Определение действующего напряжения: Действующее значение напряжения: что это, как рассчитать

Содержание

Действующее напряжение и амплитудное напряжение

Все знают, что действующее напряжение в розетке 220 Вольт (230 по новым нормам, но для данной темы это не имеет особого значения). Это легко проверить при помощи мультиметра, который измерит разность потенциалов между фазой и рабочим нулевым проводником. То есть, при идеальных условиях, потенциал на нулевом проводе 0, а на фазном 220 Вольт. На самом деле все немного не так — переменный ток имеет синусоидальную форму с потенциалом на пиках 310 и -310 Вольт (амплитудное напряжение). Для того чтобы это увидеть, необходимо воспользоваться осциллографом.

Синусоида действующего и амплитудного напряжения

Понятно, что данный материал в большей степени ориентирован на простую аудиторию, у которой не то, что осциллографа нет, даже мультиметр наверняка не у каждого есть. Поэтому все примеры будут браться из среды программы Electronics Workbench, доступной каждому.

И первое, что нам нужно посмотреть — это синусоиду напряжения фазы из розетки. Для этого в программе отрисуем трехфазную сеть и подключим осциллограф к одной из фаз:

Как видно при показании вольтметра 219,4 Вольт между одной из фаз и PEN проводником, осциллограф показал синусоиду с амплитудой 309,1 Вольт. Это значение напряжения называется максимальным (амплитудным). А 219,4 Вольт, которые показывает вольтметр — это действующее напряжение. Его также называют среднеквадратичным или эффективным. И прежде чем перейти к рассмотрению данной особенности, кратко, простыми словами пройдемся по отрисованной схеме трехфазной сети и разберемся в природе синусоиды.

Начнем со схемы:

Слева на право — три источника переменного напряжения с фазовыми углами 0, 120, 240 градусов и соединенными звездой.
Резистор 4 Ом — это заземление нейтрали трансформатора.
Резисторы по 0,8 Ом — условное сопротивление проводов, зависящее от сечения провода и длины линии.
Резисторы 15, 10 и 20 Ом — нагрузка потребителей по трем фазам.
К одной из фаз подключен осциллограф, показывающий амплитуду 309,1 Вольт.

Теперь рассмотрим синусоиду. Переменное напряжение в отличие от постоянного, график которого прямая на осциллографе, непрерывно изменяется как по величине, так и по направлению. Причем изменения эти происходят периодически, то есть точно повторяются через равные промежутки времени.

Переменное напряжение генерируется на электростанциях и посредством повышающих и понижающих распределительных трансформаторов попадает к конечному потребителю. При этом трансформация по пути никак не сказывается на синусоиде напряжения.

Видео — действующее напряжение и амплитудное

С полным и наглядным изложением рассматриваемого вопроса вы можете ознакомиться в следующем видео:

Работа генератора трехфазного переменного тока

Рассмотрим упрощенно работу генератора трехфазного переменного тока. Обмотки статора (фазы А, В и С) генератора расположены под углом 120 градусов относительно друг друга. Ротор с магнитом вращаясь индуцирует в обмотках статора периодически изменяющиеся ЭДС. Выглядит это следующим образом:

Такое вращение происходит с частотой 50 оборотов в секунду, то есть с частотой 50 Герц. Это значит, что электроны движутся в течение 1 секунды 50 раз в одном направлении (положительный полупериод синусоиды), и 50 — в обратном (отрицательный полупериод), 100 раз проходя чрез нулевое значение. Получается, что к примеру обычная лама накаливания, включенная в сеть с такой частотой, будет затухать и вспыхивать примерно 100 раз за секунду, однако мы этого не замечаем в силу особенностей своего зрения.

Определение действующего напряжения

Теперь непосредственно о том, почему произошел переход от максимального, амплитудного значения напряжения 310 Вольт к действующему 220 Вольт. Ответ можно найти в самом определении.

Действующее (эффективное или среднеквадратичное) значение напряжения — это такое напряжение постоянного тока, которое на такой же резистивной нагрузке выделит такую же мощность, как измеряемое переменное напряжение. Соответственно, действующее значение силы тока — такое значение силы постоянного тока, при прохождении которого через резистивную нагрузку выделится такая же мощность, что и при прохождении измеряемого тока.

Можно сформулировать и немного иначе. Действующее значение переменного тока равно величине такого постоянного тока, который за время, равное одному периоду переменного тока, произведет такую же работу (тепловой или электродинамический эффект), что и рассматриваемый переменный ток.

Общая формула расчета действующего напряжения произвольной формы следующая:

Объяснение действующего напряжения

Определение и формула — это хорошо. Но лучше все понять на наглядном примере. Объяснить все можно через мощность. Причем есть сложный для восприятия способ и более простой, который мы и рассмотрим далее.

Нам нужно взять один период синусоиды переменного напряжения, на этом промежутке построить синусоиду переменного тока и проанализировать мощность. Начнем с периода синусоиды переменного напряжения. Здесь же построим синусоиду переменного тока с учетом условной резистивной нагрузки (например, лампочки). По закону Ома сила тока равна напряжению, деленному на сопротивление.

Точные значения в конкретный момент при данном объяснении не принципиальны, поэтому все построения приблизительные. Естественно нужно понимать, что деля напряжение на сопротивление, мы получим синусоиду переменного тока с амплитудой в R раз меньшей, чем у напряжения. R – это значение сопротивления.

Теперь по двум синусоидам строим график мощности по формуле мощность равна силе тока умноженной на напряжение (P = I × U). Так как напряжение и ток имеют общие нулевые точки, то график мощности не будет заходить в отрицательную область. То есть сила тока со знаком «+» и напряжение со знаком «+» дадут мощность со знаком «+», так же как и сила тока со знаком «-» и напряжение со знаком «-» дадут мощность со знаком «+».

Анализируя полученный график можно отметить, что мощность пульсирующая. Она поднимается до максимального значения и падает до нуля, потом опять поднимается и снова падает. Как на эти колебания мощности реагируют электроприборы? Никак. Поскольку частота переменного тока 50 Герц, то эти колебания происходят очень быстро. Электроприборы откликаются не на максимальные и минимальные значения мощности, а на усредненные. То есть берется максимальное значение мощности и делится на два. Это значение называется действующим и находится по следующей формуле:

Pд = (Imax × Umax) / 2, где Pд — мощность действующая, Imax — сила тока максимальная, Umax — напряжение максимальное.

Двойку можно представить в виде корень из двух умножить на корень из двух. Получаем Действующее значение мощности = сила тока максимальная деленная на корень из двух умноженная на напряжение максимальное деленное на корень из двух (Pд = (Imax/√2) × (Umax/√2)).

Соответственно сила тока максимальная деленная на корень из двух — это действующее значение силы переменного тока, а напряжение максимальное деленное на корень из двух – это действующее значение переменного напряжения.

