3.4. Преобразователь амплитудного значения

Для работы схемы автоматического выбора пределов измерения необходим простейший пиковый детектор с операционным усилителем (активный преобразователь амплитудного значения (ПАЗ)).

Пиковые детекторы предназначены для измерения максимального за некоторый отрезок времени значения сигнала. Схема пикового детектора представлена на рис.9.

Рис.9. Схема пикового детектора

Использование выпрямительных элемент ов в сочетании с операционным усилителем позволяет существенно снизить порог чувствительности ПАЗ (на один-два порядка по сравнению с пассивными ПАЗ), уменьшить влияние нелинейности и нестабильности характеристик выпрямительных элементов.

Если запоминающий конденсатор C7 подключить к инвертирующему входу ОУ, то влияние на выходной сигнал порогового напряжения диода VD2 уменьшится в (1 + K_yu) раз. При положительной полуволне входного сигнала диод VD3 смещается в прямом направлении и конденсатор C заряжается до напряжения . При напряжении, меньшем , диод VD3 запирается. Запомненное значение хранится на конденсаторе C7, уменьшаясь с течением времени вследствие наличия у диода VD3 обратного тока и входного тока у ОУ. На значение выходного сигнала также влияют сопротивление утечки конденсатора и дифференциальное входное сопротивление ОУ.

Диод VD1 введен для ограничения уровня выходного напряжения отрицательной полярности. Это повышает быстродействие вследствие меньшего заряда на барьерной емкости диода VD3, но может быть применено только тогда, когда ОУ имеет цепь защиты от короткого замыкания. В противном случае, диод VD1 следует убрать [6, с. 479].

При положительной полуволне ток проходит только через диоды VD1, VD3, при отрицательной – только через диоды VD2, VD4. В момент прохождения тока остальные диоды заперты.

Номинал емкости С7 выбираем исходя из того, что постоянная времени ПАЗ должна быть примерно в 2-3 раза меньше, чем период дискретизации АЦП, равный:

(3.4.1)

Если принять номиналы сопротивлений R32 и R33 принять 1,5 кОм, то:

(3.4.2)

В качестве ОУ DA14 используем микросхему OP-37A (см. Приложение А). В качестве VD1, VD2, VD3, VD4 используем диоды КД512А. Характеристики диодов приведены в Приложении В.

Из справочников [3], [5] выберем резисторы и конденсаторы:

R32, R33: C2-33Н-0,25Вт-1,5 кОм±1% (ряд Е96);

C7: К70-7-350В-249 пФ±5% (ряд Е96).

3.5. Схема автоматического выбора предела измерения

Схема автоматического выбора предела измерения (рис.10) служит для приведения значения входного сигнала к основному пределу 3 В с помощью масштабного усилителя. Принцип действия устройства основан на изменении коэффициента передачи схемы в зависимости от величины входного напряжения.

Рис.10. Схема автоматического выбора предела измерения

Масштабный усилитель построен на операционном усилителе OP-37A (DA16). Для коррекции смещения нуля в ОУ используется потенциометр R41 номиналом 10 кОм. В качестве компаратора (DA17) используется микросхема MAX912. Микросхема представляет собой двухканальный прецизионный высокоскоростной компаратор. Характеристики микросхемы приведены в Приложении Г. В качестве аналогового ключа (DA18) используется микросхема КР590КН5. Аналоговый ключ содержит в одном корпусе 4 независимых ключа, но в данной схеме используется только 3 ключа, поэтому четвертый ключ не указывается. Характеристики микросхемы указаны в Приложении Д.

Опорное напряжение задается источником опорных напряжений DA10 и равно 3 В. Более детальное описание источника опорных напряжений описано в пункте 4.14. Для получения напряж ений 0,1 В и 1 В используется делитель на резисторах R27 – R29. Также для усиления сигналов, поступающих с делителя на вход компаратора, используются повторители (DA12, DA13) на микросхемах OP-37A.

Если U_вх < 0.1 В, то на выходе обоих компараторов логический ноль, оба компаратора закрыты. Если 0.1 В < U_вх < 1 В, то на выходе первого компаратора логическая единица (компаратор открыт), а на выходе второго – логический ноль (компаратор закрыт). Если U_вх > 1 В, то на выходе обоих компараторов логическая единица, оба компаратора открыты. Исходя из этого условия определим номиналы резисторов R27, R28 и R29:

(3.5.1)

U₁, U₂ – пределы измерения напряжения, U₁ = 0,1 В, U₂ = 1 В;

U_оп – опорное напряжение, U_оп = 3 В.

Подставив числовые значения, получим

Решая систему, находим, что R28 = 9R29 и R27 = 20R29. R29 примем равным 100 Ом, тогда R28 = 900 Ом и R27 = 2 кОм.

Если U_вх < 0.1 В, то на выходе обоих компараторов логический ноль, оба ключа (выводы V0, V1) разомкнуты. Тогда коэффициент передачи равен:

(3.5.2)

Для выполнения этого условия примем номиналы резисторов равными: R34 = 1 кОм, R35 + R36* = 30,1 кОм. Номинал подстроечного резистора R36* находится из соотношения R36* = 0,1R35. Тогда R35 = 27,4 кОм, R36 = 2,74 кОм.

Если 0.1 В < U_вх < 1 В, то на выходе первого компаратора логическая единица, а на выходе второго - логический ноль, первый ключ замкнут, второй разомкнут. Тогда коэффициент передачи равен:

(3.5.3)

Номинал подстроечного резистора R38* находится из соотношения R38* = 0,1R37. Тогда R37 = 2,74 кОм, R38* = 274 Ом.

Если U_вх > 1 В, то на выходе обоих компараторов логическая единица, оба ключа замкнуты. Тогда коэффициент передачи равен:

(3.5.4)

Номинал подстроечного резистора R40* находится из соотношения R40* = 0,1R39. Тогда R39 = 100 Ом, R40* = 10 Ом.

Из справочников [3], [5] выберем резисторы:

R27: C2-29В-0,125Вт-2 кОм±1% (ряд Е96);

R28: C2-29В-0,125Вт-909 Ом±1% (ряд Е96);

R29: C2-29В-0,125Вт-100 Ом±1% (ряд Е96);

R34: CП5-16ВА-0,25Вт-1 кОм±5% (ряд Е96);

R35: C2-29В-0,125Вт-27,4 кОм±1% (ряд Е96);

R36*: CП5-2ВА-0,5Вт-2,74 кОм±5% (ряд Е96);

R37: C2-29В-0,125Вт-2,74 кОм±1% (ряд Е96);

R38*: CП5-2ВА-0,5Вт-274 Ом±5% (ряд Е96);

R39: C2-29В-0,125Вт-100 Ом±1% (ряд Е96);

R40*: CП5-2ВА-0,5Вт-10 Ом±5% (ряд Е96);