3.3 Простейшие цепи на пассивных элементах

Часть операций по обработке сигналов выполняют с использованием только пассивных элементов. Рассмотрим наиболее часто встречающиеся функциональные узлы на пассивных элементах.

3.3.1 Преобразователь сопротивление-напряжение

Как уже отмечалось, технологические параметры неэлектрической природы наиболее просто преобразуются в сопротивление (терморезисторы, фоторезисторы, тензорезисторы и т.д.). Простейшим преобразователем сопротивления в напряжение является делитель напряжения (рисунок 3.5а,б). При питании делителя от источника напряжения выходной сигнал без учета влияния нагрузки определится соотношением

. (3.1)

Если в качестве R₂ использовать датчик какого-либо технологического параметра (W) (рисунок 3.5б), то очевидно что U_вых будет зависеть от преобразуемой величины, т.е. U_вых = f(W).

С учетом влияния сопротивления нагрузки выражение для выходного напряжения примет вид

. (3.2)

Как следует из (3.1), (3.2) зависимость U_вых – нелинейная функция R₂, а для работы систем управления желательно иметь линейные передаточные характеристики узлов, входящих в схему.

Существует множество способов линеаризации передаточных характеристик. В данном случае простейшим является питание делителя от источника постоянного тока. Если ток делителя (I₀) не изменяется при изменении сопротивления нагрузки, то выходное напряжение определится соотношением

U_вых = R₂ ^. I₀ (3.3)

и при линейной передаточной характеристике датчика (R₂ = K₁W) выходное напряжение будет равно:

U_вых = K ^. W . (3.4)

а б в

г д е

ж з и

а, б – делитель напряжения; в – равноплечий мост; г, д, е – дифференцирующее звено; ж, з, и – интегрирующее звено.

Рисунок 3.5 – Простейшие цепи из пассивных элементов

Для устранения нелинейности за счет влияния R_н каскады согласуют. В данном случае принимают R_н > R₂, т.е. следующий за делителем каскад должен обладать большим входным сопротивлением.

Широкое распространение в качестве преобразователя "сопротивление-напряжение" находят мостовые схемы (рисунок 3.5в).Такие преобразователи обладают рядом преимуществ: возможность получения выходного напряжения, изменяющегося относительно нулевого значения; более высокая чувствительность и линейность преобразования и т.п. Выходное напряжение равноплечего моста (R₁ = R₂ = R₃ = R₄ = R₀) при условии, что датчик включен в одно из плеч моста и сопротивление нагрузки много больше R₀, определяется соотношением

, (3.5)

где R – изменение сопротивления датчика при изменении технологического параметра.

Так же как и делители напряжения, мостовые схемы можно запитывать от источника тока.

Если измеряемый параметр преобразуется в емкость или индуктивность, то питание преобразователей осуществляется гармоническим сигналом. Рассуждения по определению выходного напряжения остаются такими же, только необходимо учитывать комплексный характер сопротивлений.

Делитель напряжения, кроме использования в качестве преобразователя, в электронных схемах используется для задания рабочей точки активных элементов, т.е с его помощью на элемент подаются начальные напряжения, определяющие режим его работы.