Измервателни усилватели (ИУ).Коефициент на усилване Методи за стабилизиране коеф. на усилване

На входа се подава едн. Е_г от генератор с собствен импеданс Z_{T .}Входния ток I_BX протича през входния импеданс Z_BX на усилвателя. Изходът на усилва-теля е представен като генера-тор с ЕДН. Е_ИЗХ и изходен им-педанс Z_ИЗХ, включен последо-вателно към полезния товар Z_т, през които протича токът I_изх. В зависимост от съотношението на импедансите са възможни няколко варианта на ЕУ: 1) при Zг << Zвх, Zизх << Zт – усилва-тел на напрежение 2) Zг >> Zвх , Zизх >> Zт – имаме усивлател по ток 3) Zг  Zвх, Zизх  Zт – усилвател по мощност

При синусоидални вх. сигнали едно от основните изисквания на ЕУ е те да работят в линеен режим. Най-важния параметър на ЕУ е техния коефициент на усилване (к). . Отклонението на формата на изх. сигнал от формата на вх. се нарича изкривяване. Те биват два вида линейни и нелинейни. При линейните изкр. важат 2 осн.х-ки – амплитудно-честотна и фазово-честотна. Големината на нелинейните изкривявания при входен синусен сигнал се оценява с т.нар. клирфак-тор където n е пореден номер на хармоника.U_n-ефективна ст-ст на съотв.хармоник.K_h-дава представа за тези нелинейни изкривявания,които може да се въведат.Най-ефикасния метод за стабилизиране на коефициента на усилване е с въвеждане на отрицателна обратна връзка (ООВ).

oбща структурна схема на усилвател за напрежение с въведена ООВ. Ефектът с въвеждането на ООВ се проявява само,ако коеф.на предаване  може да се реализира с висока точност и стабилност.При много ниски и много високи честоти К е намаляващо по модул комплексно число и може да се получи т.е. К_F ->  . Тогава обратната връзка се пре-връща в положителна и в усил-вателя възникват автогенерации (самовъзбуждане на усилвателя ). Устойчивостта срещу само-възбуждане е основно изисква-не към усилвателите с ООВ. За намаляване на влиянието на дрейфа на нулевото ниво се използват усилватели с модулация – демодулация.

А-коефициент на усилване без обратна връзка.Идеалният ОУ трябва да има безкрайно голям коеф.на усилване.При първона-чално приближение u=0.ОУ се използват в схеми с дълбоки обратни връзки.

Инвертиращ сигнал изграден на базата на ОУ

Вх.импеданс има големина от поря-дъка на м; A=; i₃ =0; i₁i₂; k=0 ; i₁=U_вх/R₁; i₂= -Uизх/R₂

K_F = -R₂ /R₁

Схема на неинвертиращ уси-тел

Uвх=Uизх R₁/(R₁+R ₂); K_F=1+R₁/R₂

При едни и същи ст-сти на R₁ и R₂ коеф.на усилване ще епо-голям с 1.При инв.усилвател обратната връзка действа както по отношение на изх.ток,така и по отношение на входния.При неинв.усилв.обратната връзка действа по отн.на изх.сигнал.

Осн.параметри на ОУ:

-коеф.на усилване К без обратна връзка

-вх.напр.на несиметрия-Uio Uвх=0; Uизх0 Имаме еквива-лентен източник във вх. верига.Uio предизвиква адитивна систематична грешка.

-
температурен коеф.на вх.напрежениена несиметрия (TKUio).Грешката се преди-звиква от измен. на темпер. Uio=TKUio.T/Uвх

-вх.ток на несиметрия. R’=R’’

При добрите усилватели разликата е м/у10-15%

-темп.коеф.на вх.ток на несиметрия(TKIio)

Iio=TKIio.T.Rвх/Uвх

следов.общата грешка е =+--(Uio+Iio)

Независимо,че ОУ са диферен-циални усилватели като дифе-ренциална се използва следната схема:

U₁/R₁+ U₂/R₂+…+ U_n/R_n=-U_изх/R₀

Това е схема, която е в основата на цивфрово-аналогови преобразув. или на ел.суматори

Uвхi ще бъдат или 0 или 5V за да се използва за ЦАП.