И действительно, если мы возьмем максимальное напряжение из предыдущего примера 309,1 Вольт и разделим на корень из двух, то получим действующее напряжение (то, которое показывает вольтметр) 219,4 Вольт.

Измерение действующих значений | Видео

Cмотри подробную информацию (описание, характеристики, cхемы и др.):

НПСИ-ДНТВ нормирующий измерительный преобразователь действующих значений напряжения (до 500 В) и тока с сигнализацией

НПСИ-ДНТН нормирующий измерительный преобразователь действующих значений напряжения (до 50 В) и тока с сигнализацией

НПСИ-200-ДН, НПСИ-200-ДТ нормирующие преобразователи действующих значений напряжения и тока

НПСИ-МС1 преобразователь мощности, действующих значений напряжения и тока, коэффициента мощности нагрузки пром. сети

НПСИ-500-МС1 измерительный преобразователь параметров однофазной сети с интерфейсами RS-485 и USB

НПСИ-500-МС3 измерительный преобразователь параметров трёхфазной сети с интерфейсами RS-485 и USB

Добрый день, уважаемые коллеги!

Задача измерения действующих значений тока и напряжения в электрической сети очень распространена. Научно-производственная фирма “КонтрАвт” предлагает целый ряд измерительных преобразователей, которые позволяют производить эти измерения и преобразовывать измеренные значения в унифицированные сигналы.

В конце видео мы приведем перечень таких преобразователей. А сейчас мы сосредоточимся на обсуждении ряда вопросов, связанных с измерением этих величин.

Несмотря на распространенность и “привычность” этих параметров, результат измерения сильно зависит от применяемого метода измерения, а главное, от того, насколько этот метод соответствует особенностям измеряемых сигналов.

Попробуем в этом разобраться.

Мы начнем с определения.

Определение действующих значений.

Обсудим простейшие методы измерения действующих значений гармонических сигналов.

Основное внимание уделим методам измерения негармонических сигналов, которые реализованы в преобразователях НПФ “КонтрАвт” и укажем те факторы, которые влияют на точность измерения.

“Гармонические сигналы”

Когда говорят о сигнале в сети переменного тока 50 Гц, то обычно имеют в виду гармонический (синусоидальный) сигнал. (график гармонического сигнала) Это идеальный случай.

Само значение переменного сигнала редко представляет самостоятельный интерес на практике. Более интересным оказывается измерение некоторых определенных характеристик переменных сигналов, дающих представление о сигнале в целом.

“Действующее значение”

Одним из таких обобщенных параметров, описывающим энергетические свойства переменного сигнала, его способность совершать работу, является “действующее значение сигнала” или по другому ”среднеквадратичное значение”.

Графики наглядно показывают, что измерительные преобразователи измеряют и преобразуют не сам сигнал, а характеризующий его параметр — действующее значение.

Дадим математическое определение.

Действующее значение есть квадратный корень из среднего значения квадрата сигнала. Усреднение проводится по времени за период переменного сигнала Т:

где — мгновенные значения напряжения и тока.

Физический смысл действующего значения напряжения заключается в том, что оно соответствует такому постоянному напряжению, которое выделяет на активной нагрузке такое же тепло. Поэтому применяется еще термин «эффективное» значение. Таким образом, действующее значение позволяет сравнивать с энергетической точки зрения переменный сигнал с постоянным.

“Для гармонических сигналов“

Мы дали математическое определение и выяснили физический смысл действующего значения.

Рассмотрим теперь метод его измерения в частном случае гармонического (синусоидального ) сигнала.

Действующие значения напряжения Uд и тока Iд для гармонического (синусоидального) сигнала можно математически рассчитать и установить связь с амплитудами Um и Im:

Отсюда сразу следует метод измерения действующего значение путем измерения амплитуды.

Второй метод — измерение через средневыпрямленное значение.

Средневыпрямленное значение — это среднее значение модуля сигнала:

Средневыпрямленные значения для гармонического сигнала выражаются через их амплитуды следующими соотношениями:

Как видим, среднеквадратичные и средневыпрямленные значения линейно связаны между собой:

Метод измерения действующего значения на основе средневыпрямленного весьма распространен, прежде всего, потому, что его реализация аналоговыми схемотехническими решениями достаточна проста.

“Несинусоидальные сигналы”

Недостаток этих двух методов измерения заключается в том, что они применимы только для синусоидального сигнала. На практике сигналы тока и напряжения могут сильно отличаться от правильной синусоидальной формы.

Поэтому попытка измерения среднеквадратичного значения негармонических сигналов с помощью выпрямительных приборов приводит к большим погрешностям измерения.

Почему форма напряжения и тока в сети может отличаться от синусоидальной?

Основная причина — применение нелинейных устройств в качестве нагрузки или управляющих элементов. На графиках приведены эпюры напряжения для тиристорного регулятора, однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей.

Это значит, что для измерения действующих значений сигналов несинусоидальной формы необходимо применять методы измерений, позволяющие вычислять значения непосредственно по формулам.

Про такие методы измерения говорят TRUE RMS.

Большую помощь в этом оказывают цифровые методы измерения и обработки сигналов. Они позволяют проводить измерение действующих значений с высокой точностью и для сигналов несинусоидальной формы.

Однако, и в этом случае есть некоторые особенности измерения, которые надо учитывать.

Проблемы две и обе они вытекают из формулы для действующих значений:

Первая — это погрешности, связанные с численным интегрированием с конечным шагом дискретизации сигнала, особенно при наличии высших гармоник.

Вторая — частота в сети на практике может не совпадать с периодом усреднения

Рассмотрим как эти две проблемы решаются в измерительных преобразователях действующих значений напряжения и тока серии НПСИ, выпускаемых НПФ “КонтрАвт”

“Особенности измерения ”

Итак первая проблема: Влияние частоты дискретизации на точность вычисления интеграла.

Как мы говорили ранее, практический интерес представляет ситуация, когда измеряется действующее значение напряжения (тока) сети частотой 50 Гц, но форма сигнала не является чисто гармонической (синусоидальной). Это означает в спектре сетевого напряжения будут присутствовать высшие гармоники, кратные 50 Гц.

При цифровом интегрировании непрерывный интеграл заменяется суммой дискретных отсчетов, при этом точность интегрирования напрямую зависит от периода дискретизации Δt.

В преобразователях НПСИ частота дискретизации составляет 10 кГц, а усреднение производится на 4 периодах сетевого напряжения, то есть на интервале 80 мс.

При частоте дискретизации 10 кГц, максимально допустимая гармоника в спектре сетевого напряжения будет 20-ая, с частотой 1000 Гц. Для более высоких не хватает частоты дискретизации.

При измерении действующих значений синусоидальных сигналов погрешность вычислений пропорциональна квадрату отношения интервала дискретизации к периоду гармоники (Δt/Тгарм)2.

