奇笛网 | 关注物联网创业 奇笛网 | 关注物联网创业

【硬件有道】:AC真有效值的测量方法、注意事项和技巧

发布于 2014/08/14-16:11 标签: / /

【硬件有道】:AC真有效值的测量方法、注意事项和技巧

在交流信号的测量中,真有效值表述为等效与DC电压驱动纯电阻性负载所消耗功率的值。例如,1Vpk正弦波对电阻性负载做功与0.707V直流信号相同。对信号的真有效值读数能更好了解AC信号对电路的影响。下图示出了常用的电压参数, 即Vpk峰值电压、Vp-p峰峰值电压、Vavg 平均值电压和Vrms有效值电压。对于正弦波,波形的负半周与正半周相抵消,一个周期的平均值为0。

由于不能从平均值了解信号的有效幅度,因此大多数仪表都按波形绝对值计算Vavg. 对于正弦波,Vavg=Vpk x 0.637

真有效值是波形中各点的均方根值。对于纯正弦波来说,用最简单的计算办法就是Vrms=Vpk x 0.707 或Vavg x 1.11. 很多廉价的万用表就是用这种方法获得有效值。这种方法只对纯正弦波有用, 对其他的波形会产生很大的误差。因此,有时我们可能会遇到这样的现象,即用不同的数字表测量真有效值,测量的结果大相径庭。
【硬件有道】:AC真有效值的测量方法、注意事项和技巧

要获得满意的真有效值测量精度,我们首先要了解您手中的数字表是用何种方法测量有效值的。 归纳起来,通常有4种方法来测量有效值,即热转换、 峰值或平均值计算、专用IC模拟运算和数字直接采样。

【硬件有道】:AC真有效值的测量方法、注意事项和技巧
热转换是一种古老的有效值测量技术。它是用被测交流信号加在纯电阻上,在该电阻上加个热电偶,然后由万用表的DC测量读出热电偶的输出, 再转化成输入AC的有效值。这种方法的优点是适用与高带宽、高峰值因子的信号,而且提供真有效值的测量。其缺点是成本高、难以同时兼顾测量速度和精度。在目前市场上最流行的数字表,如安捷伦的34401A, 34410A中,已经不采用这种技术。

第二种方法就是我们刚才提到的那种在廉价数字表中使用的峰值和平均值再乘一个系数的方法,以获得有效值。这种方法只适用于纯正弦信号

第三种方法就是目前最流行的专用IC模拟运算法。例如典型的34401A。 这种方法是用一个内置的模拟IC, 直接对输入信号的均方根值进行运算, 从而获得有效值。这种方法适合各种类型信号的测量。但当峰值因子过大之后,其精度也将明显下降。

第四种方法是直接数字采样法。在安捷伦的34410A和34411A中,利用的就是这种方法。其优点更高的分辨率和精度,而且适用于峰值因子更高的交流信号, 例如低占空比的脉冲串。

因此,在您测量交流有效值的时候,首先要看看自己手中的万用表是用什么方法测量的。 其次,测量精度与信号的峰值因子有着密切的关系。

AC有效值测量的注意事项和技巧

具备真有效值(True RMS)能力的数字万用表可以测量所施加电压的“热”电位。电阻器功耗与所施加的电压的平方成比例,与信号波形无关。但对于万用表来说,测量精度和信号的波形与带宽有着密切的联系。 在这篇文章中,我们将和大家一起分享提高交流镇有效值测量的技巧

目前,对于高性能的数字万用表来说,只要输入信号在万用表的有效带宽上保持很小的能量, 它可以精确测量真有效值电压或电流。主流的数字万用表采用AC耦合的方式测量ACV 和 ACI的真有效值, 在AC耦合的状态下,信号中的直流成分被隔离。对于正弦波、三角波和方波等对称波形,由于不含直流偏置,交流耦合值与交流+直流值是相等的。在很多应用中,隔离直流是必须的。例如当测量直流电源输出的交流纹波时, 就需要隔离直流。如果您想要知道信号AC+DC真有效值,可以通过合并DC和AC测量结果来确定该值,如下所示:
【硬件有道】:AC真有效值的测量方法、注意事项和技巧