Програмируеми ЕУ

П
о програмен път да управляваме и коеф.на усилване, чрез ключове в/у съпрот., които оказват влияние в/у коеф.на усилване

Д
иференцираща верига : Ако разгледаме следния пасивен четириполюсник. Разглеждаме схемата когато съпротивлението R е много малко, тогава i=CdU_c/dt Ако е f_ най- високата честота в спектъра на вх. сигнал, тогава условието за R e R<<1/WC =RC<<1/2f_ Пример за сложен вх. сигнал:Ако вх. има тази форма U_c=U_вх(1-e^-/t) U_изх=U_вх/ Re^-/t =RC Основен недостатък на схемата са ниските ст-ти на амплитудата на изх. сигнал, за да се избегне този недостатък се включва операционен усилвател и тогава тази схема се наричат диференциатор. Схема на диференциатор диференциатор , чиято функция на преобразуване се определя от условието i₁=i₂ Cdu_вх/dt=-u_изх/R₂ u_изх=-R₂Cdu_вх/dt В схемата C, R са време задаващи, а R₀ е за предотвратяване увеличаването на вх .несиметрия по ток.Изх. сигнал може да се получи с голяма амплитуда и да се избегне основния недостатък Интегрираща верига.За тази схема съпротивлението R има много голяма ст-ст, ето защо можем да приемем, че токът в нея ще се определя от U_вх/R. При едно много голямо  за U_изх експонентата, в нач участък можем да приемем че функционалната зависимост е линейна , осн недостатък са ниските си-ти на амплитудата на изх сигнали и това че можем да работим само в нач участък на експонентата и този недостатък се отстранява с ОУ

Схема на аналогов интегратор ОУ-операционен усилвател.Ако в схемата сменим С-конденза-тора с резистор ще получим ин-вертиращ операцио-нен измер-вателен усилвател. При интегратора ООВ т. е. отрицателната обратна връзка е от нов тип различен от ООВ при интегриращия ОУ. Функцията на преобразуване на горната схема се намира от условието i₁=i₂ u_вх/R=-Cdu_изх/dt или u_изх=-(1/R₁C)₀^tu_вхdt. Вижда се че изх. напрежение е пропорционално на интеграла от вх. напрежение. В тези усилватели (интеграто-рите) изх. напрежение е пропорционално на площта, ограничена от кривата на вх. сигнал в граници от t=0 до някакъв момент от време t. Поради това изх. напрежение не се връща към нулата , ако входното напрежение приеме нулева стойност- то само престава да се изменя. Затова изх. напрежение във всеки инт. от време зависи от предисторията на вх. сигнал.

В
тази схема най сложното е ключа Ключът К_л служи за задаване на нулеви начални условия. При такава схема от особена важност е несим на вх, която трябва да се отстрани.ОУ+r+С+R=Интегратoр П- потенциометър. При наличие на несим още е вкл на схемата в първите секунди интеграторът се насища и несиметрията не може да се отстрани. Отстраняването на вх несим само с кондензатор и съпр на интегратора е невъзможно . Отстраняването на несим по вх напр става като интегратора се превърне в обикновен усилвател ,и там се отстрани тази несиметрия След това се възстановява интегратора. r-служи за ограничаването на разрядния ток при задаване на нулеви нач условия Зададен е вх сигнал и е начертан изх такъв по дадената схема за интегратор Имаме диференциране и интегриране

Филтри-

НЧ и ВЧ дава лентов филтър или режекторен филтър Режекторни филтри ампл честотна характеристикаЛентов Филтър амплитудна честотна характеристика:

С
хема за следене запомняне

В зависимост от принципа на изграждане волтметрите за постоянно напрежение могат да бъдат с пряко усилване или с предварително преобразуване .Волтметрите от първия вид се използват за измерване на напрежения в обхвата от 10mV до 1000V . Тяхната обобщена структурна схема е показана на фиг.1

И
змерваното напрежение U_X се намалява чрез резисторния делител на напрежение ДН до стойност , подходяща за нормалната работа на измервателния усилвател за постоянно напрежение ИУ.Изходното напрежение на ИУ се подава за индикация към магнитоелектрическия волтметър В . Основната приведена грешка на тези волтметри е обикновено не по-малка от 0,5-1,0%.