Для основной гармоники сетевого напряжения 50 Гц погрешность вычислений составляет всего 0,0025 % и ее можно не принимать в расчет.

На частоте 500 Гц эта вычислительная погрешность составляет уже 0,25%, а на частоте максимально допустимой гармоники 1000 Гц (20 -ая гармоника) — погрешность 1 %.

Для преобразователя НПСИ заявленная основная погрешность составляет 0.5%. Поэтому, если в сети присутствуют только первые 7-8 гармоник, то преобразователи НПСИ будет измерять действующие значения без дополнительной погрешности, При наличии более высоких гармоник необходимо учитывать учитывать дополнительную погрешность.

Вторая особенность заключается в том, что частота в сети может отличаться от 50 Гц и на периоде усреднения укладывается не целое число периодов. В результате переменная составляющая не будет полностью обнуляться и измеренные значения будут колебаться. Эти колебания могут рассматриваться как дополнительная погрешность измерения.

Российскими стандартами установлено, что нормально допустимые и предельно допустимые отклонения частоты сети не должны превышать соответственно ± 0,2 Гц и ± 0,4 Гц.

При отклонении частоты на 0,2 Гц от частоты 50 Гц возникают колебания результата измерения порядка 0,4%.

В связи с этим одно важное замечание.

Преобразователи НПСИ позволяют измерять гармоники, кратные 50 Гц, вплоть до частоты 1000 Гц, но их нельзя применять для частот не кратных 50 Гц (например, 64 Гц).

Аналогичная ситуация будет, если сигнал не является периодическим.

“Борьба с погрешностью”

Есть три основные причины, из-за которых возникают флуктуации измеренных действующих значений. О первых двух мы только что рассказали:

Погрешность измерения высших гармоник

Отклонение частоты от 50 Гц.

Наличие шумоподобных и импульсных помех.

Все три приводят к погрешности измерения.

Для борьбы с этими явлениями в преобразователях НПСИ можно включить усреднение измеренных значений. Это простой и эффективный метод позволяет практически полностью исключить эти колебания, но его применение приводит к повышению инерционности измерения. Первичное усреднение происходит на интервале 80 мс при измерении самого действующего значения. Кроме того, в преобразователях НПСИ предусмотрена дополнительная возможность усреднения с временами усреднения от 1 с до 50 с, но дополнительное усреднение может быть и отключено.

Пользователю следует выбрать оптимальное соотношение погрешности и быстродействия.

“Приборы НПСИ”

Вначале уже говорили, что НПФ “КонтрАвт” выпускает целый ряд измерительных преобразователей измерения и преобразования в унифицированные сигналы тока и напряжения

Вот их перечень:

НПСИ-ДНТВ (до 500 В), НПСИ-ДНТН (до 50 В), программируемые тип и диапазон измерения

НПСИ-200-ДН (напряжение) и НПСИ-200-ДТ (ток) — фиксированные диапазоны

НПСИ-МС1 — ток, напряжение, мощность, 1 фаза, программируемые

НПCИ-500-МС1 ( 1 фаза) и НПСИ-500-МС3 (3 фаза) — ток, напряжения мощности, программируемые, RS-485

В этой линейке приборов есть преобразователи с программируемым типом и диапазоном измерения, есть с фиксированным преобразованием. Есть преобразователи, которые измеряют всю совокупность параметров в одно- и трехфазной сети (действующие значения тока и напряжения, все виды мощности, частоту сети и ряд других параметры), а также преобразуют их в токовые сигналы и передают по интерфейсу RS-485.

Во всех реализован описанный метод измерения, позволяющий измерять периодические несинусоидальные сигналы с основной частотой 50 Гц с гармониками вплоть до 20 (частота 1000 Гц), а также сигналы с постоянной составляющей (постоянные сигналы). Дополнительное усреднение измеренных значений эффективно повышает точность и стабильность измерения.

“Завершение”

На этом мы заканчиваем обсуждение методов измерения действующих значений напряжения и тока.

Измерение среднеквадратичных значений напряжения и тока

ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ (ТОКА)

Стандартные классические измерения значений напряжения (тока) основаны на двух основных методах: «среднем» и «эффективном».

«Среднее» значение функции времени — это чистая площадь функции, рассчитанная для определенного интервала времени, деленная на этот интервал времени.

В частности,
(Уравнение 1)

Если напряжение (ток) постоянное или периодическое, то измерение его среднего значения не зависит от интервала, в течение которого производится измерение. Если, с другой стороны, функция напряжения (тока) неограниченно возрастает во времени, то среднее значение зависит от интервала измерения и не обязательно будет постоянным, т. е. среднего значения не существует. К счастью, в практическом электрическом мире значения напряжения (тока) не растут безгранично и, следовательно, имеют хорошие средние значения. Это связано с тем, что реальные источники напряжения (тока) обычно либо; (1) батареи с постоянными или медленно (экспоненциально) убывающими значениями, (2) ограниченные синусоидальные функции времени или (3) комбинации вышеперечисленного. Синусоидальные функции с постоянной амплитудой имеют чистое нулевое среднее значение за временные интервалы, которые равны целым кратным синусоидального периода. Более того, средние значения можно вычислять по бесконечному числу интервалов, не равных синусоидальному периоду. Эти средние значения также равны нулю. Хотя среднее значение ограниченной синусоидальной функции равно нулю, «эффективное» значение не равно нулю. Например, электрические водонагреватели очень хорошо работают при синусоидальном напряжении с нулевыми средними значениями.

ДЕЙСТВУЮЩЕЕ ЗНАЧЕНИЕ

«Эффективное» значение симметричных периодических функций напряжения (тока) от времени основано на понятии «теплопроизводительность». Рассмотрим испытательное приспособление, показанное на рисунке 1.

Рис. 1. Тестовое приспособление

Этот сосуд изолирован и заполнен какой-либо стабильной жидкостью (например, трансформаторным маслом), способной достичь термодинамического равновесия. Если к внутреннему нагревателю сосуда приложить постоянное напряжение Vx, температура жидкости повысится. В конце концов, электрическая энергия, подаваемая на этот сосуд, установит равновесное состояние, при котором подведенная энергия равна потерянной энергии (теплу), а жидкость в сосуде достигнет равновесной температуры, Tx градусов.

Далее в этом экспериментальном сценарии замените источник постоянного напряжения Vx изменяющимся во времени напряжением, которое не увеличивается неограниченно. В конце концов, через некоторое время Tfinal снова установится тепловое равновесие. Если это равновесное состояние устанавливает ту же температуру Tx, которая была достигнута ранее при приложенном постоянном напряжении Vx, то можно сказать, что «эффективное» значение этой изменяющейся во времени функции равно Vx.

