Последние разработки в технологии производства АЦП для мультиметров сделали возможным переход от использования метода аналогового преобразователя RMS для измерения переменного тока к применению метода прямой дискретизации и вычислению значения RMS.
Предлагаемая статья показывает, что метод прямой дискретизации позволяет улучшить скорость и точность измерения переменного тока для сигналов, лежащих в пределах полосы пропускания. Недостатки использования этого метода незначительны по сравнению с приростом скорости и точности, которые он обеспечивает.
Для измерения среднеквадратичной величины (RMS) переменного тока с помощью мультиметров обычно используют четыре метода: тепловой, аналоговый, метод подвыборки и метод прямой дискретизации. Первые два метода состоят в измерении напряжения постоянного тока входного сигнала, которое представляет RMS переменного тока. Остальные методы напрямую дискретизуют входной сигнал. Тепловой метод состоит в измерении роста температуры в прецизионном резисторе, вызванного входным сигналом, но в лабораторных мультиметрах этот метод обычно не используется. Аналоговый метод использует цепь для генерации уровня постоянного тока, пропорционального значению истинного RMS переменного тока входного сигнала. Постоянный ток выходного сигнала измеряется с помощью АЦП и конвертируется в измерение переменного тока. Это самый распространенный метод, и он используется в таких моделях мультиметров, как Agilent 34401A, Fluke 45 и Keithley 2000. Ни один из вышеуказанных методов не дает более подробной информации о входном сигнале, чем его RMS-параметр.
Для измерения методом подвыборки используется следящая и запоминающая цепь, а также точная привязка ко времени для равномерной дискретизации повторяющегося сигнала. Этот метод требует многократных измерений через заданный промежуток времени, что позволяет измерить множество периодов входного сигнала. Выходной сигнал из следящей и запоминающей цепи преобразуется с помощью АЦП, и результаты представляются в виде цифровых данных результатов измерения переменного тока. Эта методика обеспечивает возможность измерять более высокочастотные составляющие входного сигнала и используется в модели Agilent 3458A. При использовании метода прямой дискретизации переменный ток входного сигнала оцифровывается при фиксированной частоте дискретизации. Захватывается несколько циклов входного сигнала, и далее происходит анализ захваченных данных. Оцифрованные выборки возводятся в квадрат, усредняются, и из них извлекается квадратный корень для обеспечения измерения RMS. Для мультиметров этот метод достаточно нов, но в осциллографии он широко распространен. Большинство осциллографов обладает функцией комбинации применения методов подвыборки и прямой дискретизации. Среди мультиметров метод прямой дискретизации для измерения переменного тока используется в моделях Agilent 34410A, 34411A и National Instruments 4070. Все описанные методики можно применять как к силе переменного тока, так и к его напряжению. В большинстве случаев измерение тока обеспечивается с помощью преобразования входного сигнала в напряжение с использованием прецизионного параллельного резистора. Подобным же образом можно производить измерения как по переменному току, так и по постоянному (также называемые AC и AC+DC), используя вариации приведенных методов.
СРАВНЕНИЕ С МЕТОДОМ АНАЛОГОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ RMS
Разница между аналоговым методом и методом прямой дискретизации достаточно очевидна из блок-схем системы измерения. На рис. 1 показана базовая блок-схема системы измерения переменного тока с аналоговым преобразованием RMS, которая предполагает, что мультиметр сконфигурирован для измерения по переменному току, и позволяет измерять небольшие отклонения переменного тока при наличии больших сигналов постоянного тока. Например, эта конфигурация используется для измерения колебаний тока в источниках постоянного тока.
Рис. 1. Базовая блок-схема системы измерения переменного тока с аналоговым преобразованием RMS.
Входной сигнал поступает в прибор через разделительный конденсатор. После прохождения этого конденсатора цепь преобразования сигнала приводит входной сигнал к диапазону, используемому RMS-преобразователем. Коэффициент преобразования зависит от выбранного диапазона измерения. RMS-преобразователь производит возведение в квадрат, усреднение и извлечение корня с использованием аналогового метода. Обычно для этого используется полупроводниковый прибор, например типа AD637, и внешний усредняющий конденсатор. В результате получается уровень постоянного тока, который соответствует истинному значению RMS входного сигнала. АЦП дискретизует сигнал RMS-преобразователя. В силу того, что сигнал переменного тока преобразуется в эквивалентный уровень постоянного тока, от АЦП требуется только довольно быстро работать для обеспечения достаточной скорости чтения. Обычно частота дискретизации АЦП составляет от 200 Гц до 2 кГц вне зависимости от максимальной частоты входного сигнала. Результаты дискретизации АЦП умножаются на коэффициент преобразования входного сигнала, и результат отображается при запуске мультиметра.