На фиг.1 е показана една принципна схема на волтметър с пряко усилване , изградена с помощта на неинвертиращ операционен усилвател .При восоко входно съпротивление на операционния усилвател (за полеви вход 10¹⁰-10¹¹ Ω) общото съпротивление на входния делител е от порядъка на 10-100 MΩ . Усилвателят ОУ е защитен от претоварване с диодния ограничител Д1-Д2 . Към входа му е включен филтър за потискане на променливотоковите сигнали ,съставен от резистора Rф (0,1-1М Ω), и кондензатора Cф (0,01-0,1μF) .Напрежението на несиметрия се компенсира чрез потенциометъра Rk.

За измерване на напрежения под 10mV се използват волтметрите с предварително усилване ,в които участват модулатор и демодулатор.На фиг.2 е дадена опростена принципна схема на такъв волтметър . В случая модулаторър М и демодулаторът ДМ са представени с идеални ключове К₁ и К₂ . Те се управляват от изходните сигнали y₁ и y₂ на генератора Г, които имат еднакви полупериоди , но са в противофаза , когато ключът К₁ е отворен , ключът К₂ е затворен и обратно.

На фиг.3 са дадени времедиаграмите на напреженията в характерните точки от схемата .

Тъй като y₁ има еднакви полупериоди , напрежението u₁ ще бъде с форма представена на фигурата . След модулационният кондензатор C₁ премин-ава само променливата компонента на u₁ ,в резултат на което напрежението u₂ е симетрично спрямо абсцисната ос и е с амплитуда 0,5.Ux.

То се усилва от усилвател с коеф. на усилване Кс . На неговия изход се получава напрежение U₃ с амплитуда 0,5КсUx . Ключът К₂ се управлява синхронно и противофазно на К₁ , поради което през единия полупериод (К₂ затворен) кондензаторът C₂ бързо се зарежда през резистора Rd до напрежение 0,5КсUx. През следващия полипериод то се сумира с напрежението от изхода на ИУ до стойност K_C.U_x . Средната стойност на това напрежение , получена след филтъра, е 0,5.K_c.U_x .

Структурата им се определя главно от честотната област на измерваното напрежение.Чувствителните нискочестотни волтметри се изграждат предимно по схемата с пряко(предварително) усилване(фиг.1), ИУ-измервателен усилвател за променливо напрежение.ДН-делител на напрежението.За високи честоти се използват схеми с предварително преобразуване(фиг.2), където измерваното променливо напрежение U_X се

преобразува в постоянно с измервателния преобразувател И.В зависимост от измервания параметър на променливото напрежение се разграничават волтметри за средна, ефективна и максимална стойност.

фиг1
фиг2

1.Волтметри за средна стойност(Фиг.3).По същество това е схема на източник на ток, управляван с напрежение.При идеализиран операционен усилвател (К=оо , U0) ще бъдат в сила равенствата : i₀=U_ВХ/R ; i_A=|U_ВХ|/R .Токовете i₀ и i_A няма да зависят от съпротивленията на изправителните диоди в права посока и ще се определят само от входното напрежение и съпротивлението на резистора R. Така се получава линейна ф-я на преобразуване и се подобрява точността на волтметрите с автокомпенсационни изправители.Ср. ст-т на тока i_A се измерва с магнитоелектрически амперметър(Фиг.3).

2.Волтметри за ефективна стойност.В някои съвременни електронни волтметри за ефективна стойност се използват термоелетрически преобразуватели.На Фиг.4 е показана схема за преобразуване на ефективна стойност в постоянно напрежение чрез две безконтактни термодвойки- ТП1 и ТП2, и компариране. Е₁=k₁.(U_X)² ; Е₂=k₂.(U₀)² ; k₁ и k₂ са коефициенти на преобразуване на ТП1 и ТП2. ΔU=E₁-E₂=0 ; U₀=;Точността на преобразуването се определя предимно от

съотношението к₁/к₂ и е значително по висока, отколкото при обикновените термоелектрически преобразуватели.

