Мультиметры True-RMS в практическом применении

Ссылка на страничку сайта Магазина Gtest(R) с номенклатурой мультиметров, а также рекомендуемые приборы и статьи для дальнейшего самообразования - в самом конце этого Раздела

Добавление возможности измерения истинного среднеквадратичного значения переменного тока к скромному карманному компьютеру является достижением отрасли, которое не должно остаться незамеченным, поэтому Test & Measurement Europe решила отметить это событие практическим испытанием нескольких моделей. Используя стандартные лабораторные установки (предоставленные Wavetek Precision Measurements, Норвич, Великобритания), мы провели одинаковую и строгую проверку функции истинного среднеквадратичного значения на всех моделях. Мы использовали ряд тестовых сигналов калибровки напряжения с импульсными выходами (см. Рисунок 1) на том основании, что если цифровые мультиметры измерят эти формы сигналов удовлетворительно, они будут обрабатывать большинство форм сигналов в повседневном использовании.

Рисунок 1. Применяемые тестовые сигналы имели среднеквадратичное значение 1 В с коэффициентом амплитуды от 5:1 до 10:1.

В целом, все цифровые мультиметры работали хорошо, хотя и не всегда в пределах своих спецификаций. Однако, что наиболее примечательно, ни одна из моделей не выдавала грубых ошибок, которые можно было бы обнаружить при использовании более ранних моделей среднего измерения (см. Таблицу сравнения продуктов). Эта ситуация сохранялась даже для самого экстремального случая импульсного входного сигнала с пиковым значением в 10 раз выше его среднеквадратичного значения и соотношением отметка:пробел 1:99. Цифровые мультиметры все еще работали хорошо, хотя этот входной сигнал был намного выше того, что поставщики обязуются указывать в своих спецификациях. Таблица сравнения продуктов (https://www.edn.com/wp-content/uploads/media-1164537-133704-tmef2t2.gif) подробно описывает результаты наших измерений.

Знайте пик-фактор.

Хотя поставщики спешат снабдить свои приборы и сопутствующие материалы надписью «true-RMS», они не уделили должного внимания столь же важному соотношению ACV, называемому пик-фактором. В то время как VRMS представляет собой допустимую мощность источника переменного тока, пик-фактор представляет собой степень искажения формы сигнала. Спецификация пик-фактора цифрового мультиметра важна, поскольку она сообщает вам, какое искажение формы сигнала может принять ваш цифровой мультиметр, прежде чем он выдаст плохие показания.

Специалисты по продукции, с которыми мы говорили, слышали о пик-факторе, но те же специалисты с трудом находили его в своих собственных спецификациях. Все подробные спецификации включают значения пик-фактора, если вы посмотрите внимательно, но вам придется искать мелким шрифтом. Пик-фактор легко понять, поскольку он равен пику формы волны, деленному на среднеквадратичное значение формы волны. В таблице  представлены некоторые значения пик-фактора: https://www.edn.com/wp-content/uploads/media-1164538-135284-tmef2t1.gif 

Ранние приборы для измерения источников переменного тока воспринимали либо пиковые, либо средние значения просто потому, что внутреннюю измерительную схему было так легко спроектировать. Эта досадная причуда истории измерений оставила нам в наследство два значения, которые плохо описывают источник переменного тока и, более того, отдалила нас от значения, которое нам действительно нужно знать.

Среднеквадратичное значение, VRMS, — это то, что нам действительно нужно, потому что это единственное значение, которое не зависит от формы сигнала. VRMS также представляет собой допустимую мощность сигнала, и это почти всегда та цифра, которая вам нужна для расчетов. А при измерении совершенно случайных сигналов, таких как шум, VRMS еще более значим, потому что он представляет собой одно стандартное отклонение с использованием гауссовского распределения.

Схемы измерения RMS более дороги в проектировании и калибровке, чем версии с измерением среднего значения, поэтому недорогие цифровые мультиметры не спешили обеспечивать истинные измерения VRMS. Большинство недорогих используемых измерителей по-прежнему являются измерительными приборами среднего значения, но эта ситуация меняется, поскольку все ведущие поставщики цифровых мультиметров теперь предлагают портативные модели, которые заявляют о производительности true-RMS. Фактически, поставщики, не в силах сдержать свой энтузиазм, присваивают этим новым моделям титул «цифровой мультиметр true-RMS» (хотя на самом деле измерение переменного тока составляет лишь часть общих многофункциональных возможностей прибора).

Хотя вы ожидаете, что измеритель истинного среднеквадратичного значения будет правильно считывать с 1 В постоянного тока (при подключении по постоянному току) или синусоидального входного сигнала, вы не можете предполагать, что тот же измеритель будет считывать импульсный входной сигнал, не зная спецификации коэффициента амплитуды измерителя. Фактически, портативные цифровые мультиметры, которые мы исследовали, указывают вход с максимальным коэффициентом амплитуды около 3:1.