Отсюда и определение «действующей стоимости».
Уравнение 2 иллюстрирует это тепловое равновесие.
(Уравнение 2)

Если V(t) — периодическая функция времени с периодом цикла Tp, а T _final — целое число «n», умноженное на период (n*Tp), то интеграл по T _final равен просто n умноженный на интеграл по Tp. Результаты этих замен показаны в уравнении 3.

(уравнение 3)

Уравнение 3 показывает, что эффективная эквивалентная теплоемкость ограниченной периодической функции напряжения (тока) может быть определена всего за один цикл.
Это уравнение известно как старая знакомая форма «квадрата 9».0010 R является результатом M ean (среднего) S в квадрате»; отсюда и название « RMS ».

ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УРАВНЕНИЯ «СКЗ»

Следующие результаты могут быть показаны прямым применением уравнения 3.

Синусоидальная функция, пик Vp
Симметричная периодическая пульсовая волна, пик Vp
Несимметричная периодическая пульсовая волна, все положительные пики Vp, с рабочим циклом D
Симметричная периодическая треугольная волна, пик Vp
Полноволновая выпрямленная синусоида, пиковое значение Vp
Полупериодная выпрямленная синусоида, пиковое значение Vp

Примечание: Эти примеры показывают, что форма периодической функции может определять ее среднеквадратичное значение.
Пик (гребень) функции напряжения (тока) от времени, деленный на √ 2
часто ошибочно используется для расчета среднеквадратичного значения. Этот метод может привести к ошибкам, и его явно следует избегать.

ЭФФЕКТИВНЫЕ (СКЗ) ЗНАЧЕНИЯ КОМПЛЕКСНЫХ ФУНКЦИЙ

Чрезвычайно полезным фактом при определении среднеквадратичных значений является то, что любая ограниченная периодическая функция времени с хорошим поведением может быть выражена как среднее значение плюс сумма синусоид (например, теорема Фурье);

(Уравнение 4)

Где ωo — частота V(t) в радианах, а An, Bn, Ao — амплитудные коэффициенты Фурье.

Когда этот ряд подставляется в интегральное выражение (уравнение 2) для RMS, получается следующее;

(Уравнение 5)

Примечание: (A _n ) ² и (B _n ) ² /2 являются квадратами среднеквадратичных значений для каждого n ^-го компонента Sin и Cosine.

Важный вывод;

Ограниченная периодическая функция времени имеет среднеквадратичное значение, равное квадратному корню из суммы квадратов среднеквадратичного значения каждого отдельного компонента.

ПРАКТИЧЕСКИЕ СООБРАЖЕНИЯ

На рис. 2 показаны составные кривые, полученные путем добавления двух синусоид, одной на частоте 60 Гц и одной на частоте 180 Гц. Кривая 1 предназначена для нулевой разности фаз, а кривая 2 — для разности фаз на 90 градусов.

В частности;
Кривая 1 V(t) = 170*Sin(377*t) +50*Sin(1131*t)
Кривая 2 V(t) = 170*Sin(377*t) +50*Cos(1131*t)

Примечание: Форма комбинированной кривой определяется гармониками фазы и частоты.

Рисунок 2:
Основная гармоника с добавлением третьей гармоники
Кривая 2 170*Sin(377*t) +50*Cos(1131*t)

Кривая 1 170*Sin(377*t) +50*Sin(1131*t)

Промышленные синусоидальные функции напряжения (тока) часто содержат гармоники, влияющие на форму волны и пиковые (гребенчатые) значения. Например, кривая 2 типична для токов намагничивания в трансформаторах и двигателях с частотой 60 Гц. В недорогих устройствах для считывания среднеквадратичного значения часто используются схемы выпрямителя, фиксирующие пиковое значение, которое затем масштабируется с коэффициентом 0,707 и отображается как среднеквадратичное значение. Ясно, что этот метод может давать неверные показания среднеквадратичного значения.
В этом примере использование Vpeak ÷√2 явно дает неправильные значения.

Кривая 1: 203*0,707 = 144 В, неверное среднеквадратичное значение
Кривая 2: 155*0,707 = 110 В, неверное среднеквадратичное значение

Правильное среднеквадратичное значение для обеих составных синусоидальных функций:
[(170) ²/2 + (50) ²/2 ] ^1/2 = 125,3 В СКЗ

Таблица 1 иллюстрирует два примера расчета среднеквадратичного значения с использованием отдельных коэффициентов Фурье и уравнения 5. Первый пример представляет собой двухполупериодную выпрямленную синусоиду с пиковым напряжением 1 вольт. Обратите внимание, что для функции двухполупериодного выпрямления измерительному устройству, необходимому для получения показаний среднеквадратичного значения с погрешностью 0,01 %, требуется полоса пропускания, включающая пятую (5) гармонику, и разрешение для считывания уровней 10 мВ.
Другой пример, показанный в Таблице 1, представляет собой пилообразную пиковую функцию 1 В. В этом примере измерительному устройству для пилообразной функции, необходимому для получения показаний RMS с погрешностью 0,3 %, требуется полоса пропускания, включающая двадцать пятую (25) гармонику, и разрешение для считывания уровней 10 мВ.

Предположим, для наглядности, что пульсации переменного тока на выходе постоянного тока выпрямителя могут быть аппроксимированы пилообразной функцией. В таблице 1 показано, что для измерения с погрешностью 0,3 % среднеквадратичных пульсаций переменного тока на выходе постоянного тока выпрямителя с частотой 20 кГц измерительное устройство должно иметь полосу пропускания более 500 кГц и разрешение для считывания уровней напряжения на 40 дБ (100 микровольт). для пиковых пульсаций 10 мВ). Этот пример ясно показывает, что форма сигнала вместе с шириной полосы измерения и разрешением чрезвычайно важны для определения точности измерения истинного среднеквадратичного значения.

Любое устройство измерения «истинного среднеквадратичного значения» должно быть способно точно реализовать уравнение 3. Тонкость в этом утверждении заключается в том, что для электронной реализации уравнения 3 требуется, чтобы устройство имело очень большую полосу пропускания и могло разрешать малые величины.

КРЕСТ-ФАКТОР

Еще одним показателем качества, часто используемым для характеристики периодической функции напряжения (тока) во времени, является коэффициент амплитуды (CF). Крест-фактор для конкретной формы волны определяется как пиковое значение, деленное на среднеквадратичное значение. В частности,

ДАННЫЕ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКЗ

Измерения истинного среднеквадратичного значения требуют контрольно-измерительных приборов, которые точно реализуют уравнение 3, «то самое» уравнение среднеквадратичного значения.
Эти устройства должны иметь как широкую полосу пропускания, так и хорошее низкоуровневое разрешение, чтобы поддерживать высокие коэффициенты амплитуды.
Dataforth разработала три продукта, которые удовлетворяют этим требованиям; входные модули SCM5B33, DSCA33 и 8B33 True RMS.
Эти продукты обеспечивают изолирующий барьер 1500 В среднеквадратичного значения между входом и выходом.

