Навчальне видання

ОСНОВИ ПРОЕКТУВАННЯ

ВИМІРЮВАЛЬНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ

НА ОПЕРАЦІЙНИХ ПІДСИЛЮВАЧАХ

Методичні рекомендації

до курсового та дипломного проектування

для студентів напрямів

0906 "Електротехніка", 0907 "Радіотехніка",

0909 "Прилади" ,0910 "Електронні апарати",

0913 "Метрологія та вимірювальна техніка",

1601 "Інформаційна безпека"

Укладачі: БАБАК Віталій Павлович,

ОРНАТСЬКИЙ Дмитро Петрович, ВІНІЧУК Олег Анатолійович,

ЄРЕМЕНКО Володимир Станіславович, КУЦ Юрій Васильович,

НІМЧЕНКО Тетяна Василівна

Підп. до друку 08.12.06. Формат 60x84/16. Папір офс. Офс. друк. Ум. друк. арк. 3,49. Обл.-вид. арк. 3,75. Тираж 100 пр. Замовлення № 191-1. Вид. № 161/ІІІ.

Видавництво НАУ

03680. Київ-680, проспект Космонавта Комарова, 1

Свідоцтво про внесення до Державного реєстру ДК № 977 від 05.07.2002

УДК 621.375:621.317.39(076.5)

ББК З842-02р+Ч481.252.45р

О 751

Укладачі: В.П. Бабак, Д.П. Орнатський, О.А. Вінічук, В.С. Єременко, Ю.В. Куц, Т.В. Німченко

Рецензент В.П. Квасніков

Затверджено на засіданні науково-методично-редакційної ради Інституту інформаційно-діагностичних систем НАУ 14 вересня 2005 року.

О 751

Основи проектування вимірювальних перетворювачів на операційних підсилювачах: Методичні рекомендації до курсового та дипломного проектування / Уклад.: В.П. Бабак, Д.П. Орнатський, О.А. Вінічук та ін. – К.: НАУ, 2006. – 68 с.

Містять матеріали, необхідні для оволодіння навичками аналізу та проектування вимірювальних схем на базі основного елемента сучасної аналогової схемотехніки – операційного підсилювача (ОП). Проведено аналіз шести базових схем вмикання операційного підсилювача та отримано співвідношення для їхніх параметрів на основі теорії ідеального ОП. Для реального ОП наведено еквівалентну схему, подано визначення її параметрів та розглянуто можливість їх використання для розрахунку основних складових адитивних та мультиплікативних похибок.

Для студентів напрямів 0906 ”Електротехніка”, 0907 ”Радіотехніка”, 0909 ”Прилади”, 0910 ”Електронні апарати”, 0913 ”Метрологія та вимірювальна техніка”, 1601 ”Інформаційна безпека” .

ВСТУП

Методичні рекомендації присвячені застосуванню операційних підсилювачів (ОП) у засобах вимірювальної техніки, зокрема основним схемам включення ОП, методам розрахунку та дослідження похибок вимірювальних перетворювачів електричних сигналів на ОП, аналізові впливу на похибки характеристик реальних ОП, методам корекції похибок вимірювальних перетворювачів на ОП; призначені для використання під час дипломного та курсового проектування, а також самостійної роботи студентів під час підготовки до лекційних та лабораторних занять з дисциплін “Аналогові та цифрові вимірювальні прилади“, “Вимірювальні перетворювачі, “Інтерфейси інформаційно-вимірювальних систем”, “Проектування інформаційно-вимірювальних систем”.

Рекомендації складаються з трьох частин.

У першій – викладено основи теорії ідеального ОП та основні аксіоми, які дозволяють проаналізувати будь-яку схему на ОП та визначити її розрахункову або теоретичну функцію перетворення. Розглянуто шість основних схем, на основі яких будуються вимірювальні перетворювачі, наведено аналіз цих схем.

У другій частині розглянуто еквівалентну схему реального ОП, визначено її параметри та наведено методику застосування цих параметрів для обчислення систематичної (мультиплікативної та адитивної) та випадкової складової похибки вимірювального перетворювача.

У третій – наведено методи та засоби корекції адитивних та мультиплікативних похибок схем на ОП.

У додатку подано основні технічні характеристики ОП виробництва країн СНД.

Матеріали, наведені в цих рекомендаціях, відповідають розділам навчальної дисципліни “Вимірювальні перетворювачі”.

Особливістю цих методичних рекомендацій є наявність проміжних розрахунків і відповідних текстових пояснень. Це зумовлено необхідністю вироблення в студентів навичок аналізу точнісних характеристик різноманітних електричних схем.

1. ІДЕАЛЬНИЙ ОПЕРАЦІЙНИЙ ПІДСИЛЮВАЧ

Операційний підсилювач (ОП) – це диференціальний підсилювач напруги з безпосередніми зв'язками, коефіцієнтом підсилення понад 1000 і можливістю формування частотної характеристики за допомогою введення зворотного зв'язку. На етапі одержання "ідеального" чи розрахункового значення коефіцієнта підсилення схеми використовується модель ідеального ОП (рис. 1.1).

