Перейти к содержанию

Почему мультиметр неправильно показывает напряжение ШИМ?

Обновлено Редакция GAW

ШИМ — прямоугольные импульсы амплитудой U с заполнением D. У такого сигнала три разных «напряжения», и мультиметр в разных режимах показывает разные из них:

Uср=D⋅U,Uд=UD,UAC=UD(1−D)U_\text{ср} = D \cdot U, \qquad U_\text{д} = U \sqrt{D}, \qquad U_\text{AC} = U \sqrt{D(1 - D)}

Первые две формулы — по ST AN604 для прямоугольных импульсов, третья — переменная часть сигнала: UAC=Uд2−Uср2U_\text{AC} = \sqrt{U_\text{д}^2 - U_\text{ср}^2}, так её связывает Keysight.

Наш расчёт для амплитуды 5 В, как у вывода Arduino:

ЗаполнениеDC (среднее)Действующее, AC+DCTrue RMS в режиме ACУсредняющий прибор в режиме AC
10 %0,50 В1,58 В1,50 В1,00 В
25 %1,25 В2,50 В2,17 В2,08 В
50 %2,50 В3,54 В2,50 В2,78 В
75 %3,75 В4,33 В2,17 В2,08 В

Последний столбец — показание прибора без True RMS: он измеряет средневыпрямленное значение переменной части и умножает его на 1,11, как будто сигнал синусоидальный. На меандре (50 %) Fluke так и пишет: такой прибор завышает на 10 %.

Почему цифры «не сходятся»

  • В режиме DC прибор усредняет — и показывает честное среднее. Это не ошибка, просто это не действующее напряжение.
  • В режиме AC входной конденсатор отрезает постоянную составляющую, поэтому показание одинаково для 25 и 75 %.
  • Полоса прибора. У Fluke 117 точность на переменном токе нормирована только до 1 кГц, а фронты ШИМ содержат гармоники намного выше — показания в режиме AC приблизительные.

Перевести среднее, действующее и амплитудное значения друг в друга можно в калькуляторе действующего и амплитудного значения, фильтр для превращения ШИМ в постоянное напряжение — в калькуляторе ЦАП на ШИМ, а чем True RMS отличается от обычного прибора — в терминах True RMS и коэффициент заполнения.

Похожие вопросы

Какое значение ШИМ правильное — среднее или действующее?

Зависит от нагрузки. Нагрев резистора, ТЭНа или лампы накаливания определяет действующее значение. Если ШИМ сглажен фильтром или нагрузка реагирует на среднее — например, двигатель постоянного тока или RC-фильтр, — важнее среднее. Среднее мультиметр измеряет правильно в режиме постоянного напряжения.

Можно ли измерить ШИМ мультиметром True RMS?

Частично: в режиме переменного напряжения он покажет действующее значение только переменной части, а постоянную нужно взять в режиме DC и сложить как корень из суммы квадратов. Но у Fluke 117 точность на переменном токе нормирована лишь до 1 кГц, а у ШИМ гармоники уходят намного выше, поэтому результат — оценка.

Как узнать заполнение ШИМ мультиметром?

Наш способ: измерить в режиме DC среднее значение и разделить на амплитуду — напряжение питания выхода. Для вывода Arduino на 5 В показание 1,25 В означает заполнение около 25 %. Способ работает, если амплитуда импульсов известна и стабильна.

Источники

  1. STMicroelectronics. AN604 Calculation of conduction losses in a power rectifier (Doc ID 3607 Rev 3) — с. 6–7, ур. 13–14 и рис. 4 — среднее и действующее значение прямоугольных импульсов с заполнением δ: I_AV = δ · I_Max, I_RMS = I_Max · √δ
  2. Keysight. Truevolt Series Digital Multimeters, Operating and Service Guide (9018-03876) — с. 163 — режим переменного напряжения измеряет только переменную составляющую; полное действующее значение = √(ac² + dc²); переменная часть импульсов через коэффициент амплитуды
  3. Fluke. Why True RMS? Can you trust your meter reading? (10047-ENG-01) — таблица сравнения — усредняющий прибор умножает средневыпрямленное значение на 1,1: на синусе верно, на меандре показывает на 10 % больше, на искажённом сигнале — до 50 % меньше
  4. Fluke. 114, 115, 117 True RMS Multimeters, Users Manual (PN 2572573, Rev. 1, 2/07) — табл. 1 — переменное напряжение: точность 1,0 % + 3 в полосе 45–500 Гц и 2,0 % + 3 в полосе 500 Гц – 1 кГц, выше точность не нормирована

Нашли ошибку?

Смотрите также