Измерение заряда.

Схема измерения заряда формирует выходное напряжение, пропорциональное изменениям заряда, находящегося на исследуемом приборе. Например, в пьезодатчиках ускорения возникает заряд, изменяющийся в соответствии с действующим на элемент механическим усилием. Датчики с изменяющейся емкостью, например конденсаторные микрофоны, включаются последовательно с источником постоянного напряжения, поэтому давление воздуха или иные воздействия вызывают изменения заряда на электродах датчика. Во всех задачах, связанных с измерением заряда, основные трудности связаны с высоким сопротивлением источника исследуемого сигнала.

Аналогичные проблемы имеют место при приеме сигналов с датчиков, имеющих большое внутреннее сопротивление, особенно если спектр этих сигналов занимает широкую полосу частот. Такими датчиками, например, являются микроэлектроды, используемые в биологии и медицине. Их сопротивление составляет сотни мегаОм.

Линия, соединяющая источник и приемник с такими высокими сопротивлениями, крайне чувствительна к электрическим помехам, поэтому ее обязательно экранируют. Это приводит к большой емкостной нагрузке источника относительно общей точки схемы (порядка 50 пф/м). При внутреннем сопротивлении источника сигнала, например 1 ГОм, и емкости кабеля 50 пФ, граничная частота измеряемого сигнала составит всего лишь 3.1 Гц.

Другая проблема — изменения величины этой емкости во времени, вызванные, например, механическими перемещениями. Это приводит к возникновению очень большого шумового напряжения. Если на проводник подано напряжение 10В, то из-за колебаний емкости на 1% колебания входного напряжения усилителя достигают 100мВ.

Для снижения влияния экрана на качество приема сигнала от датчика ОУ с малым входным током включают по схеме неинвертирующего повторителя, причем экран соединяют с выходом усилителя заряда с одинарным экраном, как показано на а).

Схема усилителя заряда:

а—с одинарным экраном; б—с, двойным экраном

В этом случае динамическая входная емкость схемы С _IN оказывается существенно меньше емкости С _Э между центральным проводом и экраном. Используя соотношения для вывода входного сопротивления ОУ в неинвертирующем включении, можно показать, что

Физически это объясняется тем, что в этой схеме при подаче входного сигнала разность потенциалов между проводом и экраном практически не меняется, оставаясь равной входному дифференциальному напряжению ОУ. Если входные сигналы слабые, то для уменьшения синфазной помехи следует использовать двойной экран, причем внешнюю оболочку нужно заземлить. Для предотвращения самовозбуждения, обусловленного влиянием межэкранной емкости, следует включить между выходом ОУ и внутренним экраном резистор сопротивлением несколько сот Ом, см. б).

Усилитель, построенный по такой схеме, практически не нагружает источник сигнала, поэтому его целесообразно применять для усиления сигналов пьезодатчиков, т. к. механические свойства и резонансные частоты последних в этом случае остаются неизменными.

Другой путь измерения заряда состоит в применении инвертирующей схемы.

Усилитель заряда с ОУ в инвертирующем включении:

о — схема включения, б — ЛАЧХ усилителя

Здесь С ₁— емкостный датчик. Эта схема работает как интегратор, в котором конденсатор С ₂ в цепи обратной связи ОУ интегрирует входной ток I ₁. Благодаря низкому входному сопротивлению схема имеет хорошую частотную характеристику Емкость соединительного кабеля мало влияет на его работу. Конденсатор С ₂ можно при необходимости разряжать, замыкая ключ S. Если не требуется усиливать постоянную составляющую сигнала, то параллельно конденсатору С ₂подключают резистор R ₂. Для повышения устойчивости схемы целесообразно включить резистор R ₁. В этом случае передаточная функция схемы будет иметь вид

Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика схемы приведена наб). Нижняя частота полосы пропускания f _Н = 1/2p R ₂ С ₂ (Гц). Верхняя частота (в зависимости от того, что меньше) либо совпадает с полосой пропускания ОУ, либо равна f _В = 1/2p R ₁ С ₁ (Гц). В полосе пропускания коэффициент передачи схемы равен — С ₁ / С ₂.

Данная схема практически закорачивает датчик, так что ее целесообразно использовать совместно с емкостными датчиками сигналов, например конденсаторными микрофонами, пьезоэлектрическими акселерометрами и др.

Дата добавления: 2015-08-13