Valore efficace - RMS-DC, RMS-AC e segnali periodici
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Il valore efficaceradice quadrata del valore medio del quadrato del segnale; è la tensione continua che dissiperebbe sullo stesso resistore la stessa potenza media (in inglese root mean square, RMS) è il parametro con cui il multimetro descrive l'ampiezza di un segnale. Nel corso si distingue sempre se si calcola sul segnale intero o sulla sola parte alternata, perché le due scelte danno risultati diversi e il tema d'esame chiede quasi sempre di decidere quale è quella giusta.
Definizione e le due varianti
Per un segnale periodicosegnale che si ripete identico ogni periodo T di periodo : Si chiama RMS-DC perché nel quadrato è compresa la componente continuaparte costante del segnale, quella che un condensatore in serie non lascia passare. Si ottiene la versione RMS-AC togliendo prima il valore mediomedia del segnale su un periodo: è la componente continua : Le due sono legate da una relazione che evita di rifare l'integrale: Infatti . L'RMS-AC è la deviazione standardradice della varianza: misura quanto i valori si scostano dalla media del segnale e l'RMS-DC la radice del suo momento secondo (Varianza e momentiI momenti E[X^k] e i momenti centrati E[(X − μ)^k] descrivono la forma di una legge; la varianza Var(X) = E[(X − μ)²] = E[X²] − E[X]² misura quanto X si disperde attorno alla media, vale Var(aX + b) = a² Var(X) e Var(X) = 0 solo se X è costante.Varianza e momenti →): è lo stesso legame tra media, varianza e valore quadratico medio di una variabile aleatoria.
Segnali notevoli
Sinusoide . Il valore medio del quadrato è , perché e il coseno ha media nulla. Quindi Con una componente continua il termine misto ha media nulla e resta , mentre . Esempio (gennaio 2022): V, V danno V.
Onda rettangolare con livelli , e duty cycle : il quadrato vale per una frazione del periodo e per la parte restante, quindi Per un'onda unipolareche non cambia segno: qui livello alto positivo e livello basso a zero si ha e . Esempio (febbraio 2022): V, V, (valore medio nullo): V, e infatti V, uguali perché .
Triangolare e dente di sega. Se la forma d'onda è una rampa lineare tra e (anche con ritorno istantaneo) il valore medio è e, calcolando con , si ottiene Esempio (febbraio 2023): mV, mV: mV; mV; mV. Controllo con la relazione: V. Nel caso del rippleondulazione residua della tensione di uscita di un alimentatore o convertitore di un convertitore DC-DC (febbraio 2024), triangolare con V, l'RMS-AC è V.
Segnali impulsivi. Con più livelli si somma su ogni tratto. Per due impulsi V ( ms) e V ( ms) in un periodo di ms (febbraio 2025): media V; valore quadratico medio V, quindi V e V.
| segnale | fattore di cresta | ||
|---|---|---|---|
| sinusoide | |||
| onda quadra | |||
| rettangolare | dipende da | ||
| triangolare/rampa |
Come lo misurano gli strumenti
Multimetro true-RMSvero valore efficace: calcola davvero la radice della media dei quadrati, qualunque sia la forma d'onda. Un multimetro "vero valore efficace" calcola la radice del valore medio del quadrato, e non il picco diviso per (che sarebbe corretto solo per una sinusoide): a un'onda quadra darebbe un risultato sbagliato. Ha però due modi di funzionare, e il tema ammette entrambe le risposte purché motivate:
- accoppiamento in alternatacondensatore in serie all'ingresso che toglie la componente continua (il caso più comune, modalità "Volt AC"): un filtro passa-alto elimina la componente continua e lo strumento indica ;
- accoppiamento in continua (AC+DC): indica .
Se la misura è in modalità AC e il segnale ha frequenza molto bassa (pochi Hz) bisogna controllare che il filtro non attenui la fondamentalecomponente alla frequenza del segnale, la più bassa dello spettro: le specifiche di accuratezza del multimetro cambiano con la banda di frequenza (Multimetro digitale - voltmetro, amperometro e valore efficace veroIl multimetro digitale (DMM) non mostra la forma d'onda ma uno o più parametri del segnale: tensione e corrente continue e alternate (vero valore efficace), resistenza. Ingressi flottanti (differenziali). Voltmetro: resistenza interna idealmente infinita, in parallelo; amperometro: resistenza interna idealmente nulla (shunt), in serie, la caduta $V_b=R_sI$ è la burden voltage. Catena: partitore di campo, amplificatore, convertitore (RMS), ADC (doppia rampa $V_x=V_{ref}T_2/T_1$), display a $n\tfrac12$ cifre. Si sceglie il campo più piccolo che contiene il valore; specifiche $\pm(%\text{ lettura}+%\text{ fondo scala})$ con banda e tempo dalla taratura.Multimetro digitale - voltmetro, amperometro e valore efficace vero →).
Oscilloscopio. Le funzioni di misura numeriche calcolano il valore efficace dai campioni acquisiti e si distinguono per due scelte:
- DC RMS / AC RMS: con o senza componente continua;
- full screencalcolo eseguito su tutti i campioni visibili sullo schermo, anche se non formano periodi interi / N cycles: su tutti i campioni visualizzati oppure solo su un numero intero di periodi.
