12.2. Низькоомні імітатори опору

Як вже зазначалось (див. таблицю 11.1, теми 11), низькоомні імітатори є водночас і сильнострумовими пристроями, через що у їхньому струмовому колі недоцільно використовувати ОП, велику кількість дискретних масштабних резисторів, а також різного роду комутаційні елементи. Тому деякі структури імітаторів недоцільно, а інколи і неможливо, реалізувати на практиці і вони становлять лише теоретичну цінність [101-103]. Очевидно, що в сильнострумових колах найпростішим типом перетворювачів струм-напруга є, звичайно ж, стандартні однозначні чотиризатискачеві міри опору. Використовуючи тільки один ОП та КПН, включений в коло його зворотного зв'язку, можуть бути створені імітатори провідності або опору (рис. 12.2) [104, 105]. Слід зазначити, що в мірі провідності (рис. 12.2.а) можна

Рис. 12.2. Структурні схеми низькоомних мір опору

використовувати КПН будь-якого типу, але вони матимуть гіперболічно зростаючу шкалу для значень μ=1...μ_min. Переважно відносна похибка КПН зростає із зменшенням значення коду керування. Крім того, в мірі провідності виникатиме додаткова похибка від обмеженості коефіцієнта послаблення синфазної складової ОП. Через ці недоліки на практиці доцільніше використовувати структуру імітатора опору (рис. 12.2.б), вихідна напруга U_i та імітований опір R_i якої при використанні резистивного КПН дорівнюватимуть

(12.4)

, (12.5)

де G - вхідна провідність резистивного КПН (решта позначень аналогічні, як і у виразі (12.1)).

Формула (12.5) показує, що із зменшенням значень відтворюваних опорів помітно зростає відносна похибка, зумовлена напругами зміщення ОП. Водночас при великих струмах відносна похибка КПН на базі магнітних компараторів струмів є нехтовно малою (в найкращих конструкціях компараторів вона становить (2...5)·10^-5%) порівняно з похибками резистивних взірцевих елементів. Причому із зростанням струму первинна обмотка являтиме собою струмову шину, а кількість витків вторинної обмотки залежатиме від коду керування μ (рис.12.3) [106, 107]. При рівності ампер-витків магнітного компаратора струму

Рис. 12.3. Прецизійна низькоомна міра опору

або , (12.6)

справедливі співвідношення:

(12.7)

, (12.8)

де I₁, I₂ – первинний та вторинний струми магнітного компаратора; W₁, W₂ - кількість витків первинної та вторинної обмоток компаратора; R_N - опір взірцевої котушки опору.

12.3. Середньоомні імітатори опору. Автоматизований вибір піддіапазонів відтворення

Середньоомні імітатори електричного опору є двозатискачевими мірами опору і можуть реалізовуватись у такий спосіб: із використанням від’ємних опорів; на основі трипроменевої резистивної зірки; з пасивними перетворювачами напруга-струм. Від’ємні опори можна включати послідовно [108] або паралельно до масштабного резистора. Однак практична реалізація таких імітаторів опору значно ускладнюється через протікання струму через всі масштабні компоненти, необхідність використання магазину провідності та трьох різнономінальних масштабних резисторів для кожного з піддіапазонів відтворення, труднощі автоматичного перемикання під діапазонів, потенціальної нестійкості від’ємних опорів. У разі використання деяких структур з резистивною зіркою створюється можливість автоматичного перемикання під діапазонів, але їх шкала зміщена, до того ж імітатора протікає через резистивний КПН [109]. Третій спосіб реалізації імітаторів є найпростішим. Серед майже рівнозначних за характеристиками та апаратними затратами структур імітаторів на базі двох ОП [110-112] перевагу доцільно віддати потенційно точнішим структурам з використанням гальванічно розділених ОП [113, 114], оскільки в них відсутня складова похибки, спричинена обмеженістю коефіцієнта послаблення синфазної складової. Важливою перевагою обох згаданих структур є можливість використання подільників напруги будь-якого принципу дії, однак більшість сучасних прецизійних інтегральних ЦАП мають струмовий вихід, що ускладнюватиме їх практичну реалізацію. Як видно з таблиці 11.1 (тема 11), на базі ОП із стандартними значеннями напруг живлення можна реалізувати імітатор опору в межах декількох декад. Звичайно ж, при цьому доцільно автоматизувати процес перемикання піддіапазонів відтворення. Структура широкодіапазонної міри опору з автоматичним перемиканням піддіапазонів та інваріантністю залишкових параметрів перемикачів подана на рис.12.4 [115]. Перемикання піддіапазонів в імітаторі здійснюється потенціально-струмовою комутацією масштабних резисторів R_N1…R_Nm. Внаслідок цього забезпечена інваріантність відтворюваного опорів від залишкових параметрів ключів S_n піддіапазонів. Потенціально-струмова комутація дозволяє використовувати, як струмові S_с релейні або ж транзисторні ключі, як потенціальні S_n ключі на МДН-транзисторах. Відтворюваний схемою рис. 12.4 опір R_i, дорівнюватиме:

. (12.9)

де R_nj - значення опору включеного масштабного резистора; j=0,1,2,...,m; І_i; - струм, який протікає через імітатор опору; e₁,e₂ - еквівалентні напруги зміщення першого та другого ОП.

Як видно з формули (12.9) еквівалентні напруги зміщення спричиняють появу адитивної та мультиплікативної складових похибки імітованого опору. Їх значення, крім того, ще й залежить від струму імітатора. У структурі (рис.12.4) є унікальна можливість корекції згаданих складових похибки через закорочення входу першого повторювача напруги без відключення імітатора

БК – блок керування; СК – схема корекції

Р ис. 12.4. Структурна схема універсальної кодокерованої міри електричних величин

від вимірювальної схем Для цього слід виміряти значення вихідної напруги імітатора при R_nj=0 та ввести її протиполярне значення у схему корекції, яка розташована потенціальному колі другого ОП.

Важливою практичною перевагою структури (рис.12.4) є можливість простого розширення її функціональних можливостей. Дійсно, при замиканні правого ключа S_П та нижнього ключа S_С (рис.12.4), до входу першого повторювача під'єднується опорна напруга Е_N і схема імітатора опору без додаткових апаратних затрат перетворюється на калібратор напруги.

При розширенні піддіапазонів відтворення у бік більших значень опорів (понад 1 кОм) напруга на ОП перевищуватиме значення стандартних напруг його живлення і потрібно використовувати спеціальні високовольтні підсилювачі. Але у такому разі значно зменшується і відносна похибка, зумовлена залишковими параметрами релейних ключів. Через ці причини для реалізації широкодіапазонної КМО пропонується об'єднати в одній структурі переваги, як імітаторів опору, так і високовольтних пасивних кодокерованих магазинів опору [117]. Принцип дії такої міри полягає в поступовому збільшенні кількості пасивних декад, починаючи з певної межі (див. таблицю 11.1, теми 11, понад 10 кОм). При цьому залежно від піддіапазону відтворення міра може реалізовуватись або лише на імітаторі опору, або бути комбінованою, або складатись тільки з пасивних резистивних декад.