Измерительные усилители

Для большинства параметрических датчиков характерно объединение ЧЭ с помощью суммирующих схем, в качестве которых чаще всего исполь­зуют измерительные мосты, обладающие высокой линейностью и помехо­защищенностью. Преобразование дифференциального выходного сигнала мостовой схемы в стандартный унифицированный сигнал осуществляется с помощью измерительных усилителей (ИУ), содержащих дифференциальные первичные каскады.

В настоящее время операционные усилители (ОУ) в информационных системах вытесняют дискретные транзисторные усилители и практически

по всем показателям, кроме мощности, превосходят их. Обычно подобные устройства используют в качестве первого каскада усиления в измеритель­ных цепях датчиков. Задачей ИУ является нормализация сигнала, т. е. при­ведение его к стандартному уровню. Исходя из этого основным требованием к ИУ является точность. Для ее обеспечения необходимо выполнение сле­дующих условий:

· коэффициент усшения по напряжению должен иметь постоянное значе­ние Кц, не зависящее от частоты и фазы входного сигнала;

· бесконечно большой коэффициент ослабления синфазного сигнала К_ос.сф

· равенство нулю входного и выходного напряжений смещения, а также выходного импеданса.

Указанные условия требуют применения комплексных схемотехниче­ских решений. Как правило, ИУ строится на базе прецизионного ОУ и содержит не менее трех каскадов усиления, каждый из которых решает соб­ственную задачу (рис. 2.15). ОУ имеет два входа — инвертирующий и неин­вертирующий — и один выход, напряжение на котором синфазно с напря­жением на неинвертирующем входе.

Первый каскад всегда представляет собой дифференциальный усши- тель. Простейший дифференциальный усилитель включает активную схему с двумя симметричными плечами, питание которой осуществляется генера­тором тока ГТ (см. рис. 2.15). Входным сигналом U_вх является разность на­пряжений на входах Вх₁ и Вх₂ схемы, выходным U_вых — разность напряже­ний на выходах Вых₁ и Вых₂- Напряжения с Вых₁ и Вых₂ поступают на вто­рой каскад, состоящий из инвертора и эмиттерного повторителя. Назначение этого каскада — преобразование двухфазного сигнала с дифференциального усилителя в однофазный. Сигнал с Вых₂ инвертируется и вычитается из сигнала с Вых₁ Третий каскад используется для усиления сигнала и содер­жит эмиттерный повторитель, снижающий выходное сопротивление уси­лителя. Для повышения К_U в схеме ОУ могут быть дополнительные каскады усиления.

ИУ является достаточно сложным прибором, его функционирование описывается большим числом параметров. Приведем важнейшие из них и в скобках укажем диапазоны изменения их числовых значений:

· коэффициент усиления К_U (от 10³ до 10⁸);

· коэффициент ослабления синфазных напряжений K_ос.сф.(от 60 до 120 дБ);

· напряжение смещения U_см, характеризующее несимметричность вход­ного каскада и равное напряжению, которое надо подать на усилитель, чтобы сигнал на его выходе обратился в нуль (от 10^-2 до 10² мВ);

· входное (дифференциальное) сопротивление R_вх, равное отношению

изменения дифференциального напряжения на входах ИУ к изменению 4 9

входного тока (от 10⁴ до 10⁹ Ом);

· частота единичного усиления 𝑓_у1, определяющая полосу пропускания

ИУ, когда коэффициент К_U = 1 (от 10⁵ до 10⁸ Гц);

· выходное сопротивление R_вых.

В настоящее время промышленно выпускают усилители самого разного назначения. Все их условно можно подразделить на четыре группы. К пер­вой относятся усилители общего применения, используемые в бытовой ап­паратуре, звукозаписывающих устройствах и др. Вторую группу составляют прецизионные усилители (U_см < 0,1 мВ; К_U > 10⁶); как правило, их включа­ют в измерительные цепи датчиков. Третью группу образуют быстродейст­вующие усилители, у которых скорость нарастания напряжения V_и > 100 В/мкс; обычно их применяют в видеоустройствах. Наконец, к четвер­той группе относятся усилители с особыми режимами мощности: микро- мощные, с током потребления менее 10 мкА, и мощные, с током нагрузки до 1А. Первые, как правило, используют в бортовых приборах, вторые — в усилителях мощности.

