Електричні вимірювальні пристрої

    Частотою одиничного підсилення називають частоту вхідного сигналу, який перетворюється операційним підсилювачем з коефіцієнтом k_U = 1.

    Максимальна швидкість наростання вихідної напруги визначає найбільшу швидкість зміни вихідної напруги під час підімкнення на його входи імпульсу прямокутної форми максимально допустимої амплітуди.

    Коефіцієнт послаблення синфазного сигналу М_сф - це відношення коефіцієнта підсилення k_U до коефіцієнта передавання на вихід операційного підсилювача синфазного сигналу.

    Вхідною напругою зміщення U_зм називають диференціальну постійну напругу, прикладення якої до входів операційного підсилювача викличе встановлення на його виході напруги, яка дорівнює нулю.

    Аналізуючи схеми з операційними підсилювачами, часто вживають поняття ідеального ОП, для якого приймають безмежно великими значення вхідних опорів , та Z_д, безмежно малим значення вихідного опору безмежно великими коефіцієнт підсилення k_U та коефіцієнт послаблення синфазного сигналу М_сф, а також нехтувально малою напругою постійного зміщення U_зм.

    Сучасні вимірювальні операційні підсилювачі можна поділити на дві групи: універсальні та спеціальні.

    До універсальних належать підсилювачі середньої точності, з середньою швидкодією та смугою пропускання сигналів. Такі підсилювачі оптимізовані за статичними і динамічними параметрами, а саме - вхідними струмами в десятки - сотні наноампер, коефіцієнтом послаблення синфазної складової вхідної напруги не більше ніж 80 -90 дБ, частотою одиничного підсилення до 5 МГц, швидкістю наростання вихідної напруги до 5 - 10 В/мкс, вхідною напругою зміщення в границях кількох мілівольт і її температурною зміною до десятків мікровольт на градус, вхідною напругою шумів в одиниці мікровольт в смузі 10 Гц - 10 кГц. Завдяки названим параметрам ОП середньої точності знаходять надзвичайно широке застосування як у вирішенні вимірювальних, так і контрольних функціональних завдань. До цієї численної групи можна також віднести мікропотужні і програмовані ОП. Перші характеризуються малими напругами живлення та мікроспоживанням, що робить їх незамінними у портативній і мініатюрній апаратурі. В програмованих підсилювачах за допомогою спеціального відводу можна регулювати режим роботи вхідних каскадів і таким чином змінювати ширину частотної смуги та потужність споживання самих ОП.

    До другої групи спеціальних операційних підсилювачів належать швидкодіючі та прецизійні підсилювачі. Швидкодіючі - це підсилювачі з великою шириною частотної смуги (частота одиничного підсилення до 500 МГц) та найкращими динамічними параметрами (швидкість наростання вихідної напруги - сотні вольт за мікросекунду і час встановлення її - одиниці мікросекунд з точністю десяті частки відсотка). Прецизійні операційні підсилювачі - це спеціальні підсилювачі, для яких вжито схемних, структурно-алгоритмічних та конструкторських заходів з метою мінімізації певного масиву їх параметрів. Результатом цього є забезпечення в них вхідних струмів в десятки - сотні пікоампер; коефіцієнта послаблення синфазної складової вхідної напруги до 120 дБ\ вхідної напруги зміщення в десятки - сотні мікровольт при її температурній зміні в одиниці мікровольт на градус; вхідної напруги шумів меншої за 1 мкВ.

    Однак здебільшого такі операційні підсилювачі мають обмежену частотну смугу сигналів, тобто частоту одиничного підсилення не вище ніж 0,5 МГц та низьку швидкість наростання вихідної напруги - в частки вольт за мікросекунду.

    Окремі параметри операційних підсилювачів гарантуються певними межами: наприклад коефіцієнт підсилення більший, ніж 50000, вихідний опір - одиниці Ом, вихідний струм не більший за 8... 10 мА тощо.

    З метою покращання метрологічних характеристик операційні підсилювачі охоплюють колами від'ємного зворотного зв'язку, що дозволяє наблизити до ідеальних значення їх вхідного та вихідного опорів, підвищити стабільність коефіцієнта підсилення у вибраній частотній смузі вхідних сигналів.

     Найпростішими є схеми інвертуючого (рис. 7.7,а) та неінвертуючого (рис. 7.7,б) підсилювачів напруги. Якщо вважати операційний підсилювач ідеальним, то в схемі інвертуючого підсилювача вхідна напруга U_вх прикладається до резистора R₁, що викликає появу струму Останній компенсується струмом, утвореним спадком вихідної напруги U_вих на резисторі R₂. Тому

    

, звідки .

Отже при поданні вхідної постійної напруги U_вх до інвертуючого підсилювача вихідна напруга U_вих буде протилежної полярності, а при поданні вхідної змінної напруги буде до неї у протифазі. При цьому коефіцієнт підсилення

    

Якщо и_вх подається до неінвертуючого підсилювача, то отримана вихідна напруга ділиться за допомогою дільника напруги, утвореного резисторами R₁ і R₂, частина якої,

    

прикладається до інвертуючого входу ОП. Внаслідок нульової різниці напруг між входами ідеального операційного підсилювача, викликаної його безмежним коефіцієнтом   підсилення,   напруга U_ін дорівнюватиме   вхідній напрузі, тобто

При цьому U_вих збігається по фазі з U_вх , а коефіцієнт підсилення для неінвертуючого підсилювача

     Для регулювання коефіцієнта підсилення в схемах вимірювальних підсилювачів замість одного з резисторів, наприклад в колі від'ємного зворотного зв'язку, використовують кодокерований магазин опорів КМО (рис. 7.8). При цьому коефіцієнт підсилення такого підсилювача регулюється дискретно і дорівнює 

де R_k - опір кодокерованого магазину, значення якого встановлюється за допомогою коду N (п.6.2).

