3 Электронные приборы: общие узлы и проектирование

3.1 Масштабные преобразователи

 

Измерительный преобразователь (ИП), предназначенный для изменения значения в заданное число раз называют масштабным преобразователем (МП).

Различают активные масштабные преобразователи – электронные измерительные усилители и пассивные масштабные преобразователи – делители напряжения, шунты, добавочные сопротивления и измерительные трансформаторы тока и напряжения.

3.1.1 Пассивные масштабные преобразователи – делители напряжения

Рисунок 3.1 - Схема широкополосного делителя напряжения

 

Расчет в области низких частот.

U₂=U₁·R₂/(R₁+R₂);                                                                                                         (3.1)

К_ном=R₂/(R₁+R₂);                                                                                                           (3.2)

R_вх=R₁+R₂ .                                                                                                                                         (3.3)

Резисторы выбираются путём решения уравнения (3.2).

При неточном выборе в результате отклонения R₁ и R₂ от расчётных номинальных значений появляется систематическая погрешность

.                                                                                            (3.4)

Расчёт в области высоких частот.

Реальный передаточный коэффициент:

.      (3.5)

 

Когда рабочий диапазон частот АЭП простирается до десятков мегагерц, то наличием паразитной индуктивности элементов схемы прибора можно пренебречь: L₁=L₂=0, тогда условие пропускания всех частот делителем напряжения выглядит так

R₁·C₁=R₂·C₂                                                                                                                          (3.6).

При этом условии

.                                                                     (3.7)

Фазовый сдвиг между выходным и входным напряжением

.                                                                     (3.8)

При выполнении условий компенсации частотной погрешности R₁C₁=R₂C₂ , φ=0. Входное сопротивление такого делителя зависит от частоты.

.                                                                                                 (3.9)

Если условие компенсации частотной погрешности не выполняется, то в АЭП возникает частотная погрешность β(ω), значение которой по модулю выражается по формуле

.                                                                   (3.10)

3.1.2 Активные масштабные преобразователи

 

В качестве таких преобразователей используются электронные усилители.

Усилители служат для  изменения масштаба измеряемой величины, согласования входа прибора с объектом измерения, а также  отдельных узлов прибора между собой.

Устройство усилителя и приемы его проектирования зависят от диапазона частот усиливаемого сигнала. По  этому признаку различают усилители постоянного тока и усилители переменного тока.

3.1.3 Усилители постоянного тока

 

Усилители постоянного тока (УПТ)- это усилители полоса пропускания которых не ограничена снизу.

По принципу действия УПТ подразделяются на:

- УПТ с преобразованием спектра сигнала (рисунок 3.2);

- УПТ без преобразования.

 

Условные обозначения:

М – модулятор;

УМС – усилитель модулированного сигнала;

ДМ – демодулятор;

ИОН – источник опорного напряжения;

Ф – фильтр;

ОС – цепь обратной связи.

 

Рисунок 3.2 - Структурная схема УПТ с преобразованием спектра

 

Фильтр служит для подавления гармоник несущей частоты на выходе демодулятора (ФНЧ).

Преимущество усилителей с преобразованием спектра перед усилителями без преобразования – меньшее значение дрейфа нулевого уровня.

Недостаток – принципиальное ограничение полосы пропускания усилителя сверху.

Из известных видов модуляции в усилителях МДМ используются амплитудная модуляция и амплитудно-импульсная модуляция первого рода.

Максимальные значения верхних граничных частот полосы пропускания усилителей МДМ различны для  модуляторов различного типа [СП, таблица 1].

3.1.3.1 Операционные усилители

 

Операционный усилитель (ОУ) – усилитель электрических сигналов, изготовленный в виде интегральной микросхемы с непосредственными связями (УПТ) и предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми  сигналами при работе в цепях с ООС.

По способу включения операционные усилители подразделяются на инвертирующие и неинвертирующие.

В инвертирующем усилителе используется параллельная обратная связь, а в неинвертирующем  последовательная обратная связь по напряжению.

Усилитель называется инвертирующим, так как выходное напряжение  противофазно (инверсно) по отношению к входному.

ОУ выпускаются с различными характеристиками и параметрами [СП, таблица 3]

Как правило, рассматривают идеальный ОУ у которого R_вх=∞, R_вых=0, К_оу=∞, К_ос=∞, К=∞, Δi_вх=0 , i_вх=0.  

Схемы включения ОУ представлены  на рисунке 3.3.

Условные обозначения:

а - инвертирующий усилитель;

б - неинвертирующий усилитель.

 

Рисунок 3.3 –  Схемы включения  ОУ

3.1.3.1.1 Инвертирующий операционный усилитель

 

Для инвертирующего усилителя коэффициент усиления

                                                                                                    (3.11)

где  .