При расчете схем ИУ применяют модель идеального ОУ, для которого характерны следующие допущения:

К_U = ∞на низких частотах, причем с ростом частоты уменьшение К_U не должно превышать 20 дБ/дек (рис. 2.16, а); R_вх = ∞; R_вых =0. На практике эти значения недостижимы, однако для большинства режимов работы уси­лителей указанные допущения выполняются с приемлемой точностью. Так, вносимые ИУ погрешности, по крайней мере, на два порядка ниже погреш­ностей ЧЭ и измерительной схемы.

На рис. 2.16, б представлена схема подключения обратной связи к ОУ. Для получения заданных параметров необходимо обеспечить требуемый К_U и сформировать соответствующую коррекцию АЧХ. Эти требования определяются параметрами обратной связи ОУ. При использовании отрица­тельной обратной связи на вход ОУ поступает напряжение

причем U_вых = = К_U(U_вх -βU_вых)- Здесь β — коэффициент передачи напряжения ОУ с цепью обратной связи. Тогда коэффициент усиления ОУ, охваченного отрицательной обратной связью,

При К_U ≫ 1 (глубокая обратная связь) К_Uос ≈ 1/β, т. е. коэффициент усиления ОУ определяется только свойствами цепи обратной связи и не за­висит от свойств самого усилителя. Достаточная глубина обратной связи ОУ достигается его высоким собственным коэффициентом усиления К.

В любом ОУ с ростом частоты амплитуда выходного напряжения уменьшается и отстает по фазе от входного сигнала. Следовательно, коэф­фициент усиления частотно зависим. Это определяется емкостными свойст­вами последующих каскадов и нагрузки. АЧХ и ФЧХ каскада усилителя по­добны характеристикам датчиков первого порядка:

где 𝑓_г = 1/(2 π RС) — частота среза (граничная частота).

АЧХ трех каскадного ОУ имеет три излома на разных частотах среза (см. рис. 2.16, а). После первого на низшей частоте среза АЧХ имеет наклон 20 дБ/дек, после второго — 40 дБ/дек, после третьего — 60 дБ/дек. Соответ­ственно фаза выходного сигнала после первого каскада отстает от фазы входного сигнала на 90°, после второго -— на 180°, после третьего — на 270°. Условием устойчивости ОУ с отрицательной обратной связью являет­ся отставание по фазе не более чем на 120°. Поскольку АЧХ имеет три из­лома, то для обеспечения устойчивости ОУ требуется два корректирующих RС-звена. В современных ОУ используется внутренняя частотная коррек­ция, а также внутренняя защита от перегрузок по выходу.

Наиболее распространены три схемы ИУ: простая дифференциальная, дифференциальная с буферными каскадами и прецизионная. Самой извест­ной является простая дифференциальная схема ИУ (рис. 2.17, а). Она явля­ется базовой для мостовых измерительных схем. Для обеспечения одинако­вого усиления по прямому и инверсному входам схема содержит делитель напряжения R₃R₄ на прямом входе, выбираемый из условия R₁/R₂=R₃/R₄