Il valore efficace si riferisce a un segnale periodico, quindi vale solo su un numero intero di periodi. Esempio: corrente in un LED, impulsi alti di mA lunghi ms ogni ms (), scala orizzontale di s/div, cioè una finestra di ms ( periodi). La misura corretta è mA (il segnale non è alternato, la sua media è mA e va tenuta); sul full screen i campioni comprendono due impulsi su cinque millisecondi, la frazione alta diventa e si legge mA, un errore del 26%. Solo con molte divisioni per periodo il full screen si avvicina al valore vero.
Confronto dei due strumenti. Il multimetro e l'oscilloscopio calcolano la stessa grandezza, ma per ripple molto piccoli (centinaia di microvolt) l'incertezza di un oscilloscopio senza sonde amplificate è dello stesso ordine del segnale, mentre quella di un multimetro è molto più piccola (esempio febbraio 2024: V contro V per un RMS-AC di V). Inoltre il multimetro filtra il rumore sovrapposto, mentre il calcolo dai campioni dell'oscilloscopio include tutto il rumore visualizzato.
Esempio completo: dente di sega a Hz
Rampa mV con ms. Come la leggerebbe un multimetro in modalità AC? La fondamentale è a Hz, dentro la banda - Hz della tabella delle specifiche, con coefficienti della lettura più del fondo scalavalore massimo misurabile con l'impostazione scelta (range). Con fondo scala V e lettura mV (RMS-AC) l'incertezza estesa è mV; se lo strumento fosse in AC+DC e leggesse mV sarebbe mV (Esercizio 3 · dente di sega, valore efficace e multimetro true-RMS (tema d'esame febbraio 2023)).
Errori comuni
- Usare per qualunque forma d'onda: è valido solo per la sinusoide.
- Dimenticare che un multimetro in AC non vede la componente continua, oppure aggiungerla all'RMS-AC sommando i valori invece dei quadrati (, non ).
- Misurare l'RMS sull'oscilloscopio con full screen quando la finestra non contiene un numero intero di periodi.
- Prendere come valore efficace di un'onda rettangolare senza considerare il livello basso, o quando si cerca l'RMS totale.
Versione ripasso
- Definizione: ; RMS-AC toglie il valor medio; (media, varianza, valore quadratico medio: Varianza e momentiI momenti E[X^k] e i momenti centrati E[(X − μ)^k] descrivono la forma di una legge; la varianza Var(X) = E[(X − μ)²] = E[X²] − E[X]² misura quanto X si disperde attorno alla media, vale Var(aX + b) = a² Var(X) e Var(X) = 0 solo se X è costante.Varianza e momenti →).
- Sinusoide: (AC); con offset ( e V: V).
- Rettangolare: DC , AC ; / V, : V.
- Rampa: AC , DC ; mV: e mV.
- Due impulsi V/ ms e V/ ms su ms: media V, V.
- Strumenti: DMM true-RMS in AC dà l'RMS-AC (altrimenti AC+DC); oscilloscopio con DC/AC RMS e N cycles su periodi interi (LED mA, : mA, full screen mA) (Multimetro digitale - voltmetro, amperometro e valore efficace veroIl multimetro digitale (DMM) non mostra la forma d'onda ma uno o più parametri del segnale: tensione e corrente continue e alternate (vero valore efficace), resistenza. Ingressi flottanti (differenziali). Voltmetro: resistenza interna idealmente infinita, in parallelo; amperometro: resistenza interna idealmente nulla (shunt), in serie, la caduta $V_b=R_sI$ è la burden voltage. Catena: partitore di campo, amplificatore, convertitore (RMS), ADC (doppia rampa $V_x=V_{ref}T_2/T_1$), display a $n\tfrac12$ cifre. Si sceglie il campo più piccolo che contiene il valore; specifiche $\pm(%\text{ lettura}+%\text{ fondo scala})$ con banda e tempo dalla taratura.Multimetro digitale - voltmetro, amperometro e valore efficace vero →).
- Errori: per ogni forma; sommare invece dei quadrati; full screen senza periodi interi.
- Tabella: sinusoide ; quadra ; : (DC), (AC); rampa : ; fattore di cresta , , .
- Esempi: rampa mV: e mV; due impulsi: e V; LED mA, : mA (DC RMS N cycles), mA (AC), mA (full screen).
Esercizi su questo argomento
- Esercizio 3 · dente di sega, valore efficace e multimetro true-RMS (tema d'esame febbraio 2023)
- Esercizio 4 · segnale a due impulsi, trigger, hold-off e valore efficace (tema d'esame febbraio 2025)
- Esercizio 10 · rampa periodica, periodo, pendenza e accoppiamento AC (tema d'esame febbraio 2026)
- Esercizio 13 · semiampiezza, valore medio e valore efficace dai cursori (tema d'esame gennaio 2022)
- Esercizio 16 · caratteristica di un diodo zener e corrente in un LED (temi d'esame gennaio 2026 e luglio 2026)
- Esercizio 23 · resistenza a due e quattro fili (temi d'esame luglio 2020 e febbraio 2022)
- Esercizio 27 · ripple di un convertitore DC-DC con oscilloscopio e multimetro (tema d'esame febbraio 2024)
Teoria collegata
- Domande di teoria ricorrenti - risposte tipo per Strumentazione elettronica
- Formulario - strumentazione elettronica
- Misure con i cursori e incertezza dell'oscilloscopio
- Multimetro digitale - voltmetro, amperometro e valore efficace vero
- Segnali di test e parametri nel dominio del tempo
- Stima dei parametri di un segnale dai campioni - algoritmi nel tempo e in frequenza