2.5 Преобразователи сопротивления в напряжение

Преобразователи сопротивления в напряжение (ПСН) используются при построении омметров и измерительных приборов с резистивными первичными преобразователями.

Известно, что при неизменном токе падение напряжения на резисторе пропорционально его сопротивлению. Таким образом, ПСН можно сделать так: включить преобразуемое сопротивление в качестве нагрузки упомянутого выше стабилизатора тока. Можно также выполнить ПСН, включая преобразуемое сопротивление Rx в цепь обратной связи инвертирующего усилителя, как показано на рис. 9. Если пренебречь

сопротивлением проводов соединительной

Рисунок 9 – Схема ПСН. линии, то выходное напряжение ПСН будет

Uвых = – U₀ Rx / R₀ , (2.8)

здесь U₀ – входное стабилизированное напряжение.

3 Лекция

Цель: схемы на ОУ, использующие частотно–зависимые реактивные элементы, способны дифференцировать и интегрировать входные сигналы, а также обладают частотно – фильтрующими свойствами.

Содержание: линейные частотно–зависимые схемы: интегратор, дифференциатор, активные RC– фильтры (АRC–фильтры).

3.1 Линейные частотно–зависимые схемы на оу

К классу линейных частотно–зависимых схем относятся схемы, содержащие ОУ, резисторы и реактивные элементы, чаще - конденсаторы. Катушки индуктивности в схемах на ОУ обычно не используются в виду их громоздкости и ещё потому, что катушки не изготавливаются в виде стандартных номиналов, как это имеет место для резисторов и конденсаторов.

Коэффициент передачи этих схем в общем случае представляет собой отношение двух операторных полиномов. Иногда эти схемы называют операционными преобразователями. Частными случаями операционных преобразователей являются интегратор, дифференциатор и АRC–фильтр.

3.2 Интеграторы

Простейший интегратор, применяемый наиболее часто, строится так, как

показано на рис.10. Напряжение на выходе схемы представляет собой

интеграл от напряжения входного сигнала. Поскольку входное сопротивление ОУ очень велико, ток источника сигнала, проходящий через резистор R, будет протекать через конденсатор С, заряжая его, так как

ic = Uвх / R = C dUс / dt.

Левый вывод конденсатора соединён с

Рисунок 10 - Схема интегратора. инверсным входом ОУ и имеет

потенциал, равный нулю (не забываем

о виртуальном КЗ, когда напряжение между входами ОУ равно нулю). Выходное напряжение равно напряжению цепи обратной связи, взятому с обратным знаком, т.е. напряжению на конденсаторе

Uвых = - (1/ RС) ∫ Uвх dt, (3.1)

где RС – постоянная времени.

При подаче на вход интегратора скачка напряжения на выходе получим линейно нарастающее напряжение обратного знака. На рис. 11 изображены формы входных и выходных напряжений интегратора.

Рисунок 11 – Примеры входных и выходных сигналов интегратора.

Интеграторы применяются по прямому назначению в аналоговых вычислительных устройствах, их называют также электронными моделями. Кроме того интеграторы используются при создании аналоговых запоминающих устройств, их принято называть устройствами выборки – хранения (УВХ).

Работа УВХ делится на три периода: сброс, интегрирование (запоминание) и хранение. В режиме сброса ключ К1 замыкают, а ключ

К2 размыкают. В этот период происходит разряд ёмкости на резистор R2. В период интегрирования ключ К1 размыкают, а ключ К2 замыкают, начинается заряд конденсатора. В режиме хранения оба ключа размыкают и Рисунок 12 – Схема УВХ. выходное напряжение удерживается

на уровне, достигнутом к моменту размыкания ключей. За время хранения конденсатор в некоторой мере разряжается за счёт собственной утечки через диэлектрик и входного тока ОУ. В реальных УВХ вместо показанных на схеме ключей используют электронные ключи с автоматическим управлением.

3.3 Дифференциаторы

На рис. 13-а изображена схема идеального дифференциатора, а на рис. 13-б – его частотная характеристика в логарифмическом масштабе (сплошная линия).

(а) (б)

Рисунок 13 – Дифференциатор (а), частотная характеристика (б)

Выходное напряжение

U_ВЫХ = RC dU_ВХ /dt. (3.2)

На некоторой частоте Х_С = R, при этом характеристика пересекает ось единичного усиления. С повышением частоты Х_С уменьшается, коэффициент передачи схемы увеличивается на 20дБ при изменении частоты на каждую декаду.

На практике такая функция не может быть реализована, так как коэффициент усиления и полоса пропускания ОУ ограничены. Штриховой линией показана зависимость собственного коэффициента усиления ОУ от частоты. Схема работает как дифференциатор сигналов,

Рисунок 14 – Формы входных и выходных сигналов дифференциатора

частотный спетр которых не простирается выше частоты сопряжения f_С ОУ; на частотах, больших f_С схема ведёт себя как усилитель.

На рис. 14 показаны примеры форм входных и выхолных сигналов дифференциатора. Выходные сигналы представляют собой производные по времени от входных напряжений, но взятые с обратным знаком, т.к. схема дифференциатора инвертирующая.

Дифференциаторы применяются по прямому назначению в аналоговых вычислительных устройствах, а также в тех случаях, когда требуется получить значение скорости изменения сигнала.