25. Измерительные схемы

В предыдущих разделах был рассмотрен ряд методов аналоговой и цифровой обработки сигналов. Однако во многих случаях, прежде чем использовать аналоговое решающее устройство или АЦ- преобразователь, необходимо преобразовать сам электрический сигнал. Для этого требуются измерительные схемы, формирующие выходной сигнал, источник которого имеет малое внутреннее сопротивление, в виде напряжения, отсчитываемого относительно земли.

25.1. Измерение напряжений

25.1.1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ИМПЕДАНСА

Чтобы измерить напряжение на выходе высокоомного источника сигнала и при этом не внести заметной погрешности, можно использовать для преобразования импеданса электрометрический усилитель (рис. 12.3). При этом нужно, однако, учитывать, что высокоомная входная линия связи очень чувствительна к емкостным наводкам. Такая линия, как правило, экранируется, что приводит к большой емкостной нагрузке источника относительно общей шины (корпуса) (30-100 пф/м). При внутреннем сопротивлении источника, например, 1 ГОм и емкости кабеля 100 пФ верхняя граничная частота измеряемого сигнала равна 1,6 Гц.

Другая проблема-изменения величины этой емкости во времени, вызванные, например, механическими перемещениями. Это может привести к возникновению очень большого шумового напряжения. Если на проводник подано напряжение 10 В, то из-за колебаний величины емкости порядка 1% получаются скачки напряжения до 100 мВ!

Для преодоления этих трудностей, т.е. для уменьшения разности потенциалов между внутренним проводником и экраном, используют электрометрический усилитель, причем экран соединяют не с корпусом, а с выходом усилителя, как показано на рис. 25.1. В этом случае влияние емкости уменьшается благодаря дифференциальному усилению операционного усилителя. Емкостные шумы значительно сокращаются, поскольку теперь

Рис. 25.1. Уменьшение емкости экрана и шумов экранирования посредством привязки потенциала экрана к измеряемому потенциалу.

разность потенциалов между проводниками определяется лишь напряжением смещения операционного усилителя.

Увеличение диапазона управляемого напряжения

Максимально допустимое напряжение питания выпускаемых операционных усилителей составляет ± 18В. Поэтому диапазон управляемого напряжения ограничивается ± 15В. Это ограничение снимается, если для подачи напряжения питания на операционный усилитель ввести специальную (бутстрепную) связь с выходным потенциалом. Для этого служат оба эмиттерных повторителя, покачанные на рис. 25.2. С их помощью разности потенциалов V₁ – U_a и U_a – V₂ стабилизируются на значении Uz — 0,7В. Благодаря стабильности источника постоянного тока и малому выходному сопротивлению эмиттерных повторителей диапазон управляемых напряжений возрастает.

Рис. 25.2. Повторитель напряжения для высокого входного напряжения.

25.1.2. ИЗМЕРЕНИЕ РАЗНОСТИ ПОТЕНЦИАЛОВ

Измерение разности потенциалов можно в принципе осуществить с помощью вычитателя, описанного в разд. 11.3. Как было показано в разд. 11.2.2, подавление синфазной составляющей определяется главным образом точностью соотношений пар сопротивлений _N и _P. В эти соотношения входит, однако, и внутреннее сопротивление источника сигнала. При построении схем в вычислительной технике в качестве источника сигнала применяют, как правило, операционный усилитель с отрицательной обратной связью, обладающий очень малым выходным сопротивлением, поэтому его влиянием можно пренебречь.

В измерительной технике достаточно малое сопротивление источника обеспечивается с помощью повторителя напряжения. Для иллюстрации этого положения обратимся к универсальной схеме дифференциального усилителя (потенциометрического), показанной на рис. 25.3. При R₁ =  ОУ 1 и ОУ 2 работают как повторители напряжения.

Достоинством схемы является также и то, что, варьируя сопротивление одного резистора, можно регулировать дифференциальный коэффициент усиления. Как следует из рис. 25.3, разность потенциалов на резисторе R₁ составляет V₂ — V₁. Отсюда

Эта разность с помощью вычитающего усилителя ОУ 3 передается на заземленный выход.

Рис. 25.3. Электрометрический вычитатель.

