ทำอะไร ด้วยเหตุนี้คุณจะเห็นว่าฉันเป็นคนขี้เกียจมาก

แล้วปัญหาคืออะไร?

ก่อนที่ใครจะกระโดดและบอกว่าเราคำนวณผิดขอบอกว่าเราคำนวณถูกต้องแล้วและปัญหาอยู่ที่มัลติมิเตอร์

ในโหมด DCมัลติมิเตอร์เป็นเพียงการหาค่าเฉลี่ยของสัญญาณอินพุตซึ่งเราสามารถคำนวณได้

ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าขาเข้าคือ0.02141Vและเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยมันจะคูณค่าด้วย 0.5

ดังนั้นการคำนวณจะกลายเป็น

VAVE = 0.02141 * 0.5 = 0.010705V หรือ 10.70mV

และนั่นคือสิ่งที่เราได้รับจากจอแสดงผลมัลติมิเตอร์

ในโหมด ACตัวเก็บประจุอินพุตของมัลติมิเตอร์จะปิดกั้นส่วนประกอบ DC ของสัญญาณอินพุตดังนั้นการคำนวณจึงค่อนข้างเหมือนกัน

ตอนนี้คุณจะเห็นได้อย่างชัดเจนว่าในสถานการณ์เช่นนี้การอ่านทั้งสองผิดพลาดอย่างแน่นอน ดังนั้นคุณไม่สามารถไว้วางใจจอแสดงผลมัลติมิเตอร์ได้ นั่นคือเหตุผลที่มีมัลติมิเตอร์ที่มีความสามารถTrue RMS AC + DCซึ่งสามารถวัดรูปคลื่นประเภทนี้ได้อย่างแม่นยำ ตัวอย่างเช่น extech 570A เป็นมัลติมิเตอร์ที่มีความสามารถ True RMS AC + DC

AD736เป็นชนิดของ IC ที่ใช้ในการวัดเหล่านี้ประเภทของสัญญาณได้อย่างถูกต้อง ภาพด้านล่างเป็นการพิสูจน์ทฤษฎี

ตอนนี้เราได้คำนวณแรงดัน RMS เป็น15.14mV แต่มัลติมิเตอร์แสดง15.313mVเนื่องจากเราไม่ได้พิจารณาปัจจัยยอดและการตอบสนองความถี่ของAD736 IC

ในขณะที่เราคำนวณตัวคูณยอดมันคือ 0.7% ของค่าที่คำนวณได้ดังนั้นถ้าเราคำนวณทางคณิตศาสตร์มันจะลดลงเหลือ0.00010598 หรือ 0.10598mV

ดังนั้น, Vout = 15.14 + 0.10598 = 15.2459 mV

หรือ

Vout = 15.14 - 0.10598 = 15.0340mV

ดังนั้นค่าที่แสดงโดยมัลติมิเตอร์ Meco 450B + จึงอยู่ในช่วงข้อผิดพลาด 0.7% อย่างชัดเจน

รหัส Arduino สำหรับการสร้าง PWM

ฉันเกือบลืมพูดถึงว่าฉันใช้รหัส Arduino นี้เพื่อสร้างสัญญาณ PWM ด้วยรอบการทำงาน 50%

int OUT_PIN = 2; // คลื่นสี่เหลี่ยมออกพร้อมการตั้งค่าโมฆะรอบการทำงาน 50% () {pinMode (OUT_PIN, OUTPUT); // กำหนดพินเป็นเอาต์พุต} void loop () {/ * * ถ้าเราแปลง 500 Microseconds เป็นวินาทีเราจะได้ 0.0005S * ตอนนี้ถ้าเราใส่ไว้ในสูตร F = 1 / T * เราจะได้ F = 1 / 0.0005 = 2000 * พินเปิดสำหรับ 500 uS และปิดสำหรับ 500 เราดังนั้นความถี่ * จึงกลายเป็น F = 2000/2 = 1000Hz หรือ 1Khz * * / digitalWrite (OUT_PIN, HIGH); delayMicroseconds (500); digitalWrite (OUT_PIN, LOW); delayMicroseconds (500); }

คุณสามารถเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการสร้าง PWM ด้วย Arduino ได้ที่นี่

ข้อควรระวัง

AD736 True RMS เป็น DC converter IC เป็นไอซี 8-PIN PDIP ที่แพงที่สุดที่ฉันเคยใช้

หลังจากทำลาย ESD จนหมดแล้วฉันก็ใช้ความระมัดระวังอย่างเหมาะสมและรัดตัวเองกับพื้น

การปรับปรุงวงจร

สำหรับการสาธิตฉันได้สร้างวงจรในเขียงหั่นขนมแบบไม่บัดกรีซึ่งไม่แนะนำอย่างยิ่ง นั่นคือสาเหตุที่ข้อผิดพลาดในการวัดเพิ่มขึ้นหลังจากช่วงความถี่หนึ่ง วงจรนี้ความต้องการ PCB ที่เหมาะสมกับที่เหมาะสมs เครื่องบิน tar พื้นดินเพื่อให้ทำงานได้อย่างถูกต้อง

การประยุกต์ใช้ตัวแปลง True RMS เป็น DC

มันถูกใช้ใน

• โวลต์มิเตอร์และมัลติมิเตอร์ที่มีความแม่นยำสูง
• การวัดแรงดันไฟฟ้าที่ไม่ใช่รูปไซน์ที่มีความแม่นยำสูง

ฉันหวังว่าคุณจะชอบบทความนี้และเรียนรู้สิ่งใหม่ ๆ จากบทความนี้ หากคุณมีข้อสงสัยคุณสามารถถามได้ในความคิดเห็นด้านล่างหรือสามารถใช้ฟอรัมของเราสำหรับการอภิปรายโดยละเอียด

วิดีโอโดยละเอียดแสดงขั้นตอนการคำนวณทั้งหมดได้รับด้านล่าง