    У випадку підсилення малих сигналів, наприклад від різноманітних первинних перетворювачів, і, особливо, в умовах впливу шумів і завад, доцільно використовувати диференціальні вимірювальні підсилювачі. Вони достатньо ефективні при наявності суттєвої синфазної перешкоди, як у вигляді постійного, так і змінного в часі сигналу.

    Тому з метою послаблення цієї завади основною вимогою до таких підсилювачів є строга симетрія вхідних кіл. На рис. 7.9 зображена схема традиційного диференціального вимірювального підсилювача. Розглядаючи окремо перетворення вхідної напруги колами інвертуючого і неінвертуючого підсилення та за умови дотримання R₇/R₆ = R₅/R₄, вихідна напруга диференціального підсилювача визначається виразом

    Перевагою цього підсилювача є можливість впливати на коефіцієнт підсилення за допомогою зміни значення опору одного резистора R₁.

    

    Для засобів вимірювальної техніки, первинні перетворювачі яких мають струмовий вихід, застосовують підсилювачі з перетворенням вхідного струму в напругу (рис. 7.10).

Для вихідної напруги перетворювача (рис. 7.10,а) можна записати U_вих = -I_вхR₃₃. Слід наголосити, що точність цього підсилювача залежить від того, наскільки вхідний струм операційного підсилювача менший за значення І_вх. В електрометричних підсилювачах, коли І_вх< 1мкА, значення R₃₃ може сягати десятки - сотні мегаом, що негативно впливатиме на точність і стабільність схеми. Тому доцільно замінити один R₃₃ на Т - подібну резистивну структуру R1, R2, RЗ (рис. 7.10,6). У випадку ідеального операційного підсилювача вихідна напруга тут визначається виразом

    При цьому, якщо R₁=R₂=100R₃, то для R₁ =1МОм отримаємо еквівалентний опір кола зворотного зв'язку R_зз =102 МОм.

     З метою підсилення сигналів перетворювачів зі струмовим виходом використовують вимірювальні підсилювачі струму (рис. 7.11). Причому, вхідним сигналом такої схеми є струм I_вх що безпосередньо надходить на інвертуючий вхід операційного підсилювача, аналогічно як в попередніх схемах на рис. 7.10, або напруга U_вх, яка за допомогою додаткового вхідного резистора R_вх перетворюється у І_вх, як у схемі на рис. 7.7. В останньому випадку такий вимірювальний підсилювач називають керованим напругою джерелом струму.

    Вихідний струм І_вих такого підсилювача може бути знайдений розв'язанням системи рівнянь (за умови, якщо напруга інвертуючого входу ОП дорівнюватиме нулю)

Звідки 

    Метрологічні характеристики такого вимірювального підсилювача визначаються співвідношенням діапазону зміни І_вх до значення вхідного струму операційного підсилювача. При постійному струмі І_вх>1мА точність цієї структури визначається лише точністю співвідношення R₁ до R₂ і не залежить від значення опору навантаження R_н. На змінному струмі метрологічні характеристики такого підсилювача визначаються частотою одиничного підсилення і максимальною швидкістю наростання вихідної напруги операційного підсилювача.

7.3. Функціональні та операційні перетворювачі

    Функціональні перетворювачі (ФП) - це пристрої, які виконують операцію перетворення одного чи кількох вхідних сигналів у вихідний сигнал 2 згідно із функціональною залежністю Вони широко використовуються для виконання певних математичних операцій над неперервними сигналами з метою лінеаризації характеристики засобу вимірювань, стиснення чи розширення динамічного діапазону вхідних величин. Тому функціональні перетворювачі знаходять застосування в системах моделювання різноманітних процесів і явищ; корегувальних пристроях, призначених для підвищення точності, швидкодії, завадостійкості, а також оптимізації інших показників вимірювальних та корегувальних систем.

    В загальному випадку за способом їх реалізації функціональні перетворювачі можна виділити у дві великі групи.

    До першої групи належать перетворювачі, в основу принципу дії яких покладені певні фізичні ефекти в елементах з природною нелінійністю вольт-амперної характеристики: напівпровідникових діодах, біполярних і уніполярних транзисторах, нелінійних опорах, термоелектричних та оптоелектричних перетворювачах. Крім цього, застосовуються також елементи з порівняно лінійною характеристикою - на основі гальваномагнітних та тензорезистивного ефектів.

    У функціональних перетворювачах другої групи відтворення необхідної функціональної залежності між вихідною і вхідними величинами здійснюється за допомогою алгоритмічних математичних методів. Слід відзначити, що такий поділ ФП є дещо неоднозначним, бо інколи в алгоритмічних перетворювачах використовуються елементи з реалізацією функціональної характеристики на фізичних ефектах.

    Функціональні перетворювачі першої групи характеризуються порівняно простими схемними реалізаціями на базі операційних підсилювачів. Структури цих ФП буває мають дуальний характер, залежно від місця ввімкнення функціонального елементу. Причому вигляд вольт-амперних характеристик функціональних елементів, в першу чергу, визначає тип дуальних пар функціональних залежностей перетворювачів.

    

    На рис. 7.12 показані схеми, відповідно, експоненціатора (а) та логарифматора (б) на напівпровідникових діодах. Вихідні напруги таких перетворювачів визначаються виразами:

- для схеми рис. 7.12,а