SCM5B33 Изолированный модуль ввода истинного среднеквадратичного значения

SCM5B33 Деталь

Технические характеристики и

Информация для заказа

Интерфейсы Среднеквадратичное напряжение (0–300 В) или среднеквадратичное значение тока (0–5 А)
Предназначен для стандартной работы с частотами от 45 Гц до 1000 Гц (расширенный диапазон до 20 кГц)
Совместимость со стандартными трансформаторами тока и напряжения
Промышленный стандартный выходной сигнал 0–1 мА, 0–20 мА, 4–20 мА, 0–5 В или 0–10 В постоянного тока
Точность заводской калибровки ±0,25 % (класс точности 0,2)
1500Vrms Непрерывная изоляция трансформатора
Защита от перегрузки на входе до 480 В макс. (пиковое значение переменного и постоянного тока) или 10 А среднеквадратичного значения в непрерывном режиме
ANSI/IEEE C37.90.1 Защита от переходных процессов
Сертифицировано CSA, соответствует требованиям CE и ATEX

DSCA33 Изолированный формирователь входного сигнала True RMS

DCSA33 Деталь

Технические характеристики и

Информация для заказа

Интерфейсы Среднеквадратичное напряжение (0–300 В) или среднеквадратичное значение тока (0–5 А)
Предназначен для стандартной работы с частотами от 45 Гц до 1000 Гц (расширенный диапазон работы до 20 кГц)
Совместимость со стандартными трансформаторами тока и напряжения
Промышленный стандартный выходной сигнал 0–1 мА, 0–20 мА, 4–20 мА, 0–5 В или 0–10 В постоянного тока
Точность заводской калибровки ±0,25 % (класс точности 0,2)
±5% Регулируемый нуль и диапазон
Изоляция трансформатора 1500 В (среднеквадратичное значение)
Защита от перегрузки на входе до 480 В (пиковое значение переменного и постоянного тока) или 10 А среднеквадратичного значения в непрерывном режиме
ANSI/IEEE C37. 90.1 Защита от переходных процессов
Легко устанавливается на стандартную DIN-рейку
Внесен в список C-UL-US
Соответствует CE и ATEX

8B33 Миниатюрный модуль ввода True RMS

8B33 Деталь

Технические характеристики и

Информация для заказа

Интерфейсы для измерения среднеквадратичного значения напряжения (0–300 В) или среднеквадратичного значения тока (0–1 А)
Предназначен для стандартной работы с частотами от 45 Гц до 1000 Гц (расширенный диапазон до 10 кГц)
Совместимость со стандартными трансформаторами тока и напряжения
Промышленный стандартный выход от 0 до 5 В постоянного тока
Точность заводской калибровки ±0,25 %
Изоляция трансформатора 1500 В (среднеквадратичное значение)
Входная перегрузка защищена до 350 В среднеквадратичного значения макс. (пиковое значение переменного и постоянного тока) или 2 действ. непрерывно
120 дБ CMR
ЯМР 70 дБ при 60 Гц
ANSI/IEEE C37.90.1 Защита от переходных процессов
Соответствует СЕ
Внесен в список C-UL-US
Ожидается соответствие требованиям ATEX
Смешивайте и подбирайте типы модулей на задней панели

Пиковые, среднеквадратичные и усредняющие цепи

AN012 — Пиковые, среднеквадратичные и усредняющие цепи

Продукция Elliott Sound

АН-012

Род Эллиотт (ESP)

Основной индекс
Приложение. Примечания Индекс

Измерение напряжения переменного тока

Существует множество причин для измерения напряжения переменного тока, и тип используемого измерения во многих случаях может иметь решающее значение. За некоторыми исключениями, переменная составляющая формы сигнала будет удалена с помощью конденсатора, а затем напряжение выпрямлено. Для большинства измерительных систем это будет сделано с использованием одной из схем двухполупериодного прецизионного выпрямителя, описанных в AN-001. Эта часть процесса является критической, и тип используемой схемы определяется требуемой точностью, частотой сигнала и уровнем.

Даже самый лучший прецизионный выпрямитель будет давать плохие результаты, если уровень сигнала слишком низкий, поэтому часто требуется предусилитель. Высокие частоты (выше 1 МГц) создают дополнительные проблемы, которые здесь не рассматриваются. Я сосредоточусь на системах, которые работают на обычных звуковых частотах, включая частоты сети (50 и 60 Гц). Охватываемый диапазон часто может быть очень ограниченным, особенно когда система разработана специально для сети и других частот ниже 1 кГц или около того.

Когда сигнал должен быть оцифрован, есть два варианта. Сигнал может подаваться непосредственно на АЦП (аналогово-цифровой преобразователь) без выпрямления, а все вычисления выполняются в цифровом виде. Входящий сигнал должен быть сдвинут по уровню (обычно так, чтобы ноль представлялся 2,50 В постоянного тока), а цифровая частота дискретизации должна быть абсолютным минимумом, равным удвоенной самой высокой интересующей частоте. Например, для частот до 20 кГц требуется минимальная частота дискретизации 40 кГц, а, как мы знаем, общепринятым стандартом является 44,1 кГц, используемый для аудио качества CD.

Второй вариант заключается в том, чтобы оставаться в пределах аналоговой области, а сигнал может отображаться в виде движения измерителя с подвижной катушкой или оцифровываться с использованием низкочастотного АЦП, который используется в большинстве мультиметров. В некоторых случаях выпрямленный переменный ток не используется для управления какой-либо формой измерения, но может использоваться для обеспечения автоматической регулировки усиления (АРУ), сжатия, ограничения или других функций в системе обработки звука.

Описанные ниже схемы предполагают второй вариант. Во входящем переменном токе будет удалена любая постоянная составляющая с помощью разделительного конденсатора, и он будет выпрямлен с помощью прецизионного выпрямителя. Пульсирующий постоянный ток на выходе выпрямителя затем обрабатывается для получения желаемого типа измерения — пикового, среднеквадратичного или среднего значения. Выходные данные могут сильно различаться в зависимости от используемого метода, и некоторые результаты могут оказаться неожиданными.

Рис. 1. Прецизионный двухполупериодный выпрямитель

Для последовательности я буду использовать выпрямитель, показанный выше. Это взято из AN-001, рис. 6, и было выбрано потому, что это простая схема, которая хорошо работает. Можно использовать любую из других схем, но для обнаружения пиков всем им требуется однополупериодный выпрямитель после основного выпрямителя, потому что конденсатор должен заряжаться через цепь, которая не разряжает его снова.

В некоторых случаях можно обойтись сильно упрощенными схемами, но все зависит от области применения и ожидаемой степени точности. В некоторых случаях (например, при обработке звука) точность не требуется, и нелинейное поведение может быть преимуществом, а не ограничением.