Рис. 1.1

1.1. Еквівалентна схема ідеального операційного підсилювача

Еквівалентну схему ідеального ОП і його підключення до джерел вхідних сигналів та напруг живлення показано на рис. 1.1. ОП формує вихідну напругу за допомогою керованого джерела напруги , вихід якого пропорційний різниці напруг на входах ОП. Позитивна напруга , що надходить на інвертуючий вхід ОП (–), створює негативний сигнал на виході ОП (при біполярному живленні ОП) у той час, коли позитивний вхідний сигнал , прикладений до неінвертуючого входу ОП (+), створює на виході позитивний вихідний сигнал. Різниця вхідних напруг і вихідна напруга співвідносяться як / = , де – коефіцієнт підсилення ОП по напрузі.

Ідеальний ОП має такі параметри:

• вхідний опір ∞;

• вихідний опір = 0;

• коефіцієнт підсилення напруги ∞;

• смуга робочих частот ( на рівні –3 дБ ) Δ f _–3дБ = ∞;

• нульове початкове зміщення нуля ОП.

Ці характеристики дозволяють сформулювати три аксіоми теорії ідеального ОП:

1. диференціальна вхідна напруга ОП (у лінійному режимі) завжди дорівнює нулю, тобто (тому що );

2. вхідні струми ОП дорівнюють нулю, тобто (тому що вхідний опір );

3. напруга на інвертуючому вході ОП дорівнює напрузі на неінвертуючому вході при замкненому негативному зворотному зв'язку (НЗЗ), оскільки початкова напруга зміщення нуля відсутня.

Усю розмаїтість схем на оп можна звести до шести основних базових схем :

• інвертуючого підсилювача;

• неінвертуючого підсилювача;

• диференціального підсилювача;

• диференціатора;

• інтегратора;

• інвертуючого суматора.

Використовуючи теорію ідеального ОП, одержимо основні співвідношення для цих шести базових схем.

1.2. Аналіз базових схем на операційному підсилювачі

1.2.1. Інвертуючий підсилювач

На рис. 1.2 зображено схему інвертуючого підсилювача. У цій схемі неінвертуючий вхід ОП з'єднаний із загальною шиною, сигнал надходить на інвертуючий вхід через резистор , а НЗЗ забезпечується резистором . Вважаючи ОП ідеальним, проаналізуємо основні характеристики інвертуючого підсилювача.

Рис. 1.2

З огляду на те, що в цьому випадку диференціальна вхідна напруга ОП – і напруга на неінвертуючому вході дорівнює нулю (тому що він заземлений), напруга на інвертуючому вході також дорівнює нулю.

Далі, оскільки вхідні струми ідеального ОП дорівнюють нулю, тобто , маємо . Струм , що протікає через резистор , дорівнює (тому що напруга на інвертуючому вході ОП дорівнює нулю), а струм дорівнює . Знак мінус в останньому рівнянні з'являється внаслідок інвертування вхідного сигналу ОП (вхідний сигнал надходить на інвертуючий вхід ОП). На рис. 1.3 зображені діаграми вхідної і вихідної напруги інвертуючого підсилювача у разі подачі на вхід гармонічного сигналу.

Прирівнюючи праві частини виразів для струмів і , одер-жимо вираз для вихідної напруги інвертуючого підсилювача:

. (1.1)

Рис. 1.3

Отже, ідеальні характеристики інвертуючого підсилювача мають такі значення:

• коефіцієнт підсилення за напругою ;

• вхідний опір ;

• вихідний опір .

1.2.2. Неінвертуючий підсилювач

Другу базову схему на ОП – неінвертуючий підсилювач зображено на рис. 1.4.

Рис. 1.4

У цьому підсилювачі вхідна напруга надходить на неінверту­ючий вхід ОП, а частина вихідного сигналу через резистивний дільник напруги R₁,R₂ надходить на інвертуючий вхід ОП. З огляду на те,

що вхідні струми ОП дорівнюють нулю ( ), маємо . Відповідно до третьої аксіоми теорії ідеального ОП напруга на інвертуючому вході ОП дорівнює , тому струм через резистор R1 визначається як Вираз для вихідної на­пруги має вигляд . Враховуючи, що , одержимо рівняння для вихідної напруги неінвертуючого підсилювача:

. (1.2)

Отже, ідеальні характеристики неінвертуючого підсилювача мають такі значення:

• коефіцієнт підсилення по напрузі

; (1.3)

• вхідний опір

• вихідний опір

Рис. 1.5

На рис. 1.5 зображено діаграми вхідної і вихідної змінної напруги неінвертуючого підсилювача в разі підключення на його вхід гармонічного сигналу.