Принципы построения измерителей с истинным среднеквадратическим значением

Широкое применение нашли два способа измерения истинного среднеквадратического значения переменного тока:

• с применением балансного термопреобразователя;
• с вычислением среднеквадратичного значения по формулам, его определяющим.

В измерителе с балансным термопреобразователем на одно плечо подается измеряемый сигнал, нагревающий термопару. На другое плечо подается постоянный ток. Нулевой сигнал на выходе балансного преобразователя вырабатывается, когда значение постоянного тока оказывается равным среднеквадратическому значению переменного тока. Этот метод реализован в давно известных советских милливольтметрах B3-42/45 (частоты до 5 МГц) и B3-48 [15] (частоты даже до 50 МГц) и др.

Интересно сравнить наш милливольтметр истинного среднеквадратичерного значения B3-48 70-х годов с вполне современным стрелочным милливольтметром среднеквадратического значения GVT-417B фирмы Good Will. Последний, при примерно той же погрешности измерений (основная 3%, дополнительная 0,5%) имеет дополнительный предел измерения 0.3 мВ, но полоса частот у него в 50 раз уже (от 10 Гц до 1 МГц). Верхний предел нашего прибора 300 В, у GVT-417B 100 В. Правда прибор меньше по габаритам и вдвое легче – вес 2,7 кГ. А вот входной импеданс (1 МОм/50 пФ) у молодого юго-восточного собрата куда хуже, чем у советского «старца» (20 МОм и 8 пФ без делителя и 4 пФ с делителем 1/1000). Вот вам и «отсталая» советская техника!

Довольно широко для этих целей используются микросхемы MX536A/536 фирмы MAXIM. Выпускается свыше 10 вариантов этой микросхемы, рассчитанных на коммерческий диапазон температуры окружающей среды (от 0 до+70 ºС) и вариант MX536ASD на промышленный и военный диапазон температур (от -55 ºС до +125 ºС).

Микросхемы содержат преобразователь абсолютного значения переменного напряжения в постоянное напряжение, вычислительные блоки для вычисления квадратного корня и истинного среднеквадратического значения, а также буферный каскад. Для питания преобразователей имеется многоканальный источник стабильных токов.

Микросхемы MX536 обеспечивают преобразование в диапазоне частот переменного напряжения до 1 В в диапазоне частот до 2 МГц, а MS536A переменного напряжения до 0,1 В в диапазоне частот до 1 МГц.

Распайка выводов в наиболее распространенном типе корпуса и основные схемы включения микросхемы представлены на рис. 1. Динамический диапазон микросхемы MX536A составляет 60 дБ, а у микросхемы MX536 несколько меньше – 50 дБ. Обе микросхемы очень экономичны. Температурный диапазон микросхем от 0 до +70 ºС, но есть вариант (микросхема MS536AS) с температурным диапазоном от -55 ºС до +125 ºС.

Рис. 1. Распайка выводов и основные схемы включения микросхем MX536A/536: с однополюсным (а) и двухполюсным (б) выходным фильтром

Полная схема преобразователя True RMS-to-DC для измерением децибел на основе микросхем MAXIM MX536A/536 представлена на рис. 2. В схему добавлен прецизионный источник опорного напряжения и усилитель на операционном усилителе.

Рис. 2. Схема преобразователя True RMS-to-DC для измерением децибел на основе микросхем MAXIM MX536A/536

На рис. 3 представлены зависимости выходного сигнала (дБ) от входного для реализации преобразователя на микросхемах MAXIM MX536A (а) и MX536 (б). На них проставлены (пунктирными линиями) зоны погрешности. Нетрудно заметить, что погрешность менее 1% достигается при максимальных частотах в десятки кГц.

Рис. 3. Зависимости выходного сигнала (дБ) от входного для реализации преобразователя на микросхемах MAXIM MX536A (а) и MX536 (б)

На рис. 4 показана рекомендуемая разработчиком типовая схема цифрового вольтметра истинных среднеквадратических значений переменного напряжения с пределами измерений 0.2, 2, 20 и 200 В. Схема довольно проста и выполнена всего на трех интегральныз микросхемах фирмы MAXIM. Она является основой мультиметров, реализующих метод True RMS.

Рис. 4. Типовая схема цифрового вольтметра истинных среднеквадратических значений переменного напряжения с пределами измерений 0,2; 2; 20 и 200 В

Очевидно, что дальнейшие разработки преобразователей True RMS-to-DC и мультиметров с ними будут направлены на расширение диапазона частот, уменьшение погрешности измерений и повышение динамического диапазона измерений.

Источник
А. А. Афонский, В. П. Дьяконов, Электронные измерения в нанотехнологиях и в микроэлектронике
Под ред. проф. В. П. Дьяконова, Москва, ДМК пресс, 2011