Важно понимать, что все методы измерения могут приводить к ошибкам и что не существует единого метода обнаружения, подходящего для всех форм сигналов. Ошибки и ограничения более подробно обсуждаются в выводах в конце этой статьи.

Пиковое значение

Получение пикового значения сигнала довольно просто, если не требуется экстремальная точность, и является одним из наиболее распространенных, особенно для схем обработки звука. Например, ограничитель аудиопика должен по определению применять ограничение на основе пикового значения сигнала. Большинство компрессоров/лимитеров работают на этой основе, но некоторые могут также использовать среднее значение, а небольшое количество используют преобразователи среднеквадратичного значения для получения управляющего напряжения.

Эта статья не о аудиокомпрессорах или лимитерах, поэтому, если вы хотите узнать больше по этой теме, вам придется просмотреть различные проекты ESP (см. список проектов ESP и выполните поиск по запросу «ограничитель»). Конечно, в Сети есть много других схем, и вы увидите великое множество вариаций.

Во многих случаях при выпрямлении переменного напряжения можно использовать пиковое напряжение, поскольку это самый быстрый метод измерения. Если входной сигнал представляет собой синусоиду, при желании измеритель можно откалибровать по среднеквадратичному значению. В этих условиях измеритель просто калибруется таким образом, что при входном напряжении 1 В постоянного тока измеритель настроен на отображение точно 707 мВ. Это основано на квадратном корне из 2 (√2), который равен 1,414 (и 0,707 — его обратное значение). Большинство читателей знают, что пиковое значение синусоиды 1 В составляет 1,414 В, но могут не знать об ограничениях этого метода измерения.

В некоторых случаях требуется только конденсатор, но это зависит от используемой схемы прецизионного выпрямителя. Большинству двухполупериодных выпрямителей требуется выходной диод (можно, если точность не требуется) или прецизионный однополупериодный выпрямитель, как показано ниже. Добавленный диод/полупериодный выпрямитель необходим, чтобы конденсатор не разряжался обратно через выходной операционный усилитель выпрямителя. Сильно упрощенная версия показана на рис. 2, и ее можно использовать, например, для схемы пикового лимитера. Однако для точных измерений это бесполезно. Если R4 не включен, необходимы какие-то средства для разряда C1, иначе он будет сохранять напряжение неопределенно долго, но подвержен дрейфу из-за утечки диода и конденсатора.

Рис. 2. Упрощенный детектор пиковых значений

В самом простом полуволновом пиковом детекторе используется только диод, пара резисторов и конденсатор. Полноволновая версия показана выше, но, поскольку диоды не находятся в контуре обратной связи, она страдает высокой нелинейностью из-за прямого напряжения диодов. Такое расположение подходит, если вам не нужна абсолютная точность или если диапазон измеряемых напряжений ограничен. Например, если вам нужно определить только напряжение от 5 В до 10 В (пиковое), ошибка, вносимая диодом, минимальна и легко компенсируется, но для прецизионной схемы этого недостаточно. Схема двухполупериодная, потому что есть прямой и инвертированный драйвер для диодов.

Два резистора (R4 и R5) определяют, насколько быстро конденсатор заряжается (R5) и разряжается (R4). Они подключены, как показано, поэтому они не создают делителя напряжения, как в случае, если бы R4 был подключен непосредственно параллельно конденсатору хранения/сглаживания (C1). Время заряда (атаки) определяется соотношением номиналов R5 и C1. Если R5 равен 1 кОм, а C1 равен 1 мкФ, время зарядки (постоянным током и до 63,2% от максимума, т. е. постоянной времени) составляет 1 мс, а полное напряжение (в пределах 1%) будет доступно примерно через 5 мс. Время затухания определяется соотношением C1 и R4 плюс R5 последовательно. Это достаточно близко к 1 секунде с показанными значениями. При входе переменного тока это зависит от частоты.

Рис. 3. Прецизионный детектор пиковых значений

При использовании высокоточного пикового детектора конденсатор всегда будет заряжаться почти мгновенно, поскольку он находится в контуре обратной связи операционного усилителя. Это не всегда удобно, особенно для обработки звука, когда необходимо программировать время атаки и затухания. Для измерений он обеспечивает максимально быстрое считывание со стабильным напряжением, доступным всего за один цикл, но чаще всего за пару циклов входного сигнала.

По ряду причин (исходя из простой реальности и физики) напряжение на C1 может быть немного ниже ожидаемого. Обычно при входном напряжении 100 мВ оно составляет около 0,4 %, но погрешность увеличивается при уменьшении уровня, и наоборот. Если есть какое-либо превышение входного сигнала, напряжение на C1 будет на 90×104 больше, чем ожидалось. Тщательная компоновка необходима, если вы хотите получить точную схему.

Показания пиковых значений не распространены в измерительных схемах, кроме счетчиков пиковых программ (PPM), где их использование необходимо (по определению). Обнаружение пиков — обычно неточное — гораздо чаще встречается в системах обработки звука. Если вы используете пиковое обнаружение, как описано здесь, для обычного измерения (откалиброванное среднеквадратичное значение), показание «среднеквадратического значения» будет точным только тогда, когда вход представляет собой синусоидальный сигнал. Серьезные ошибки будут очевидны для других сигналов.

Когда вам нужно контролировать амплитуду самых высоких пиков сигнала (обычно аудио, но не всегда), вам также необходимо определить время затухания. Если он будет слишком коротким, вы не успеете увидеть пики (а стрелка аналогового механизма не сможет двигаться достаточно быстро). Если время затухания слишком велико, вы не сможете увидеть другие (меньшие) пики, пока указатель не упадет до уровня новых пиков. Баллистика профессиональных PPM зависит от используемого стандарта (стандартов) — существует несколько различных версий.

Среднее значение

В большинстве измерительных систем чаще используется среднее значение, чем пиковое. Это происходит «автоматически», если движение счетчика с подвижной катушкой используется после прецизионного выпрямителя, потому что отклонение стрелки зависит от среднего тока. Как и при пиковом измерении, среднеквадратичное значение для синусоиды получается простым масштабированием выпрямленного напряжения, и в этом случае измеритель будет настроен на показание 707 мВ при входном напряжении 637 мВ. Среднее значение синусоиды определяется …

2 × V _{(пиковое значение)} / π = 0,6366 (0,637) для пиковой синусоиды 1 В (среднеквадратичное значение 707 мВ)

Важно понимать, что среднее значение синусоиды (как описано выше) можно использовать только после исправления. Если сигнал не выпрямлен, среднее значение равно нулю! Это связано с тем, что положительное и отрицательное напряжения точно равны, поэтому они компенсируются. Для речевых или музыкальных сигналов могут быть большие расхождения между RMS и средними значениями после исправления, но большинство аналоговых измерителей используют усреднение, потому что истинное среднеквадратичное значение измерения было трудно достичь до сравнительно недавнего времени.

