Entwerfen eines echten Effektivwert-Gleichstrom-Wandlers mit ic ad736

Ein True-RMS oder TRMS ist ein Konvertertyp, der den RMS-Wert in einen äquivalenten DC-Wert umwandelt. Hier in diesem Tutorial erfahren Sie mehr über den tatsächlichen RMS-DC-Wandler, wie er funktioniert und wie sich Messmethoden auf die angezeigten Ergebnisse auswirken können.

Was ist RMS?

RMS ist die Abkürzung für Root Mean Square. Per Definition entspricht der Effektivwert für elektrischen Wechselstrom einer Gleichspannung, die die gleiche Leistungsmenge in einen Widerstand einspeist.

Echter RMS IC AD736

Der IC AD736 verfügt über wenige funktionale Unterabschnitte wie den Eingangsverstärker, den Vollweggleichrichter (FWR), den RMS-Kern, den Ausgangsverstärker und den Vorspannungsabschnitt. Der Eingangsverstärker ist mit MOSFETs aufgebaut und daher für die hohe Impedanz dieses IC verantwortlich.

Nach dem Eingangsverstärker befindet sich ein Präzisions-Vollweggleichrichter, der für die Ansteuerung des RMS-Kerns verantwortlich ist. Die wesentlichen RMS-Operationen zum Quadrieren, Mitteln und Quadratwurzeln werden im Kern mit Hilfe eines externen Mittelungskondensators CAV ausgeführt. Bitte beachten Sie, dass das gleichgerichtete Eingangssignal ohne CAV unverarbeitet durch den Kern fließt.

Schließlich puffert ein Ausgangsverstärker den Ausgang vom RMS-Kern und ermöglicht die optionale Tiefpassfilterung über den externen Kondensator CF, der über den Rückkopplungspfad des Verstärkers angeschlossen ist.

Merkmale des IC AD736

• Die Funktionen des IC sind unten aufgeführt
• Hohe Eingangsimpedanz: 10 ^ 12 Ω
• Niedriger Eingangsvorspannungsstrom: maximal 25 pA
• Hohe Genauigkeit: ± 0,3 mV ± 0,3% vom Messwert
• RMS-Umwandlung mit Signal Crest-Faktoren bis zu 5
• Breiter Stromversorgungsbereich: +2,8 V, –3,2 V bis ± 16,5 V.
• Niedrige Leistung: 200 µA maximaler Versorgungsstrom
• Gepufferter Spannungsausgang
• Für die angegebene Genauigkeit sind keine externen Verkleidungen erforderlich

Hinweis: Bitte beachten Sie, dass das Funktionsblockdiagramm, die Funktionsbeschreibung und die Funktionsliste dem Datenblatt entnommen und je nach Bedarf geändert werden.

Echte RMS-DC-Messmethoden

Es stehen hauptsächlich drei Methoden zur Verfügung, mit denen DVM Wechselstrom messen.

• True-RMS-Messung
• Durchschnittliche gleichgerichtete Messung
• True-RMS AC + DC-Messung

True-RMS-Messung

True-RMS ist eine weit verbreitete und beliebte Methode zur Messung dynamischer Signale aller Formen und Größen. In einem True-RMS-Multimeter berechnet das Multimeter den RMS-Wert des Eingangssignals und zeigt das Ergebnis an. Aus diesem Grund ist es ein sehr genauer Vergleich zu einer durchschnittlichen gleichgerichteten Messmethode.

Durchschnittliche gleichgerichtete Messung

In einem durchschnittlich gleichgerichteten DVM nimmt es den Mittelwert oder den Mittelwert des Eingangssignals und multipliziert ihn mit 1,11 und zeigt den Effektivwert an. Wir können also sagen, dass es sich um ein durchschnittliches gleichgerichtetes RMS-Anzeigemultimeter handelt.

True-RMS AC + DC-Messung

Um die Lücken in einem True-RMS-Multimeter zu schließen, gibt es die True-RMS-AC + DC-Messmethode. Wenn Sie ein PWM-Signal mit einem True-RMS-Multimeter messen, lesen Sie den falschen Wert. Lassen Sie uns diese Methode mit einigen Formeln und Videos verstehen. Das Video finden Sie am Ende dieses Tutorials.