В случае с прямой дискретизацией эта схема изменяется в двух местах, как показано ниже (рис. 2).
Рис. 2.
Во-первых, аналоговый RMS-преобразователь меняется на модуль цифровой оценки RMS, располагающийся сразу после АЦП.
Во-вторых, перед АЦП добавлен фильтр защиты от наложения спектров. Преобразователь сигнала и другие компоненты могут быть одними и теми же для обоих методов.
При прямой дискретизации АЦП оцифровывает входной сигнал напрямую, а возведение в квадрат, усреднение и извлечение корня осуществляется DSP-процессором цифровой обработки сигналов. Теоретически это требует от АЦП частоты дискретизации, вдвое превышающей частоту входного сигнала. На практике частота дискретизации АЦП обычно в 5–10 раз выше, чем самая высокая частота входного сигнала (например, для постоянного тока с полосой пропускания 300 кГц требуется частота дискретизации 1,5–3 МГц). Для предотвращения шумов от входного сигнала, имеющих частотный спектр выше половины частоты дискретизации, требуется фильтр защиты от наложения спектров.
Мультиметр Agilent 34401A использует смешанную технику, которая сочетает аналоговый преобразователь RMS, оцифровку с низкой частотой дискретизации и вычисление RMS для увеличения скорости измерений. Мультиметры нового поколения используют метод прямой дискретизации в чистом виде без использования аналогового RMS-преобразователя.
ПОЧЕМУ ТАК И ПОЧЕМУ ИМЕННО СЕЙЧАС?
Два ключевых фактора сделали возможной прямую дискретизацию переменного тока с помощью мультиметров: увеличенная частота дискретизации АЦП и недорогой модуль цифровой обработки сигнала. За последние 5 лет АЦП в мультиметрах претерпел значительные изменения. Главной движущей силой этого развития стали более быстрые измерения постоянного тока и добавление технологий оцифровки. Внедрение таких новых качеств дельта-сигма-преобразователей, как оверсэмплинг, внесло свой вклад в появление высокоточных АЦП, пригодных к использованию в настольных мультиметрах. Они способны осуществлять непрерывную дискретизацию с частотой, достаточной для применения метода прямой дискретизации. Другим требованием, предъявляемым методом прямой дискретизации, является обработка непрерывного потока данных. Сегодня даже относительно скромные ПЛИС обеспечивают достаточные ресурсы цифровой обработки для создания необходимых фильтров.
Переход на метод прямой дискретизации при измерении переменного тока приводит к ускорению измерений, большей точности считывания данных (при некоторых условиях) и большей гибкости архитектуры системы.
Главное преимущество — более быстрые измерения переменного тока. В стандартном вольтметре самые медленные измерения — это как раз измерения переменного тока с узкой полосой пропускания. Прямая дискретизация обеспечивает большую скорость по двум причинам. Во-первых, фильтр низких частот, используемый для усреднения вычислений RMS, может быть более высокого порядка, чем фильтр низких частот первого порядка, обычно использующийся в аналоговом преобразователе. Это улучшает время установления в 4 раза и более. Во-вторых, установление может быть ускорено вследствие снижения пропускаемой мощности при сканировании канала.