Рис. 4. Детектор прецизионных средних показаний

Хотя на рис. 4 показаны как входные, так и выходные буферы, они могут не понадобиться в зависимости от приложения. Постоянная времени R2 и C1 должна быть выбрана так, чтобы обеспечить разумное время усреднения в зависимости от входной частоты. Если не нужно измерять очень низкие частоты, показанные значения обычно подходят. Постоянная времени составляет 1 секунду, поэтому точное напряжение не может быть получено в течение примерно 5 секунд.

Выходной сигнал, показанный на рис. 4, можно использовать для управления счетчиком с подвижной катушкой (даже если движение счетчика само по себе выполняет усреднение) или его можно оцифровать для отображения на жидкокристаллическом или светодиодном экране. Большинство дешевых цифровых мультиметров используют этот тип схемы для получения показаний сигналов переменного тока, а измеритель откалиброван для среднеквадратичного значения. Все, что необходимо, — это обеспечить небольшой коэффициент усиления, поэтому измеритель показывает 707 мВ, когда выходное постоянное напряжение фильтра усреднения составляет 637 мВ (или любое кратное или дольное значение этих напряжений).

Среднеквадратичное значение является точным, только если вход представляет собой синусоиду. Ошибка может быть значительной, как описано в следующем разделе.

Однако подавляющее большинство мультиметров (аналоговых и цифровых) используют метод калибровки среднего значения, среднеквадратичного значения. Чтобы избежать неизбежных ошибок с несинусоидальными сигналами, вы должны использовать измеритель «истинного среднеквадратичного значения». Если вы измеряете только синусоидальные волны (или их разумные факсимиле), ошибки не будут значительными, и измеритель средних показаний будет вполне подходящим для ваших нужд.

Среднеквадратичное значение

Ранние измерители «истинных среднеквадратичных значений» были чрезвычайно дорогими, и они использовали различные средства для получения среднеквадратичного значения формы входного сигнала. В одном популярном методе использовалась термопара, измеряющая температуру чувствительного элемента, который, в свою очередь, приводился в действие подходящим усилителем. Среднеквадратичное значение формы волны определяется как такое напряжение переменного тока (любой формы волны), которое обеспечивает точно такую же мощность (эффект нагрева), что и равное напряжение постоянного тока. Итак, если бы вам нужно было измерить повышение температуры резистора, питаемого 10 В постоянного тока и 10 В переменного тока, оно было бы одинаковым для обоих. Не имеет значения, был ли переменный ток синусоидальным, прямоугольным или сложной формой волны, такой как звуковой сигнал, при условии, что сигнал был устойчивым во время измерения.

Вплоть до появления первых ИС, которые могли выполнять преобразование, очень немногие мастерские имели доступ к истинным среднеквадратичным вольтметрам из-за стоимости, и даже ранние версии на основе ИС были намного дороже, чем среднеквадратичные калиброванные вольтметры. версии. Они по-прежнему являются наиболее распространенными, и следует предполагать, что все счетчики используют среднее значение, если только они не являются , а именно , заявленными как истинное среднеквадратичное значение.

Прежде чем мы двинемся дальше, важно точно понять, что означает «RMS». Это сокращение от «среднеквадратичного», когда мы берем выборки напряжения, возводим их в квадрат, получаем среднее (среднее) значение квадратов (сумма значений, деленная на количество выборок) и, наконец, извлекаем квадратный корень из означает, что дает нам среднеквадратичное значение. Давайте посмотрим на цикл синусоиды, чтобы понять, как это работает …

Рис. 5. Синусоида, измеренная с интервалом 30°

Синусоиду можно измерять в любом количестве точек, минимум в четырех точках (0, 90, 180, 270 градусов), но в этом примере использовались интервалы в 30°, поскольку это упрощает понимание процесса. Для сигналов других форм вам потребуется достаточно точек данных, чтобы получить точное представление о мгновенных напряжениях в каждой точке сигнала. Из этих измеренных напряжений (которые можно легко рассчитать для синусоидальной, треугольной или прямоугольной («квадратной») формы волны) вы можете затем рассчитать истинное среднеквадратичное значение напряжения для синусоидальной волны.

Математически напряжение представляет собой просто синус фазового угла, умноженный на пиковое напряжение. Sin(30) равно 0,5, sin(60) равно 0,866 и т. д. Обратите внимание, что 360 градусов не учитываются при расчете, поскольку они отмечают 90 104 начало 90 105 следующего цикла переменного тока, а 90 104, а не 90 105 конец текущего цикла. В таблице ниже используется пиковое напряжение 1 В (среднеквадратичное значение 0,707 В).

Обычно невозможно рассчитать напряжения в соответствующих точках сложной формы сигнала, поэтому его можно распечатать на миллиметровой бумаге и измерить или взять цифровую выборку и произвести расчеты на основе значения каждой выборки. Этот метод используется для полностью цифровых измерительных систем. Я сомневаюсь, что многие люди захотят использовать миллиметровую бумагу в наши дни, но она определенно работает, если у вас есть терпение.

Измерение #	Градусы	Напряжение	Квадрат
1	0	0	0
2	30	0,5	0,25
3	60	0,866	0,75
4	90	1	1
5	120	0,866	0,75
6	150	0,5	0,25
7	180	0	0
8	210	0,5	0,25
9	240	0,866	0,75
10	270	1	1
11	300	0,866	0,75
12	330	0,5	0,25
	Сумма		6. 0
	Среднее, также известное как Среднее (сумма / 12)		0,50
	Квадратный корень из среднего		0,707

Таблица 1 – Получение среднеквадратичного значения

Теперь, когда вы точно знаете, как рассчитывается среднеквадратичное значение, очевидно, что версия IC должна выполнять аналогичные функции. Следующий вопрос может быть «почему?». В течение многих лет люди использовали измерители средних значений, откалиброванные для отображения «среднеквадратичного значения», так зачем возиться с преобразователями истинного среднеквадратичного значения. Все дело в точности и ошибках, вносимых процессом усреднения. В следующей таблице перечислены ошибки с различными осциллограммами — как видите, в некоторых случаях они могут быть экстремальными.

