2.3.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.

У казанные 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.

Н а 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

п ричем 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,

П ри 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/(2πRС) — 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

К оэффициент усиления

Функция преобразования в этом случае аппроксимируется зависимостью вида

В ажнейшим 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 %.

П римеры 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.