Входное и выходное сопротивления равны соответственно:

                                                                                                      (3.12)

                                                                                   (3.13)

3.1.3.1.2 Неинвертирующий операционный усилитель

 

Для неинвертирующего усилителя коэффициент усиления

                                                                                                 (3.14)

Входное сопротивление равно

                                                                                                         (3.15)

где  ;                                                                  (3.16)

;                                                                                                                  (3.17)

 - входное сопротивление синфазному сигналу, если      

то                                                                                           (3.18)

                                                                                   (3.19)

При большом значении петлевого усиления   

                                                                                        (3.20)

3.1.4 Усилители переменного тока

 

Строятся по схеме усилителей:

-с непосредственной связью;

-с резистивно-емкостной связью.

В первом случае полоса пропускания усилителя ограничена только сверху (при расчёте следует оценивать влияние наличия дрейфа как в УПТ). Во втором, полоса пропускания имеет ограничение и сверху и снизу (при расчёте влияние дрейфа рассматривается только для работы отдельно каскада).

3.2 Преобразователи импеданса

 

Преобразователи импеданса  (ПИ) предназначены для согласования импедансов  (полных сопротивлений) электронных схем, источника сигналов и нагрузки. Различают два вида ПИ:

1) преобразователи входного импеданса, осуществляющие согласование электронной схемы с источником сигнала;

2) преобразователи выходного импеданса, согласующие выходное сопротивление электронных схем с энергетическими свойствами отсчётных устройств.

В качестве ПИ используют катодные, эммитерные и истоковые повторители и усилители в интегральном исполнении с единичной обратной связью.

3.3 Функциональные преобразователи

 

Функциональные преобразователи (ФП) – преобразовательные элементы электронных измерительных структур, служащие для преобразования сигналов измерительной информации в соответствии с заданной нелинейной зависимостью.

Реализация аналоговых ФП осуществляется   двумя способами.

Первый предполагает использование элементов с естественной нелинейностью ВАХ (вольт-амперной характеристики) в сочетании с линейной цепью, нужным образом корректирующей характеристику нелинейного элемента.

Вторым способом создания ФП является построение цепи, обеспечивающей ступенчатое изменение постоянных коэффициентов g_i (i=1,2…m), её функции преобразования U_вых=F(U_вх, g_i), в зависимости от входной величины, например напряжения. Этот способ позволяет реализовать кусочно–ступенчатую, кусочно-линейную и кусочно-нелинейную аппроксимацию монотонных функций.

3.4 Электронные вольтметры

 

Электронные вольтметры обладают высокой чувствительностью, малым собственным потреблением и большим входным импедансом.

 Используются в широком диапазоне частот  до частоты порядка  одного гигагерца.

 Электронные вольтметры универсальны. Выпускаются для измерения постоянных, переменных и импульсных напряжений в широкой или узкой полосе частот.

 Они могут измерять амплитудные, средние и действующие значения напряжения.

3.4.1 Измерительные преобразователи переменного напряжения в постоянное

 

Широко применяются в структурах электронных вольтметров в тех случаях, когда измеряемой величиной является переменное напряжение, а отсчётное устройство реагирует на постоянное.

В общем виде преобразуемое переменное напряжение можно записать так

U(t)=U_mε(t).                                                                                                                         (3.21)

Описанный сигнал может характеризоваться мгновенными значениями- непосредственно самой функции U(t):

-средним значением

 ;                                                                                           (3.22)

-средневыпрямленным значением

;                                                                                                      (3.23)

-среднеквадратическим (действующим) значением

;                                                                                                   (3.24)

-максимальным значением (для периодических сигналов - амплитуда)

U_m=max |U(t)|,

где t Є (t_j; t_j+1).                                                                                                       (3.25)

Для периодических сигналов

t_j=(t₀+jT);                                                                                                                                          (3.26)

t_j+1=t₀+(j+1)T,                                                                                                                      (3.27)

где t₀ -начало отсчета времени;

T – период;

j=0,1,2…N.

Соотношение между характеристиками выражается:

- коэффициентом формы

К_ф=U/U_ср;                                                                                                                                        (3.28)

- коэффициентом амплитуды

К_а=U_m/U;                                                                                                                                         (3.29)

- коэффициентом усреднения

К_у=U_m /U_ср.                                                                                                                          (3.30)

Связь между коэффициентами может быть установлена из определения коэффициентов:

К_у=К_фК_а.                                                                                                                                          (3.31)

Для них справедливо неравенство:

К_у≥К_а≥К_ф≥1.                                                                                                                       (3.32)

Для меандра:

К_у=К_а=К_ф=1.                                                                                                                       (3.33)

Для синусоидального напряжения:

К_ф=π/2√2≈1,1;

К_а=√2;

К_у= π/2.