Конвертер реальных среднеквадратичных значений

Для измерения переменного тока сигнал часто преобразуется в постоянный ток эквивалентной величины — среднеквадратического значения (RMS). Простые приборы и преобразователи сигналов выполняют это преобразование, фильтруя сигнал до среднего выпрямленного значения и применяя поправочный коэффициент. Значение применяемого поправочного коэффициента является правильным только в том случае, если входной сигнал синусоидальный .

Истинное среднеквадратичное значение обеспечивает более правильное значение, пропорциональное квадратному корню из среднего значения квадрата кривой, а не среднему значению абсолютного значения. Для любой заданной формы сигнала соотношение этих двух средних значений является постоянным, и, поскольку большинство измерений выполняется на (номинально) синусоидальных волнах, поправочный коэффициент предполагает эту форму сигнала; но любые искажения или смещения приведут к ошибкам. Чтобы добиться этого, настоящий преобразователь RMS требует более сложной схемы.

Цифровые преобразователи RMS

Если сигнал был оцифрован, правильное среднеквадратичное значение можно рассчитать напрямую. на базе ПК Большинство цифровых осциллографов и осциллографов имеют функцию определения среднеквадратического значения сигнала. Точность и полоса пропускания преобразования полностью зависят от аналого-цифрового преобразования. В большинстве случаев истинные среднеквадратичные измерения выполняются на повторяющихся сигналах, и в таких условиях цифровые осциллографы (и несколько сложных мультиметров с выборкой) способны достигать очень широкой полосы пропускания, поскольку они производят выборку с гораздо более высокой частотой дискретизации, чем частота сигнала, для получения стробоскопического сигнала. эффект.

Термопреобразователи

Среднеквадратичное значение переменного тока также известно как его теплотворная способность , поскольку это напряжение, эквивалентное значению постоянного тока , которое потребуется для получения того же нагревательного эффекта. Например, если к резистивному нагревательному элементу подать среднеквадратичное напряжение 120 В переменного тока , он нагреется точно так же, как если бы было подано напряжение 120 В постоянного тока.

Этот принцип использовался в первых термопреобразователях. Сигнал переменного тока подавался на небольшой нагревательный элемент, согласованный с термистором , который можно было использовать в цепи измерения постоянного тока.

Этот метод не очень точен, но он позволяет измерять любую форму сигнала на любой частоте (за исключением чрезвычайно низких частот, когда тепловая емкость термистора слишком мала, поэтому его температура слишком сильно колеблется). Большим недостатком является то, что он низкоомный: то есть мощность, используемая для нагрева термистора, поступает от измеряемой цепи. Если измеряемая цепь может выдерживать ток нагрева, то можно выполнить расчет после измерения, чтобы скорректировать эффект, поскольку импеданс нагревательного элемента известен. Если сигнал мал, то необходим предварительный усилитель, и измерительные возможности прибора будут ограничены этим предварительным усилителем. В радиочастотной ( РЧ ) работе низкий импеданс не обязательно является недостатком, поскольку широко используются возбуждающее и оконечное сопротивление 50 Ом.

Термопреобразователи стали редкостью, но все еще используются радиолюбителями и любителями, которые могут удалить тепловой элемент из старого ненадежного прибора и включить его в современную конструкцию собственной конструкции. Кроме того, на очень высоких частотах ( микроволновых ) измерители мощности по-прежнему используют тепловые методы для преобразования радиочастотной энергии в напряжение. Тепловые измерители мощности являются нормой для работы в диапазоне миллиметровых волн (ММВ) .

Аналоговые электронные преобразователи

Аналоговые электронные схемы могут использовать:

аналоговый умножитель в определенной конфигурации, который умножает входной сигнал сам на себя (возводит его в квадрат), усредняет результат с помощью конденсатора, а затем вычисляет квадратный корень из значения (с помощью схемы умножителя/возводителя в контуре обратной связи операционного усилителя) ), или
схема прецизионного двухполупериодного выпрямителя для создания абсолютного значения входного сигнала, который подается в логарифмический усилитель , удваивается и подается в экспоненциальный усилитель в качестве средства получения квадратичной передаточной функции $x^{2}=e^{2\ln {|x|}}$ , а затем вычисляется среднее по времени и квадратный корень, как описано выше,
прецизионный детектор в логарифмической области ( детектор Blackmer RMS ) также вычисляет логарифм абсолютного значения входного сигнала, однако усреднение по времени выполняется по логарифму, а не по квадрату входного сигнала. Выходной сигнал логарифмический (в децибелах), с быстрой атакой, но медленным и линейным затуханием. ^[1]
полевой транзистор может использоваться для непосредственного создания квадратичной передаточной функции перед усреднением по времени.

В отличие от термопреобразователей, они имеют ограничения по полосе пропускания , что делает их непригодными для большинства радиочастотных работ. Схема перед усреднением по времени особенно важна для высокочастотных характеристик. Ограничение скорости нарастания операционного усилителя, используемого для создания абсолютного значения (особенно при низких уровнях входного сигнала), делает второй метод самым плохим на высоких частотах, в то время как метод на полевых транзисторах может работать близко к УКВ. Для производства достаточно точных интегральных схем для сложных аналоговых вычислений требуются специальные методы, и очень часто счетчики, оснащенные такими схемами, обеспечивают истинное среднеквадратичное преобразование в качестве дополнительной опции со значительным увеличением цены.

Ссылки

^ Тайлер, Лес; Кирквуд, Уэйн (2008). «12.3.4 Специальные аналоговые интегральные схемы для аудиоприложений». В Глене Баллоу (ред.). Справочник для звукорежиссеров. Четвертое издание . Фокальный/Эльзевир. стр. 347–348. ISBN 978-0-240-80969-4 .

Внешние ссылки

Описание схемы ^[1] аналогового преобразователя истинного среднеквадратического значения в постоянный ток, основанного на методе логарифмического/антилогарифмического анализа .

https://meterreviews.com/best-fluke-multimeter/ Список цифровых мультиметров, имеющих функцию истинного среднеквадратического значения.

Литература

Курт Бергманн: Технология электрических измерений. Вьюег, 2000, 6-е издание, стр. 18.
Вильфрид Вайсгербер: Электротехника для инженеров 2. Springer Vieweg, 2013, 8-е издание, стр. 2.

^ National Semiconductor - Детектор истинного среднеквадратичного значения LB-25 (Linear Brief 25), июнь 1973 г.

[1] Тайлер, Лес; Кирквуд, Уэйн (2008). «12.3.4 Специальные аналоговые интегральные схемы для аудиоприложений». В Глене Баллоу (ред.). Справочник для звукорежиссеров. Четвертое издание . Фокальный/Эльзевир. стр. 347–348. ISBN 978-0-240-80969-4 .

[2] National Semiconductor - Детектор истинного среднеквадратичного значения LB-25 (Linear Brief 25), июнь 1973 г.

[1]

[1]