Berechnung für True RMS-Konverter

Der Effektivwert

Die Formel zur Berechnung des Effektivwerts wird wie folgt beschrieben

Wenn wir den Kalkül durch Überlegen machen

V (t) = Vm Sin (wt) 0

Das läuft darauf hinaus

Vm / (2) ^1/2

Der Durchschnittswert

Die Formel zur Berechnung des Durchschnittswertes wird beschrieben als

Wenn wir den Kalkül durch Überlegen machen

V (t) = Vm Sin (wt) 0

Das läuft darauf hinaus

2 Vm / l

Beispielberechnung Echter RMS-DC-Wandler

Beispiel 1

Wenn wir die Spitze-Spitze-Spannung von 1 V betrachten und in die Formel zur Berechnung der Effektivspannung einfügen, VRMS = Vm / √2 = 1 / √2 = 0,707V

Betrachten wir nun eine Spitze-Spitze-Spannung von 1 V und geben Sie sie in die Formel ein, um die durchschnittliche Spannung zu berechnen.

VAVE = 2 VM / π = 2 · 1 / π = 2 / π = 0,637 V.

Daher wird in einem nicht wahren RMS-DVM der Wert mit einem Faktor von 1,11 kalibriert, der von VRMS / VAVE = 0,707 / 637 = 1,11 V stammt

Beispiel 2

Jetzt haben wir eine reine AC-Sinuswelle von Spitze zu Spitze von 5 V und speisen sie direkt einem DVM zu, das über echte RMS-Fähigkeiten verfügt.

VRMS = Vm / √2 = 5 / √2 = 3,535 V.

Jetzt haben wir eine reine AC-Sinuswelle von Spitze zu Spitze von 5 V, und wir speisen sie direkt einem DVM zu, bei dem es sich um ein durchschnittliches gleichgerichtetes DVM handelt.

VAVE = 2 VM / π = 2 · 5 / π = 10 / π = 3,183 V.

Zu diesem Zeitpunkt entspricht der im durchschnittlichen DVM angezeigte Wert nicht dem RMS-DVM, sodass der Hersteller den 1,11-V- Faktor fest codiert, um den Fehler zu kompensieren.

So wird es, VAVE = 3,183 * 1,11 = 3,535 V.

Anhand der obigen Formeln und Beispiele können wir also beweisen, wie ein nicht wahres RMS-Multimeter die Wechselspannung berechnet.

Dieser Wert ist jedoch nur für reine Sinuswellenformen genau. Wir können also sehen, dass wir echte RMS-DVMs benötigen, um eine nicht sinusförmige Wellenform richtig zu messen. Andernfalls erhalten wir eine Fehlermeldung.

Dinge, die Sie beachten sollten

Bevor die Berechnungen für die praktische Anwendung durchgeführt werden, müssen einige Fakten bekannt sein, um die Genauigkeit beim Messen der Effektivspannungen mit Hilfe des AD736-IC zu verstehen.

Das Datenblatt des AD736 enthält die beiden wichtigsten Faktoren, die berücksichtigt werden sollten, um den Prozentsatz des Fehlers zu berechnen, den dieser IC bei der Messung des Effektivwerts erzeugt.

1. Frequenzgang
2. Scheitelfaktor

Frequenzgang

Durch Beobachtung der Kurven in der Grafik können wir feststellen, dass der Frequenzgang nicht mit der Amplitude konstant ist, aber je niedriger die Amplitude ist, die Sie am Eingang Ihres Wandler-IC messen, desto geringer ist der Frequenzgang und in den unteren Messbereichen bei etwa 1 mV. es fällt plötzlich ein paar kHz ab.

Das Datenblatt enthält einige Abbildungen zu diesem Thema, die Sie unten sehen können

Die Grenze für die genaue Messung liegt bei 1%

Wir können also deutlich sehen, dass die Eingangsspannung 1 mV und die Frequenz 1 kHz bereits die zusätzliche Fehlermarke von 1% erreicht. Ich gehe jetzt davon aus, dass Sie die restlichen Werte verstehen können.

HINWEIS: Die Frequenzgangkurve und die Tabelle stammen aus dem Datenblatt.

Scheitelfaktor

In einfachen Worten ist der Crest-Faktor das Verhältnis des Spitzenwerts geteilt durch den Effektivwert.

Crest-Faktor = VPK / VRMS

Wenn wir zum Beispiel eine reine Sinuswelle mit einer Amplitude von betrachten

VRMS = 10 V.

Die Spitzenspannung wird

VPK = VRMS * √2 = 10 * 1,414 = 14,14

Sie können dies deutlich anhand des folgenden Bildes aus Wikipedia sehen

Die folgende Tabelle aus dem Datenblatt zeigt, dass wir bei einem berechneten Crest-Faktor zwischen 1 und 3 einen zusätzlichen Fehler von 0,7% erwarten können, andernfalls müssen wir 2,5% des zusätzlichen Fehlers berücksichtigen, der für ein PWM-Signal gilt.