Преимущество в точности возникает вследствие отличий в методе вычислений. Одним из главных источников снижения точности при измерениях переменного тока является АЧХ цепи преобразователя входного сигнала. При использовании аналогового метода эта цепь настроена так, чтобы достигнуть максимальной равномерности АЧХ. В случае с методом прямой дискретизации необходимость достижения равномерной АЧХ можно обойти применением выравнивающего фильтра дискретизуемых данных перед проведением RMS-вычислений. Выравнивающий фильтр обеспечивает более точную корректировку, чем настроенная цепь преобразования входного сигнала. Это ведет к большей точности при анализе высокочастотных сигналов. Другие причины отклонения точности при аналоговом методе возникают вследствие ограничений аналоговых RMS-преобразователей. Во-первых, точность RMS-преобразования снижается, если входной сигнал имеет форму, отличную от синусоидальной. Один из способов характеризации формы сигнала — это коэффициент формы, который определяется как отношение пика к RMS. Аналоговые преобразователи обычно осуществляют снижение параметра точности в зависимости от коэффициента формы входного сигнала вне зависимости от его частоты. Во-вторых, полоса пропускания преобразователя падает при снижении уровня входного сигнала до 10% от диапазона. Это отражает нелинейность, существующую на высоких частотах. Прямая дискретизация более точна для сигналов несинусоидальной формы, частотная составляющая которых лежит в рамках полосы пропускания системы, и этот метод обеспечивает более широкий динамический диапазон.
Последним преимуществом измерения переменного тока методом прямой дискретизации является то, что оцифровка входного сигнала сохраняет информацию о нем независимо от расчета значения RMS. Аналоговый RMS-преобразователь понижает входной сигнал до уровня постоянного тока с эквивалентным значением RMS перед оцифровкой. С применением прямой дискретизации такие дополнительные характеристики сигнала, как, например, двойная амплитуда и среднее значение (при связи по постоянному току), могут быть рассчитаны параллельно со значениями переменного тока для получения большей информации о сигнале. Например, обнаружение пиков, превышающих ожидаемый уровень, может быть ценным для тестирования некоторых индуктивных устройств.
У метода прямой дискретизации есть и недостатки. Основным можно назвать то, что полоса пропускания измерений ограничена фильтром защиты от смешения спектров, который определяется частотой дискретизации АЦП. Крутая форма кривой отсечки защитного фильтра строго ограничивает полосу пропускания и вносит большую погрешность в данные о сигналах с частотной составляющей, превышающей частоту отсечки. Например, защитный фильтр с крутой кривой отсечки на 300 кГц отсекает 1,2% мощности сигнала для прямоугольного сигнала частотой 20 кГц. В случае с аналоговым методом измерения RMS полоса пропускания снижается постепенно, по мере удаления от заданной полосы пропускания, так что сигналы с составляющими, выходящими за пределы полосы пропускания, измеряются более точно. Используя предыдущий пример с отсечкой на 300 кГц, аналоговый преобразователь RMS может "видеть" составляющие вплоть до 1 МГц.
Метод прямой дискретизации также привносит некоторые цифровые артефакты, связанные с процессом дискретизации. Самая распространенная проблема — это то, что при некоторых частотах входного сигнала погрешность измерения может возрастать из-за корреляции с частотой дискретизации. К примеру, погрешность может возрасти в десятки раз, если частота входного сигнала совпадет с делителем частоты дискретизации АЦП. Эти эффекты обычно не описываются в спецификациях, но могут быть неожиданными для пользователя, который будет измерять сигнал, содержащий эти частоты. Однако преимущества скорости измерений и большей точности на высоких частотах перевешивают этот минус. И последний недостаток заключается в том, что для калибровки цепи преобразования обычно требуется больше точек калибровки, чем для аналогового метода, что означает возможное увеличение затрат времени на калибровку.
В качестве примера различия в скорости между аналоговым методом измерения переменного тока и методом прямой дискретизации, предлагается сравнить две модели: Agilent 34401A и Agilent 34410A.
Таблицы 1 и 2 показывают повышение точности измерения сигналов в диапазоне 100–300 кГц и расширенный динамический диапазон модели 34410А, благодаря использованию метода прямой дискретизации. Обе модели поддерживают 3 полосы пропускания, которые обеспечивают баланс между временем установления и минимальной частотой входного сигнала.
Таблица 3 показывает типичную погрешность дополнительных измерений, связанных с коэффициентом формы и полосой пропускания для трех распространенных видов входных сигналов. Таким образом, метод прямой дискретизации больше подходит для сигналов несинусоидальной формы, но только в том случае, если частотная составляющая входного сигнала находится в пределах метрового диапазона. Для сигналов с составляющими, выходящими за пределы полосы пропускания, метод прямой дискретизации имеет значительно большую погрешность.
Брайан Стюарт, Конрад Профт, Agilent Technologies