Материал: 832
140
iн U2 Uн Uвых Uн
R R
U2 Uвых 2Uн U2 U1 ,
R R
т.е. ток iн не зависит от сопротивления нагрузки и пропорционален разности входных напряжений. Устройство выполняет функцию стабилизатора тока.
12.8 Усилители тока
Усилители тока предназначены для преобразования малых токов в напряжение. Простейший способ преобразовать ток в напряжение – пропустить этот ток через резистор с известным сопротивлением. Однако при этом для увеличения чувствительности при измерении малых токов приходится существенно увеличивать сопротивление резистора, что:
а) приводит к нежелательному воздействию измерительной цепи на измеряемую;
б) требует повышения входного сопротивления последующих каскадов;
в) увеличивает инерционность цепи, вызываемую действием паразитных емкостей, в частности соединительной линии. Усилители тока на ОУ (рис. 12.14) позволяют в значительной мере избавиться от перечисленных недостатков.Коэффициент преоб-
разования схемы (рис. 12.14, а) |
определяется |
соотношением |
|||
Uвых Iс R. |
Для схемы (рис. 12.14, б) он равен R1 R2 R1R2 R3 |
||||
|
|
|
|
R1 |
R2 |
|
|
R |
|
|
R3 |
|
|
Uвых |
|
|
Uвых |
Ic |
Rc |
|
Ic |
Rc |
|
|
|
а |
|
|
б |
Рис. 12.14 – Схемы преобразователей тока в напряжение
141
и позволяет избежать использования слишком больших сопротивлений.
Коэффициент преобразования схемы рис. 12.14, а определяется соотношением Uвых 
Iс R. Для схемы рис. 12.14, б он равен R1 R2 R1R2
R3 и позволяет избежать использования слишком больших сопротивлений.
Входное сопротивление усилителя тока весьма мало:
R |
r |
|
|
|
|
R |
, где r – входное сопротивление ОУ. Поэтому |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|||
вх |
вх |
|
|
|
1 К |
вх |
|
|
|
||||||
усилитель не оказывает обратного влияния на измеряемую цепь и обеспечивает малую постоянную времени входной цепи.
Если к усилителю тока не предъявляется требование высокого быстродействия, рекомендуется включать конденсатор между инвертирующим входом и выходом ОУ с целью уменьшения напряжения шумов на выходе.
12.9 Амплитудный детектор
Амплитудный детектор (рис. 12.15) предназначен для формирования постоянного выходного напряжения, пропорционального амплитуде входного переменного или импульсного напряжения. Основными элементами устройства являются диод VD1 и запоминающий конденсатор C. Использование ОУ позволяет измерять амплитуды малых входных напряжений, исключить по-
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
грешность |
за |
счет |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
прямого |
падения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
VD |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
DA2 |
|
|
|
|
напряжения на дио- |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
VD1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвых |
де VD1, увеличить |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
нагрузочную |
спо- |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
|
|
|
собность. DA2 ра- |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
Uвх |
|
DA1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ботает как повтори- |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
Рис. 12.15 – Амплитудный детектор |
тель напряжения на |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
конденсаторе |
C, |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
положительного уровня |
предотвращая |
его |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
разряд током нагрузки и током обратной связи через резистор R. DA1 работает как компаратор, непрерывно сравнивая выходное напряжение со входным.
142
Пусть на вход амплитудного детектора подается последовательность прямоугольных импульсов положительной полярно-
сти. Подача Uвх 0 при Uвых 0 переводит DA1 в режим положительного ограничения. Конденсатор C заряжается через открывшийся диод VD1. С ростом напряжения на конденсаторе растет Uвых и напряжение на инвертирующем входе DA1. Как только оно чуть превысит амплитуду Uвх, напряжение на выходе DA1 резко уменьшается и диод VD1 закрывается. Схема переходит в режим хранения, при котором Uвых =Uвх макс. В интервале между импульсами диод VD2 ограничивает выходное напряжение DA1, предотвращая его насыщение.
В амплитудных детекторах необходимо предусматривать цепи, производящие периодический разряд запоминающего конденсатора, чтобы затем обновлять информацию об амплитуде входного напряжения.
|
12.10 Выпрямитель среднего значения |
|
|
|
||||
|
Выпрямители среднего значения дают на выходе напряже- |
|||||||
ние, постоянная составляющая которого пропорциональна сред- |
||||||||
нему значению выпрямленного входного напряжения. Использо- |
||||||||
вание ОУ в точных выпрямителях преследует цель уменьшить |
||||||||
погрешности преобразования, обусловленные неидеальными |
||||||||
вольт-амперными характеристиками диодов. |
|
|
|
|
||||
|
|
|
VD1 |
Когда |
входное |
напря- |
||
|
|
DA1 |
жение |
положительно |
(рис. |
|||
|
R1 |
|
||||||
|
|
R3 |
12.16), оно через резистор R2 |
|||||
|
|
|
||||||
Uвх |
|
|
проходит на вход повторите- |
|||||
R2 |
DA2 |
VD2 |
ля, собранного на ОУ DA2, и |
|||||
|
|
таким |
образом |
получаем |
||||
|
|
|
|
Uвых=Uвх. Диод VD2 при |
||||
|
|
|
Uвых |
этом закрыт и напряжение с |
||||
|
|
|
выхода ОУ DA1 никак не |
|||||
|
|
|
|
влияет на состояние DA2. |
||||
|
Рис. 12.16 – Схема прецизи- |
При отрицательном входном |
||||||
|
онного выпрямителя |
напряжении диод VD2 от- |
||||||
|
|
|
|
крывается и повторитель на |
||||
143
ОУ DA2 оказывается подключенным к выходу ОУ DA1. Обратная связь в этом случае замыкается через резистор R3, и выходное напряжение равно UвхR3 
R1 . Если R3=R1, то в целом для рас-
сматриваемого выпрямителя получим Uвых Uвх , т.е. выходное
напряжение оказывается равным абсолютному значению входного. При любом знаке входного сигнала выпрямитель имеет близкое к нулю выходное сопротивление. Требуется только два прецизионных резистора.