Именно насыщение в DMM устанавливает пик-фактор счетчика. Это насыщение может возникнуть во входной схеме всех счетчиков и в схеме возведения в квадрат счетчиков, которые используют аналоговые вычислительные детекторы RMS. Таким образом, если указанные характеристики 3:1 применяются при входе полной шкалы, то следует ожидать, что тот же счетчик будет принимать входы с пик-фактором не менее 6:1 при половине шкалы и т. д. Это соотношение в некоторой степени сохраняется, но помните, что по мере того, как вы все больше и больше увеличиваете пик-фактор (при сохранении постоянной частоты импульсов), импульс сужается и, следовательно, содержит больше высокочастотных компонентов. В конце концов, DMM упирается в другую стену проектирования, когда те же самые высокочастотные компоненты выходят за пределы полосы пропускания измерительных схем DMM.

Такая ситуация создает серую зону спецификации для измерения переменного тока на любом цифровом мультиметре, включая топовые модели. Вам нужно самостоятельно оценить, будет ли ваш цифровой мультиметр считывать правильно. Для сигнала с коэффициентом амплитуды 3:1 на частоте 100 Гц это будет так; однако с сигналом с коэффициентом амплитуды 3:1 на частоте 20 кГц (если вы сможете понять, как его сгенерировать) это, безусловно, не так.

Основная частота импульсных волн, которые мы применяли, находилась в диапазоне от 55 Гц до 220 Гц, что сопоставимо с верхними пределами полосы пропускания 20 кГц и 100 кГц на цифровых мультиметрах. Использование этого диапазона объясняет, почему нам удалось успешно измерить входные значения коэффициента амплитуды 10:1.

На практике выполнение высоконадежных измерений истинного среднеквадратичного значения является частичной ситуацией из триллера Catch-22. Во-первых, чтобы быть уверенным, что вы не насыщаете вход цифрового мультиметра, вам нужно знать коэффициент амплитуды входного сигнала. Но чтобы знать коэффициент амплитуды, вам нужно иметь некоторое представление об истинном среднеквадратичном значении, которое вы пытаетесь измерить в первую очередь. Один из способов выйти из этого тупика — просмотреть сигнал на осциллографе, чтобы вы могли оценить его среднеквадратичное значение и пиковость путем наблюдения. На практике большинство инженеров не будут беспокоиться об этом шаге, а просто применят цифровой мультиметр и будут надеяться на лучшее (так же, как мы все делали, используя цифровые мультиметры с измерением среднего значения). Наши тесты показывают, что вам это сойдет с рук, если ваши показания среднеквадратичного значения будут значительно ниже полной шкалы. Например, в то время как большинство портативных цифровых мультиметров указывают коэффициент амплитуды 3:1 (при полной шкале), мы успешно измерили сигнал с коэффициентом амплитуды 10:1 примерно на 20% от полной шкалы.

Насколько низко вы можете опуститься?

Предлагая вам измерять сигналы с высоким пик-фактором на нижнем конце шкалы цифрового мультиметра, чтобы избежать насыщения, будьте осторожны, чтобы другая спецификация цифрового мультиметра переменного тока не поймала вас на некоторых моделях. Большинство цифровых мультиметров — даже топовые настольные модели — не измеряют истинно-среднеквадратические входы переменного тока вплоть до нуля на любой шкале. Эта невозможность обусловлена тем, что внутренний детектор RMS использует сеть логарифмических и антилогарифмических усилителей для обработки динамического диапазона, необходимого вам при вычислении истинно-среднеквадратических значений. Вам придется снова изучить мелкий шрифт спецификации, чтобы обнаружить это ограничение. Например, Fluke 89 IV указывает точность для входов только выше 5% шкалы. (Даже топовые цифровые мультиметры переменного тока не измеряют ниже 1% шкалы.) Так, например, если вы закоротите входные провода вместе, не удивляйтесь, если ваш цифровой мультиметр покажет несколько цифр внутреннего шума (до 80 цифр на 89 IV). Эта нулевая ошибка не добавляется линейно к входному сигналу и становится незначительной, когда вы измеряете входы выше 5% полной шкалы. Преимущество использования аналогового вычислительного метода логарифмического усилителя заключается в предоставляемой им полосе пропускания (до 100 кГц на 89 IV).

Модель TX3 от Tektronix не имеет этого ограничения нижнего уровня, поскольку она использует управляемую DSP выборку сигнала и алгоритм true-RMS для считывания значений true-RMS. Однако эта технология ограничивает полосу пропускания измерения переменного тока (20 кГц на TX3), поскольку частота выборки должна превышать максимальную входную частоту (что нелегко реализовать в портативном цифровом мультиметре, если вам нужна полоса пропускания измерения до 100 кГц).

Обзор результатов True-RMS

Если вы хотите быть придирчивым, да, некоторые из DMM не соответствовали спецификации, и поставщики могут захотеть предположить, как эта ситуация несоответствия спецификации может возникнуть. Однако в целом сообщение ясно. Ручные DMM на удивление хорошо справляются с измерением истинного RMS переменного тока. За ту цену, которую стоят эти модели (примерно 250 фунтов стерлингов), соотношение цены и производительности является исключительным.

Учитывая производительность, которую мы измерили при пик-факторе 10:1 (намного больше, чем указывают поставщики), можно предположить, что у вас не возникнет проблем с измерением сильно искаженных входных синусоидальных сигналов. При измерении импульсных последовательностей одним важным условием является осознание пик-фактора и использование измерителя вдали от конца полной шкалы диапазона для входных пик-факторов выше 3:1.