Измерительные усилители (ИУ)

Измерительным усилителем называется дифференциальный (усиливающий разность входных напряжений) усилитель с высоким входным сопротивлением и большим коэффициентом ослабления синфазного сигнала, предназначенный для усиления дифференциальных сигналов, поступающих от первичных измерительных преобразователей.

Вых.сигнал ИУ может быть искажен из-за действия помех. Различают помехи общего вида (продольные), действуют между каждым из входов измерительного усилителя и земляной шиной, и помехи нормального вида (поперечные), действуют между входами измерительного усилителя.

Напряжение помехи общего вида U _ов обычно возникает из-за наличия разности потенциалов между точками заземления источника сигнала и ИУ вследствие генерации помех от заземленных силовых установок. Иногда также наличие помехи U _ов обусловлено гальванической или емкостной связью источника сигнала с какой-либо точкой ИУ. Напряжение помехи нормального вида U _НВ возникает главным образом из-за электромагнитных наводок и наличия паразитных термоЭДС. Кроме того, разбаланс сопротивлений входных цепей ИУ (Z _вх1 ≠ Z _вх2) и асимметрия линий связи ИУ с ИС (Z _св1 ≠ Z _св2), которые могут возникнуть за счет изменения температуры, наличия емкостных и индуктивных связей с окружающими предметами, приводят к тому, что помеха общего вида проникает во входную цепь и действует так же, как и помеха нормального вида

Для предотвращения проникновения части помехи U _ов на дифференциальный вход ИУ применяют:

1) введение в одну из линий связи корректирующего контура для согласования полных сопротивлений Z _св1 и Z _св2 на частоте помех;

2) гальваническое разделение ИУ и ИС с помощью разделительного трансформатора (для сигналов переменного тока) или с помощью конденсатора, поочередно коммутируемого к выходу ИС и ко входу ИУ (для сигналов постоянного тока).

Рис. 6.2. Эквивалентная схема влияния помехи общего вида

Для подавления напряжения помехи U _НВ, приложенной последовательно с полезным сигналом, могут предприниматься следующие меры:

1) экранирование линий связи;

2) частотная фильтрация полезного сигнала (в случае, если полезный сигнал и помеха имеют различные частоты);

3) фазочувствительное выпрямление полезного сигнала (в случае, если полезный сигнал и помеха – одной частоты).

Измерительный усилитель должен обладать большим коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС) для усиления даже малого дифференциального сигнала при одновременном подавлении помехи общего вида. КОСС измерительного усилителя как функционального блока определяется аналогично КОСС операционного усилителя

,

где – коэффициент усиления дифференциального сигнала;
– коэффициент усиления синфазного сигнала.

Рис. 6.3. Определение КОСС измерительного усилителя: U_ИС – полезный сигнал; U_НВ – помеха нормального вида; U_ОВ – помеха общего вида

В зависимости от типа датчика требуемый КОСС_ИУ должен составлять 40…120 дБ (10²…10⁶ раз). Например, для таких применений, как усиление сигналов тензодатчиков и термопар, необходим КОСС_ИУ порядка 100…120 дБ.

 

43. Дифференциальный усилитель (ДУ) на ОУ. Требования к резисторам и операционному усилителю. Моделирование в Micro-Cap параметров ОУ U _CMи Δi _BX с учетом температурного дрейфа.

При соблюдении условия:

,

Коэффициент усиления дифференциального сигнала схемы: .Основными источниками погрешностей в схеме ДУ являются:

1) погрешность, вызванная неточностью соблюдения соотношения резисторов (6.1);

2) погрешности, вызванные напряжением смещения и входными токами ОУ;

3) погрешность, вызванная конечным коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС) ОУ.

1. Для обеспечения высокого КОСС_ДУ необходимо использовать прецизионные резисторы R ₁ …R ₄. При этом следует учитывать разбаланс данных сопротивлений, возникающий за счет конечного сопротивления источников сигналов U _вх1 и U _вх2.

Погрешность схемы ДУ от входных токов операционного усилителя минимизируется при выборе R ₁ = R ₃ и R ₂ = R ₄. Кроме того, для уменьшения абсолютной и приведенной погрешностей ДУ целесообразно по возможности уменьшать сопротивления R ₁ и R ₂.

2. В процессе начальной регулировки ИУ обычно производят устранение аддитивной погрешности ОУ путем его балансировки при нормальных условиях эксплуатации. После этого аддитивная погрешность будет вызываться в основном температурным дрейфом напряжения смещения ТКU _CM и разности входных токов ТК Δ i _вх:

,

 

где – изменение температуры окружающего воздуха по отношению к нормальной температуре.

3. В качестве ОУ в схеме ДУ следует использовать ОУ с высоким КОСС, например: К153УД5А (аналог – μA725) – 100 дБ, К140УД17 (аналог – OP07E) – 110 дБ, К140УД13 – 90 дБ, К140УД14 (аналог – LM108) – 85 дБ.

Все рассмотренные погрешности в той или иной степени влияют на суммарную погрешность ДУ. При использовании прецизионного ОУ с высоким КОСС, а также прецизионных резисторов
(разброс < 1 %) можно достичь КОСС_ДУ около 60 дБ.