При полностью синфазном управлении {V₁ = V₂ = V_Gl) будет выполняться условие V₁' = V₂^’ = V_Gl .Усиление синфазного сигнала ОУ 1 и ОУ 2 также не зависит от выбранного дифференциального коэффициента усиления и имеет величину 1. Учитывая формулу (11.6), получаем для коэффициента ослабления синфазного сигнала выражение

Здесь / - относительный разброс значений сопротивлений пары резисторов R₃.

25.1.3. ИЗОЛИРОВАННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Диапазон управляемого напряжения вычитающего усилителя, описанного в предыдущем разделе, ограничен напряжением питания. С помощью схемы, показанной на рис. 25.2, он может быть расширен до ± 100В.

Однако во многих случаях требуется измерить напряжение порядка нескольких киловольт, т.е. значительно превышающее допустимое синфазное напряжение. Для решения этой задачи измерительную схему разбивают, как показано на рис. 25.4, на две гальванически изолированные части. Передающая часть работает под измеряемым потенциалом, а приемная - под нулевым. Для реализации подобного устройства необходимо, чтобы передающая часть имела отдельный, изолированный от земли источник тока, общая точка которого («плавающая» земля) является одним из дифференциальных входов. Не нужно, конечно, забывать, что такое подключение обеспечивает лишь гальваническую развязку от нулевого потенциала, а емкостная связь остается.

Рис. 25.4. Принцип измерения напряжения с помощью гальванически изолированного усилителя.

Эта связь осуществляется главным образом через емкость С_S трансформатора в источнике тока (рис. 25.4). Чтобы уменьшить эту емкость, целесообразно применить вместо силового трансформатора высокочастотный трансформатор с полосой около 100 кГц, который запускается генератором синусоидальных колебаний.

Когда обе точки, в которых производится измерение, высокоомные, то даже небольшой емкостной шумовой ток может внести заметную погрешность в измерение напряжения на клемме «плавающей» земли. В таких случаях целесообразно подсоединить клемму «плавающей» земли к третьей точке и определять разность потенциалов между обеими точками с помощью электрометрического вычитающего усилителя, представленного на рис. 25.3. Тогда оба измерительных проводника обесточены. Электрометрический вычитатель подключается к изолированному от земли источнику тока. При этом синфазное напряжение по отношению к «плавающей» земле, подключенной к соответствующей точке измеряемого объекта, не превышает чаще всего 10В.

Передача результата измерения на электрически изолированную приемную часть также связана с определенными трудностями. Существуют две возможности передачи: с помощью трансформатора или оптической связи. При передаче с помощью трансформатора необходимо применить модуляцию достаточно высокой несущей частоты (амплитудную или частотную). При оптической связи, напротив, можно непосредственно передавать постоянное напряжение. При высоких требованиях к точности можно преобразовать аналоговый сигнал на передающей части в цифровую форму и передавать числовую величину на приемную часть с помощью оптической связи, как показано на рис. 25.4. При этом нелинейность оптической связи не играет роли.

Возможность оптической передачи аналогового сигнала иллюстрируется рис. 25.5. Для того чтобы компенсировать линейные искажения, вносимые оптронами, ток светодиода регулируется с помощью операционного усилителя ОУ 1 так, чтобы фототок опорного приемника T₁ равнялся заданной величине. Петля отрицательной обратной связи при этом замыкается через опорный оптрон, и мы получаем

Рис. 25.5. Оптическая передача аналоговой величины.

Так как фототок не может изменять знак, введена постоянная составляющая U_f⁺/R₂ для того, чтобы можно было обрабатывать разнополярные входные сигналы. Когда оба оптрона обладают идентичными характеристиками, на приемной стороне выполняется условие I_F2 = I_F1 и мы получаем выходное напряжение

Изолированные усилители с трансформаторной или оптической связью поступают в продажу в виде готовых модулей. На передающей стороне расположены электрометрический или фазоинверсный усилитель, а также электрометрический вычитатель. Большинство типов модулей содержит встроенный в передающую часть преобразователь постоянного напряжения для незаземленного источника тока, так что снаружи необходимо подключить только заземленный источник тока. Допустимая разность потенциалов между передающей и приемной частями составляет, как правило, несколько киловольт. В табл. 25.1 приведены некоторые данные часто применяемых модулей.