12.11 Преобразователи сопротивления в напряжение
Преобразователи сопротивления в напряжение (ПСН) находят применение при построении омметров и измерительных приборов с резистивными первичными преобразователями. При неизменном токе падение напряжения на резисторе пропорционально его сопротивлению. Таким образом, ПСН можно построить, включая преобразуемое сопротивление в цепь нагрузки стабилизатора тока. Применение ОУ позволяет реализовать такие требования, как возможность заземления преобразуемого сопротивления, исключение погрешности от сопротивления соединительных проводников, снижение выходного сопротивления ПСН и т.д.
|
|
ПСН с двухпроводной линией связи применяются в тех слу- |
|||||||||||||||||||
чаях, |
|
когда преобразованию подлежат большие сопротивления |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E |
или когда преобразуемое со- |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
противление Rx находится в |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
VT1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
непосредственной близости от |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
VD1 |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
преобразователя. В ПСН по |
|||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
схеме рис. 12.17 стабилизатор |
I0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
DA1 |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
R0 |
|
|
|
тока содержит ОУ DA1, рабо- |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тающий в режиме повторителя |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвых |
напряжения, стабилитрон VD1, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Rх |
|
|
|
|
обеспечивающий опорное на- |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
пряжение U0, полевой транзи- |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
стор VT1 и резистор R0. На- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 12.17 – Схема ПСН с двух- |
пряжение между входами ОУ |
||||||||||||||||||||
можно считать равным нулю, |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
проводной линией связи |
так что напряжения на стаби- |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
144 |
|
|
|
|
литроне и резисторе R0 одинаковы и противоположно направле- |
|||||||||||
ны. |
|
Это |
означает, |
что |
стабилизируемый |
ток |
равен U0/R0. |
||||
Cуммарный ток через стабилитрон и резистор R0 задается источ- |
|||||||||||
ником тока на полевом транзисторе VT1, у которого затвор со- |
|||||||||||
единен с истоком. Выходное напряжение, равное U0RX/R0, снима- |
|||||||||||
ется с выхода ОУ, благодаря чему обеспечивается низкое выход- |
|||||||||||
ное сопротивление ПСН. Изменение пределов измерения осуще- |
|||||||||||
ствляется с помощью сопротивления R0. |
Существенное снижение |
||||||||||
|
|
r1 |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
I0 |
|
погрешностей, |
вызванных |
||
Rх |
r2 |
Uвых |
|
|
|
влиянием проводов соедини- |
|||||
r3 |
|
|
|
|
тельной линии при работе с |
||||||
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
удаленным датчиком, обес- |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
r4 |
|
|
|
|
|
печивает ПСН с четырехпро- |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
водной линией связи (рис. |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
12.18). Повторитель напря- |
|||
Рис. 12.18 – Схема ПСН с четырех- |
жения, выполненный на ОУ, |
||||||||||
|
|
проводной линией связи |
|
поддерживает равным нулю |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
напряжение на |
низкопотен- |
||
циальном выводе резистора Rх. Благодаря этому исключается за- |
|||||||||||
висимость выходного напряжения ПСН от падения напряжения |
|||||||||||
на проводе r3 соединительной линии. Сопротивления проводов r1, |
|||||||||||
r2, r4 |
|
не сказываются на Uвых, поскольку они включены последо- |
|||||||||
вательно с большими сопротивлениями (выходное сопротивление |
|||||||||||
источника тока и входные сопротивления ОУ и последующего |
|||||||||||
усилителя). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Мостовые ПСН используют для работы с резистивными |
||||||||||
датчиками, в которых измеряемая величина преобразуется в не- |
|||||||||||
равновесие четырехплечего моста. Задачи, решаемые при по- |
|||||||||||
строении мостовых ПСН, – это уменьшение погрешности от со- |
|||||||||||
противлений соединительных проводников и снижение требова- |
|||||||||||
ний к усилителям выходных сигналов датчиков. |
|
||||||||||
|
Типичный пример построения мостового ПСН (рис. 12.19, |
||||||||||
а) использует шестипроводную линию связи и предполагает |
|||||||||||
применение дифференциального усилителя с большими входны- |
|||||||||||
ми |
сопротивлениями |
для |
усиления |
выходного |
напряжения |
||||||