Форма сигнала — пиковое значение 1 В	Пик-фактор В _{ПИКОВОЕ} / В _СКЗ	Истинное среднеквадратичное значение	Измеритель среднего/ среднеквадратичного значения¹	Погрешность (%)
Неискаженная синусоида	1,414	0,707	0,707	0
Симметричная прямоугольная волна	1,00	1,00	1,11	+11,0
Неискаженная треугольная волна	1,73	0,577	0,555	-3,8
Гауссов шум — 98% пиков <1 В	3	0,333	0,295	-11,4
Прямоугольный	2	0,5	0,278	-44
Последовательность импульсов	10	0,1	0,011	-89
Форма сигнала SCR — рабочий цикл 50 %	2	0,495	0,354	-28
Форма сигнала SCR — рабочий цикл 25 %	4,7	0,212	0,150	-30

Таблица 2. Средняя ошибка считывания с различными осциллограммами

Показания средней реагирующей цепи, откалиброванной по среднеквадратичному значению синусоиды (В)

При измерении напряжения и тока переменного тока мы склонны исходить из среднеквадратичного значения и соответствующим образом рассчитывать мощность. Средняя мощность (обычно — и неправильно — называемая «среднеквадратической мощностью») — это просто произведение среднеквадратичного значения напряжения и среднеквадратичного значения тока, но если форма волны не синусоидальна, ошибка может означать, что полученный ответ может быть далеко от истины. . Измерение уровня сигнала музыки или речи ничем не отличается — высокий коэффициент амплитуды (V пик / V RMS ) всегда будет давать ответ, который значительно ниже реальности. Проблемы возникают из-за крест-фактора сигналов, отличных от синусоидальных, а очень высокие коэффициенты амплитуды даже вызывают проблемы со многими микросхемами преобразователей среднеквадратичного значения. Пик-факторы до 5 обычно подходят для обычных ИС преобразователей среднеквадратичных значений, но выше этого значения может возникнуть внутренняя перегрузка, и измерение все еще может иметь значительную погрешность.

AD737 представляет собой полноценную систему на кристалле. Единственное, что вам нужно добавить, это резистор и несколько конденсаторов, а в техническом описании есть много примеров и другой информации, которая поможет вам создать работающий преобразователь среднеквадратичного значения в постоянный. С2 (усредняющий конденсатор, С avg ) и C3 (выходной фильтрующий колпачок) должны быть типами с низкой утечкой.

Рис. 6. Преобразователь истинного среднеквадратичного значения в постоянный ток

Рисунок выше упрощен и показывает только основы. Обратите внимание, что выход инвертирован, поэтому вход 1 В (пик 707 мВ RMS) даст выход -707 мВ. Выход также имеет высокий импеданс и не должен нагружаться внешней схемой, поэтому в идеале выход должен быть подключен к выходному буферу, как показано в проекте 140. Схема проекта также включает в себя возможность регулировки усиления и регулировки смещения постоянного тока, как из которых будет необходимо, если вам нужно измерить низкие напряжения (менее 10 мВ RMS). Хотя на рис. 6 показан вход с пиковым напряжением 1 В, в идеале вход AD737 должен быть ограничен примерно 200 мВ среднеквадратичного значения, в противном случае для некоторых сигналов возможна внутренняя перегрузка.

Значения C2 и C3 являются компромиссными, и, в частности, C2 (C avg ) определяет время установления. При низком входном напряжении, скажем, 1 мВ, схема стабилизируется примерно за 30 секунд, а при входном напряжении 200 мВ — примерно до 150 мс. Если для C avg используется меньшее значение, время установления уменьшается, но низкочастотная ошибка увеличивается с более высокими коэффициентами амплитуды. Показанные значения (100 мкФ для каждого) были определены после долгих экспериментов с микросхемой и в целом дают хорошие результаты.

Заключение

Здесь показаны три основных метода измерения, и какой из них лучше всего подходит для задачи, зависит от вашего приложения. Для точных измерений мощности почти всегда предпочтительнее истинное среднеквадратичное значение, но если вы работаете только с синусоидальными сигналами, то подойдет измеритель среднего значения (откалиброванный по среднеквадратичному значению). Для измерения сложных форм сигналов, таких как речь, музыка, общее гармоническое искажение (THD) и т.п., вам действительно нужны истинные среднеквадратичные значения (хотя, к сожалению, большинство измерителей искажений имеют средний отклик).

Для обработки звука (компрессоры, ограничители и т. д.) наиболее распространенным является обнаружение пиков, хотя некоторые компрессоры также включают схему среднего отклика. Иногда можно утверждать, что это «RMS», но на практике это редко бывает. Также маловероятно, что будет какая-либо слышимая разница, поэтому дополнительные затраты на конвертер RMS обычно не оправданы. Это особенно верно, поскольку сжатие и ограничение так часто используются, чтобы сделать все на одном уровне, поэтому это звучит плоско и безжизненно.

Измерители пиковых значений не редкость в студиях звукозаписи и вещания, и многие люди знают о так называемом PPM (Peak Program Meter), который используется для индикации абсолютных пиковых значений речевого/музыкального сигнала. Это особенно важно для цифровых записей, потому что они имеют «жесткий» предел — обычно называемый 0dBfs (полная шкала) — абсолютный максимальный уровень входного сигнала аналого-цифрового преобразователя (АЦП) перед клиппированием. В отличие, например, от аналоговой ленты, здесь нет поведения «мягкого клипа», поэтому PPM используется для обозначения пиков формы волны. PPM также распространен в вещательных студиях, потому что никогда не должны превышаться максимальная разрешенная глубина модуляции (AM) или девиация (FM). Полное обсуждение PP Metering выходит за рамки этой статьи, но в сети есть много информации для тех, кто хочет узнать больше.

В полностью цифровых системах, таких как наборы для тестирования звука и другие измерительные системы (в частности, осциллографы), пиковые, средние и среднеквадратичные значения обычно рассчитываются на основе расчета каждого образца и обеспечивают точный результат даже для очень сложных сигналов. Можно положиться, что мой цифровой осциллограф дает точное среднеквадратичное значение с очень высоким коэффициентом амплитуды (в некоторых случаях больше 20), тогда как измеритель истинного среднеквадратичного значения, использующий аналоговую обработку (возможно, AD737), даст неправильный результат, поскольку коэффициент амплитуды превышает 5. может вызвать внутреннюю перегрузку.

Целью этих указаний по применению является демонстрация различных типов измерений, чтобы вы могли выбрать тот, который, скорее всего, удовлетворит ваши потребности. Хотя изначально RMS для всего может показаться хорошей идеей, это не всегда лучший выбор. Стоимость является одной из потенциальных проблем, но время установления (особенно для сигналов низкого уровня) может означать, что единственным разумным выбором будет использование усреднения. Затем бывают моменты, когда вам необходимо знать пиковое значение, и пиковый детектор — это единственное, что будет отображать пики напряжения.

Каталожные номера

AD737 — Analog Devices, техническое описание преобразователя True RMS в DC
Project 140 — Преобразователь True RMS с использованием AD737

Основной индекс
Приложение. Примечания Алфавитный указатель

Уведомление об авторских правах. Эта статья, включая, помимо прочего, весь текст и диаграммы, является интеллектуальной собственностью Рода Эллиотта и защищена авторским правом © 2016. Воспроизведение или повторная публикация любыми средствами, будь то электронными, механическими или электромеханическими, строго запрещены в соответствии с Международные законы об авторском праве. Автор (Род Эллиотт) предоставляет читателю право использовать эту информацию только в личных целях, а также разрешает сделать одну (1) копию для справки.

Опубликовано

21.05.2023