Schema für einen echten RMS-Wandler mit IC AD736

Das folgende Schema für den RMS-Konverter stammt aus dem Datenblatt und wurde entsprechend unseren Anforderungen geändert.

Erforderliche Komponenten

Sl. Nein	Teile	Art	Menge
1	AD736	IC	1
2	100K	Widerstand	2
3	10uF	Kondensator	2
4	100uF	Kondensator	2
5	33uF	Kondensator	1
6	9V	Batterie	1
7	Einspuriger Draht	Generisch	8
8	Transformator	0 - 4,5 V.	1
9	Arduino Nano	Generisch	1
10	Steckbrett	Generisch	1

Echter RMS / DC-Wandler - Praktische Berechnungen und Tests

Zur Demonstration wird die folgende Vorrichtung verwendet

1. Meco 108B + TRMS Multimeter
2. Meco 450B + TRMS Multimeter
3. Hantek 6022BE Oszilloskop

Wie im Schema gezeigt, wird ein Eingangsdämpfer verwendet, der im Grunde eine Spannungsteilerschaltung ist, um das Eingangssignal des AD736-IC zu dämpfen, da die Eingangsspannung dieses ICs im Vollmaßstab MAX 200 mV beträgt.

Nachdem wir einige grundlegende Fakten über die Schaltung geklärt haben, beginnen wir mit den Berechnungen für die praktische Schaltung.

RMS-Berechnungen für 50-Hz-Wechselstrom-Sinuswelle

Transformatorspannung: 5,481 V RMS, 50 Hz

Wert des Widerstands R1: 50,45 K.

Wert des Widerstands R1: 220R

Eingangsspannung des Transformators

Wenn wir diese Werte in einen Online- Spannungsteilerrechner eingeben und berechnen, erhalten wir die Ausgangsspannung von 0,02355 V ODER 23,55 mV

Jetzt sind der Eingang und der Ausgang der Schaltung deutlich zu sehen.

Auf der rechten Seite zeigt das Multimeter Meco 108B + TRMS die Eingangsspannung an. Das ist der Ausgang der Spannungsteilerschaltung.

Auf der linken Seite zeigt das Multimeter Meco 450B + TRMS die Ausgangsspannung an. Das ist die Ausgangsspannung vom AD736 IC.

Jetzt können Sie sehen, dass die obige theoretische Berechnung und beide Multimeterergebnisse nahe beieinander liegen. Für eine reine Sinuswelle bestätigt dies die Theorie.

Der Messfehler in beiden Multimeterergebnissen ist auf ihre Toleranz zurückzuführen. Zur Demonstration verwende ich den 230-V-Wechselstromeingang, der sich mit der Zeit sehr schnell ändert.

Wenn Sie Zweifel haben, können Sie das Bild vergrößern und feststellen, dass sich das Meco 108B + TRMS-Multimeter im AC-Modus und das Meco 450B + TRMS-Multimeter im DC-Modus befindet.

Zu diesem Zeitpunkt habe ich mich nicht darum gekümmert, mein Hantek 6022BL-Oszilloskop zu verwenden, da das Oszilloskop so gut wie unbrauchbar ist und nur bei diesen Niederspannungspegeln Rauschen zeigt.

Berechnungen für das PWM-Signal

Zur Demonstration wird mit Hilfe eines Arduino ein PWM-Signal erzeugt. Die Spannung der Arduino- Karte beträgt 4,956 V und die Frequenz beträgt fast 1 kHz.

Maximale Spannung der Arduino- Platine: 4,956 V, 989,3 Hz

Wert des Widerstands R1: 50,75 K.

Wert des Widerstands R1: 220R

Eingangsspannung auf der Arduino-Platine

Geben Sie diese Werte nun in einen Online-Spannungsteiler-Rechner ein und berechnen Sie, dass die Ausgangsspannung 0,02141 V ODER 21,41 mV beträgt.

Dies ist die Spitzenspannung des PWM-Eingangssignals. Um die Effektivspannung zu ermitteln, müssen Sie sie einfach durch √2 teilen, damit die Berechnung erfolgt

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

Theoretisch kann ein True-RMS-Multimeter diesen theoretisch berechneten Wert leicht berechnen, oder?

Im DC-Modus

Im AC-Modus

Der Transformator auf dem Bild sitzt da und tut nichts. Damit können Sie sehen, dass ich eine sehr faule Person bin.