信号的形状对测量结果有直接的影响。我们经常会产生这样的误解:“由于万用表测得的是交流真有效值,其正弦波精度技术指标适用于所有波形” 。实际上,输入信号的波形对任何万用表的测量精度都有极大影响,当输入信号包含的高频分量超过万用表带宽时尤为显著。以脉冲信号为例。这是使用万用表最难以测量的一种波形。脉冲波形的脉宽在很大程度上决定了其高频分量, 即脉宽越窄,信号中包括的高频分量可能就越丰富。单个脉冲的频谱由其傅立叶积分决定, 而脉冲串频谱是通过以输入脉冲重复频率(PRF)的倍数频率对傅立叶积分进行采样,再计算傅立叶级数得到的。

下图显示了两个不同脉冲信号的傅立叶积分:一个较宽(200 μs),另一个较窄(6.7 μs)。Agilent 34410A/11A 系列数字万用表具有 300 KHz 的有效交流测量带宽。如果我们使用这些数字万用表来测量图中这两个脉冲的 RMS ACV 值,宽脉冲的测量值将比窄脉冲的测量值更精确,因为窄脉冲的频谱在数字万用表带宽范围之外还具有较大幅度的高频分量。
【硬件有道】:AC真有效值的测量方法、注意事项和技巧

下面列出了进行真有效值交流测量时的其他注意事项和测试技巧:

1. 为了获得最高精度,应尽量使用满量程进行测量。有时,您可能需要改变数字表自动定标所确定的量程。在测量高峰值因数(Crest Factor)信号时务必小心,不要使万用表的输入电路过载和饱和。

2. 确定为您的数字万用表选择了适当的低通滤波器,以便捕获基频信号。信号频率越低,需要滤波器的频率就越低,测量需要的时间越长。

3. 首次测得的值可能有较大的误差,因为许多数字万用表在输入通道中都有较大的隔直流电容器。在测量开始的时候首先要让这个电容器可以充足电,特别是当测量低频信号, 或是在两个具有较大直流偏置的测量点之间进行切换时。

4. 当测量小于 100 mV 的交流电压时,特别要注意这些测量特别容易受到外来噪声源的干扰,会给测量结果带来额外的误差。如果使用的测量引线没有有效的屏蔽, 也没有绞合,这些测量引线就可能成为“天线”,接收着周围各种干扰。因此,测量引线的双绞或是有效的屏蔽是减少干扰的必要手段。还有一点必须要注意的是,要确保被测件和数字万用表连接到同一个电气插座, 也就是共地,可以尽量减少接地环路。

5. 交流负载误差:数字万用表的输入阻抗往往处于 10 MΩ 和 100 pF 的范围内。当使用引线或探头将信号输入万用表,引线和探头本身增加了额外的电容和负载。随着频率的增加,负载阻抗将发生变化。例如,在 1 kHz 时,输入阻抗大约为 850 kΩ;在 100 kHz 时,输入阻抗则下降到了16 kΩ。

因此,交流有效值的测量要比直流测量更为复杂。掌握一些这方面的知识有助于我们理解这些复杂性,并采取正确的手段提高测量精度,减少不必要的麻烦。

分享(

发表评论

奇笛网 | 关注物联网创业,挖掘智能硬件道理

此文需注册才能阅读X

笛文共欣赏,疑义相与析

现在注册登录 或 使用社交帐户快速登入: QQ登录 新浪微博登录 腾讯微博登录

返回顶部 最酷视频
扫二维码
扫二维码

X

无须注册,直接使用社交帐号登录

忘记密码,找回

Loading 登录中...

没有帐号,注册

已有帐号,登录

Loading 注册中...

已有帐号,登录

发送中...