- •Московский институт электронной техники (технический университет)
- •«Системотехника измерительных устройств»
- •Для регистрации результатов моделирования рекомендуется приносить на занятия флэш-память.
- •Часть 1. Теоретические сведения по работе измерительных усилителей 40
- •Часть 2. Моделирование измерительных операционных усилителей 47
- •Часть 1. Теоретические сведения по работе тензомоста.
- •Часть 2. Моделирование температурной чувствительности тензомоста в Multisim 9
- •Часть 3.Методика и пример расчета параметров модели.
- •Часть 4. Порядок выполнения работы.
- •Часть 1. Теоретические сведения о работе емкостных датчиков.
- •Часть2. Моделирование емкостных датчиков.
- •2.1 Моделирование однополярного емкостного датчика с усилителем заряда.
- •2.2 Моделирование дифференциального емкостного датчика с усилителем заряда.
- •2.3 Моделирование дифференциального емкостного датчика с усилителем напряжения.
- •2.4 Моделирование дифференциального емкостного датчика с т-мостом в цепи обратной связи.
- •Часть 1. Теоретические сведения по работе измерительных усилителей
- •Часть 2. Моделирование измерительных операционных усилителей
- •2.1 Оценка характеристик измерительного усилителя на одном оу (иоу-1) в динамическом режиме
- •2.2 Исследование работы иоу-1 в статическом режиме
- •2.3 Исследование работы инструментального усилителя на 2-х оу (иоу-2) в статическом режиме
- •2.4. Исследование работы инструментального усилителя на 3-х оу (иоу-3) в статическом режиме
- •Часть 1. Теоретические сведения об мдм усилителях
- •Часть 2. Моделирование работы мдм усилителя
- •Часть 1. Теоретические сведения о работе пкд-усилителей
- •Часть 2. Моделирование пкд усилителей
- •2.1 Исследование инвертирующего пкд усилителя с коррекцией просечек
- •2.2 Исследование работы схему двухканального пкд усилителя
- •Часть1. Основы работы с программой Multisim.
- •Часть 2. Использование измерительных инструментов.
Часть 1. Теоретические сведения о работе пкд-усилителей
Усилители с периодической компенсацией дрейфа нуля (ПКД-усилители) также как и МДМ –усилители относятся к сверхпрецизионным ОУ, но в отличии от последних за счет некоторого ухудшения параметров постоянного тока имеют большую полосу пропускания.
В работе ПКД-усилителей можно выделить 2 такта:
Служебный такт, в течение, которого схема выделяет и запоминает напряжение смещения нуля ОУ.
Рабочий такт, в течение которого усиливается входной сигнал и одновременно осуществляется коррекция напряжения смещения нуля ОУ.
Для осуществления этих операций в простейшем случае в схему инвертирующего ОУ вводится дополнительная емкость и два синхронных ключа, и . Ключи коммутируются импульсами тактовой частоты (рис.1).
Когда ключи замкнуты, то на емкости выделяется напряжение смещения нуля, а сигнал не усиливается. При размыкании ключей выделенное на емкости напряжение смещения нуля ( ) оказывается включенным встречно с входным сигналом и вычитается из него, тем самым осуществляется периодическая оперативная коррекция . Период этой коррекции определяется периодом коммутационной частоты (рис.2)
Постоянная заряда определяется как , где - сопротивление ключей SA. Если - погрешность заряда емкости (установки ), то при экспоненциальном заряде длительность импульса составит
.
Пример: Для , , , получим: .
В режиме хранения сигнал усиливается, емкость медленно разряжается за счет паразитных токов. Разряд емкости определяется соотношением
,
где - все, что разряжает конденсатор. Тогда:
Задаваясь допустимой относительной величиной разряда емкости ( ), получим
Пример: Для , , получим и скважность импульсов коммутации составит не менее 40.
Таким образом, реально и в выходном сигнале будут наблюдаться лишь короткие просечки (рис.2б). Для того чтобы убрать просечки в выходном сигнале, его необходимо фильтровать (например, с помощью ФНЧ). Во многих случаях в качестве ФНЧ можно использовать схему выборки и хранения (СВХ). Тогда схема будет состоять из последовательно включенных ПКД и СВХ (рис.3).
Классическая схема СВХ (рис.3) содержит ключ SA , запоминающую емкость и повторитель на . В работе такой схемы есть 2 этапа:
Выборка, когда ключ SA замыкается и выходное напряжение ПКД запоминается на .
Хранение, когда ключ SA размыкается и напряжение продолжает транслироваться на выход повторителя. При этом медленно разряжается за счет паразитных токов утечки. Вид выходного сигнала показан на рис.3в. В этом случае справедливы все соотношения для заряда и разряда емкости, которые выводились ранее. Из-за своих свойств фильтровать синхронные импульсные помехи СВХ часто называют «идеальным» ФНЧ.
Существуют еще более продвинутые схемы ПКД усилителей, в которых просечки устраняются принципиально (рис.4). При построении таких схем используется идея двухканальности. В основном канале находится широкополосный усилитель , который никогда не отключается от входа, а на усилителе реализуется канал коррекции. В работе схемы можно выделить 2 этапа:
Когда ключи SA находится в 1-ой позиции на выделяется напряжение смещения нуля усилителя и он корректируется в ноль.
Когда ключи перебрасывается во вторую позицию, то к входу усилителя оказывается приложенным напряжение смещения нуля первого ОУ и корректирующее напряжение смещение нуля . В результате на выделяется напряжение смещения нуля первого ОУ, которое скорректирует основной усилительный канал на .
Таким образом, параметры постоянного тока данного класса ОУ соответствуют сверхпрецизионным усилителям, а параметры переменного тока – усилителям широкого применения.
Тем не менее, при применении ПКД усилителей следует учитывать их общий недостаток – повышенный уровень помех, связанный с работой коммутационных схем и возможность появления сигналов паразитных гармоник и субгармоник коммутационной частоты в выходном сигнале. Впрочем, это не вызывает особых проблем и приводит лишь к необходимости лучшей фильтрации выходного сигнала и цепей питания.
Второй существенный недостаток 2-х канальных ПКД усилителей это катастрофические характеристики по насыщению. Дело в том, что корректирующий НЧ канал действует как система с полной обратной связью. В том случае, если выход попадает по какой-нибудь причине в насыщение, то на входе возникает большой дифференциальный сигнал, который и усилитель «загонит» в насыщение. Выход из насыщения происходит достаточно медленно (несколько секунд). Избежать подобного развития событий можно, например, установкой двусторонних стабилитронов VD в цепь ОС.
За рубежом некоторые фирмы, например National (США), стали выпускать чипы автоподстройки нуля ОУ, которые включаются на входе любого широкополосного или мощного ОУ с посредственными характеристиками по постоянному току (рис.5). Чипы автоподстройки нуля ОУ являются по существу МДМ или ПКД усилителями с малой собственной аддитивной погрешностью. При этом аддитивная погрешность исходного ОУ уменьшается пропорционально коэффициенту передачи корректирующего канала (реально на два-три порядка). Такой подход позволяет сравнительно просто модернизировать ранее разработанную аппаратуру.