Also, wo liegt das Problem?

Bevor jemand springt und sagt, dass wir die Berechnungen falsch gemacht haben, möchte ich Ihnen sagen, dass wir die Berechnungen richtig gemacht haben und das Problem in den Multimetern liegt.

Im DC-Modus nimmt das Multimeter einfach den Durchschnitt des Eingangssignals, das wir berechnen können.

Die Eingangsspannung beträgt also 0,02141 V, und um die durchschnittliche Spannung zu erhalten, wird der Wert einfach mit 0,5 multipliziert.

So wird die Berechnung, VAVE = 0,02141 * 0,5 = 0,010705 V oder 10,70 mV

Und genau das bekommen wir im Multimeter-Display.

Im Wechselstrommodus blockiert der Eingangskondensator des Multimeters die Gleichstromkomponenten des Eingangssignals, sodass die Berechnung ziemlich gleich wird.

Wie Sie jetzt deutlich sehen können, sind in dieser Situation beide Messwerte absolut falsch. Sie können dem Multimeter-Display also nicht vertrauen. Aus diesem Grund gibt es Multimeter mit True RMS AC + DC- Funktionen, mit denen diese Art von Wellenformen problemlos genau gemessen werden können. Beispielsweise ist der extech 570A ein Multimeter mit True RMS AC + DC-Funktionen.

Der AD736 ist eine Art IC, mit dem diese Arten von Eingangssignalen genau gemessen werden. Das folgende Bild ist ein Beweis für die Theorie.

Jetzt haben wir die RMS-Spannung mit 15,14 mV berechnet. Das Multimeter zeigt jedoch 15,313 mV an, da wir den Crest-Faktor und den Frequenzgang des AD736- IC nicht berücksichtigt haben.

Da wir den Crest-Faktor berechnet haben, beträgt er 0,7% des berechneten Werts. Wenn wir also rechnen, läuft er auf 0,00010598 oder 0,10598 mV hinaus

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

Oder

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

Der vom Meco 450B + Multimeter angezeigte Wert liegt also deutlich im Fehlerbereich von 0,7%

Arduino Code für die PWM-Erzeugung

Fast hätte ich vergessen zu erwähnen, dass ich diesen Arduino-Code verwendet habe, um das PWM-Signal mit einem Tastverhältnis von 50% zu erzeugen.

int OUT_PIN = 2; // Rechteckwelle mit 50% Tastverhältnis void setup () {pinMode (OUT_PIN, OUTPUT); // Definieren des Pins als Ausgang} void loop () {/ * * Wenn wir 500 Mikrosekunden in Sekunden konvertieren, erhalten wir 0,0005S * Wenn wir es jetzt in die Formel F = 1 / T * einfügen, erhalten wir F = 1 / 0,0005 = 2000 * Der Pin ist für 500 US eingeschaltet und für 500 US ausgeschaltet, sodass die Frequenz F = 2000/2 = 1000 Hz wird oder 1 kHz * * / digitalWrite (OUT_PIN, HIGH); delayMicroseconds (500); digitalWrite (OUT_PIN, LOW); delayMicroseconds (500); }}

Weitere Informationen zum Generieren von PWM mit Arduino finden Sie hier.

Vorsichtsmaßnahmen

AD736 True RMS zu DC-Wandler-IC ist bei weitem der teuerste 8-PIN-PDIP-IC, mit dem ich gearbeitet habe.

Nachdem ich einen mit ESD vollständig zerstört hatte, traf ich die richtigen Vorsichtsmaßnahmen und schnallte mich zu Boden.

Schaltungsverbesserungen

Für die Demonstration habe ich die Schaltung in einem lötfreien Steckbrett hergestellt, was absolut nicht zu empfehlen ist. Deshalb steigt der Messfehler nach einem bestimmten Frequenzbereich an. Diese Schaltung benötigt eine richtige PCB mit dem richtigen e tar-Grundebene, um richtig zu arbeiten.

Anwendungen von True RMS zu DC-Wandler

Es wird in verwendet

• Hochpräzise Voltmeter und Multimeter.
• Hochpräzise nicht sinusförmige Spannungsmessung.

Ich hoffe, Ihnen hat dieser Artikel gefallen und Sie haben etwas Neues daraus gelernt. Wenn Sie Zweifel haben, können Sie in den Kommentaren unten nachfragen oder unsere Foren für detaillierte Diskussionen nutzen.

Ein detailliertes Video, das den gesamten Berechnungsprozess zeigt, ist unten angegeben.