Фиг 4

1. Електронни амперметри.Електронните амперметри по принцип не се изграждат като самостоятелни уреди.Измерването на ток влиза във ф-та на

така наречените универсални волтметри, чието основно предназначение е да измерват постоянни и променливи напрежения.Измерването на неизвестния ток i_x се свежда до измерване на напрежителния пад, създаден от него в/у образцов резистор R_N чрез електронен волтметър EV(Фиг.1). Чувствителността на схемата може да се повиши чрез увеличаване на R_N, но така нарастеат собственото съпротивление на уреда и неговата консумация.Недостатъкът може да се избегне като се използва активен преобразувател ток-напрежение с операционен усилвател ОУ и образцов

резистор _RN в обратна връзка(Фиг.2).При идеален операционен усилвател може да се запише : u_изх=i_изх.R_N , т.е. изход. напр. u_изхi_x.

2.Електронни омметри.Електронните омметри не се изграждат като автономни измервателни уреди.Обикновено техните ф-ии се изпълняват от

т. нар. универсални волтметри.Основната схема , която се използва за построяване на ел. омметри , е показана на Фиг.3. В нея участват стабилизиран източник на напрежение Е и ел. волтметър с високо входно съпротивление EV. Напрежи-телния пад U_k в/у неизвестното съпротивление

R_x се определя с израза : U_x=E.R_x/(R_x+R_N), следователно скалата на уреда ще бъде права и неравномерна.Ако с волтме-търа се измерва напрежителния пад U_N (Фиг.4) показанието му е : U_N=E.R_N/(R_N+R_x), скалата ще бъде обратна и неравномерна. Схемата на Фиг.3 мери малки съпротивления ,а на Фиг.4–големи(R_x>R_N). В съвременните универсални волтметри като преобразуеатели съпротивление-напрежение се използват операционни усилватели, обхванати с ООВ. На Фиг.5 е показана схема на такъв преобразувател, за измерване на съпротивления от 10 до 10⁹ Ω. Изходното напрежение U_изх при идеален операционен усилвател ще бъде :

U_изх=U_C.R_x/R_N, U_C- напрежение на входен спомагателен източник, а R_N- съпротивлението на образцов резистор.За измерване на съпрот. >10⁹ Ω местата на R_N и R_x се разменят и : U_изх=U_C.R_N/R_x

3.Електронни ватметри. Съществуващите електронни ватметри се разделят на две основни групи : ватметри с умножителен преобразувател и с умножаващ показващ уред.При първата група умножението на напрежението в/у консуматора с тока, който протича през него се извуршва с измервателен преобразувател наречен умножител. Разпространен метод е : сума-разлика в квадрат : 4xy=(x+y)²-(x-y)² На Фиг.6 е показана схема на умножител , в която се използват два идентични идеални мвадратора К1 и К2 с ф-я на преобразуване i=c.u² (с-константа).Токът ip , който се получава след формирователя на разлика(състрсктор) С, ще се определя от израза : ip=c.(u₁²-u₂²). Ако входните напрежения u1 и u2 са от вида : u1=c1u+c2i и u2=c1u-c2i където

u и i са моментните ст-ти на напреж. в/у консуматора и тока през него, а c1

и c2 са конст. то : ip=4c.c1.c2.u.i ; ср. ст-т на тока се определя : ipAV=4.c.c1.c2.(1/T).₀^Tuidt= 4.c.c1.c2.P=Sp.P, P-активна мощност.

Представител на втората група е ватметърът с електростатичен умножаващ механизъм(Фиг.7). Основен функционален блок в него е квадрантния елрктро-метър Е(3-1-2), включен към изходите на измервателните усилватели на напрежение ИУ₁ и ИУ₂.К-коефициент на усилване.

: u₁=K_д.u+R_ш.i , u₂=R_ш.i ; u,i-моментни стойности на напреж. в/у консуматора и тока през него, а К_д- коефициент на предаване на резисторния делител R₁-R₂ ; u₁₃=K.(K_д.u+R_ш.i) - 2K.R_ш.i=K(K_д.u - R_ш.i),

u₁₂=K(K_д.u - R_ш.i) ; M_D=(1/2).dC/dα.(u₁₂² – i₁₃²)=(1/2).dC/dα.K².K_д.R_ш.u.i ; α=(1/2W).dC/dα.K².K_д.R_ш.(1/T)₀^Tuidt или

α=S_p.P , W-специфичен съпротивителен момент на електрометъра, S_p-чъвствителността на ватметъра.

L_p=i₁- i₂ ; i₁=CU₁² , i₂=UC₂²