Коэффициент усиления

Функция преобразования в этом случае аппроксимируется зависимостью вида

Важнейшим свойством дифференциальной схемы является значительное уменьшение уровня наводок, действующих на все плечи моста и поступаю­щих затем на оба входа усилителя в одной фазе. Эти наводки получили на­звание синфазные помехи. Степень ослабления такого сигнала определяется коэффициентом К _ос.сф. Пусть усилитель среднего класса К140 УД7 имеет дифференциальную схему включения, а напряжение сетевой наводки U^* равно уровню полезного сигнала: U = U^*=10 мВ. Тогда выходное напряже­ние от измеряемого сигнала U_вых и помехи U_вых.сф при К _ос.сф = 10 (напри­мер, при R₁ = 1 кОм, R2 = 10 кОм) и паспортном значении К _ос.сф = 80 дБ составят U_вых = UR₂/R₁ = 100 мВ; *U_вых.сф = U^* R₂(R₁ K_ос.сф) = 10 мкВ. Таким образом, выходной сигнал от помехи ослаблен в 1000 раз. Недостатком простой дифференциальной схемы является низкое входное сопротивление при дифференциальном и синфазном сигналах:

Для получения высокого входного напряжения, а также увеличения ко­эффициента усиления используют схему усилителя с буферными каскадами, которая представляет собой двухкаскадный ИУ (рис. 2.17, б). Высокое R_вх.диф обеспечивается использованием одноименных (прямых) входов уси­лителей. При этом входное сопротивление не зависит от коэффициента уси­ления. Первый каскад усиливает дифференциальный сигнал в (R₁ +R₂ +R₃)/ R₁ раз при единичном усилении синфазной составляющей, второй — в R₅/R₄ раз. Суммарный

Обычно он задается одним резистором R₁ и достигает 10000. Для обеспечения максимального К_{ос. сф} выбирают R₄R₇ = R₅R₆ (в расчетах полагают R₂ = R₃, R₄ =

R₅ = R₇).

Пусть все резисторы, кроме первого, одного номинала: R_i= 25 кОм (где

i= 2, 3,..., 7), а R₁ =KR_i = 50 Ом, где К — коэффициент. Тогда К = 1/500. Напряжение U_вых =(1 + 2/K)(U_вх2- U_вх1) и, следовательно, К_Uос =1001.

Если резистор R₁ отсутствует (К = ∞), К_Uос = 1.

Прецизионные ИУ, как правило, используют с конкретными измеритель­ными схемами. Такой подход обеспечивает очень низкий уровень темпера­турного дрейфа и шума. Примером ИУ для мостовых схем является одно­кристальный программируемый усилитель АD 624 фирмы Analog Devices (США), представленный на рис. 2.17, в. Схема имеет следующие характери­стики: диапазон рабочих температур - 40... + 40 °С; максимальный входной сигнал 10 мВ, максимальное выходное напряжение 1 В, полоса частот сигнала 10³ Гц. Мост предварительно сбалансирован, и напряжение смещения

усилителя при 20 °С равно нулю.

Выпускают четыре модели усилителя АD 624, отличающиеся допусти­мым уровнем погрешностей. Так, самая точная модель АD 624D обладает суммарной погрешностью (включающей нелинейность, температурный дрейф и шум) в рабочем диапазоне не выше 0,0015 %.

Примеры промышленных ИУ приведены в табл. 2.8.

Итак, мы рассмотрели основные элементы и принципы построения ин­формационных устройств для робототехнических и мехатронных систем. Использование соответствующих ЧЭ, измерительных схем и усилителей позволяет строить эффективные датчики, которые широко применяются в устройствах автоматики, станках, а также в средствах измерения и неразру­шающего контроля.

Контрольные вопросы

1. Какой тип тензорезисторов обладает наибольшей чувствительностью?

2. Как обеспечить инвариантность чувствительности пьезоэлектрическо­го элемента к его размерам?

3. Что такое сечение Кюри?

4. Какой из преобразователей является генераторным — лампа накали­вания, фотодиод или тензорезистор?

5. Что такое диаграмма направленности светодиода?

6. Зачем используется дифференциальное включение преобразователей?

7. Линейна ли потенциометрическая схема?

8. Каково условие равновесия мостовой схемы?

9. Сколько корректирующих звеньев содержит трехкаскадный усили­тель?

10. Что такое синфазная помеха?

Дата добавления: 2015-08-26