9.Аналоговые преобразователи электрических сигналов

9.1. Масштабные усилители

Масштабные усилители должны иметь точное нормированное значение коэффициента усиления. К стабильности основных параметров этих усилителей предъявляются повышенные требования.

При создании масштабных усилителей широко применяются ОУ, включенные по схеме неинвертирующего усилителя.

U_ВХU_ВЫХ U_ВХU_ВЫХ

R1 R2 R2

Если к погрешностям преобразования не предъявляются очень высокие требования, будем считать ОУ идеализированным:

R_вх, R_вых0, K_u, т.е. U_вх._диф0.

Эти допущения позволяют легко определять параметры преобразования сигнала. А в случае прецизионных преобразований анализ работы следует вести с учетом конечных значений K_u, R_вх, R_вых.

Показанная на рисунке схема усилителя обеспечивает усиление

,

имеет повышенное входное сопротивление

и низкое выходное сопротивление

.

Однако этот усилитель работает с синфазным входным сигналом, равным U_вх, поэтому имеется дополнительная погрешность, определяемая коэффициентом ослабления синфазного сигнала К_ос._сф.

Повторитель напряжения ( имеет стопроцентную О.О.С. ) применяют либо на входе устройства, если требуется высокое входное сопротивление, или на выходе, если необходимо обеспечить низкое выходное сопротивление.

Инвертирующийусилитель

Сопротивление R=R1R2, подключенное к неинвертирующему входу, обеспечивает симметрирование входной цепи ОУ по постоянному току.

В этой схеме отсутствует синфазный входной сигнал и более стабильны значения параметров. Инвертирующий усилитель имеет параметры:

;

;

.

Суммирующий усилитель

Суммирующее устройство выполнено на основе схемы инвертирующего усилителя.

Так как инвертирующий вход имеет практически нулевой потенциал, отсутствует взаимное влияние входных сигналов. Из условия

получаем:

.

Сопротивление R эквивалентно всем сопротивлениям, подключенным к инвертирующему входу. Если входные токи ОУ по обоим входам равны, то создаваемые ими падения напряжения не создадут дифференциального сигнала и не вызовут дополнительного смещения нуля.

Вычитающий усилитель

Выходное напряжение рассматриваем как наложение двух сигналов, усиливаемых по инвертирующему и неинвертирующему входам

.

Чтобы приравнять коэффициенты усиления К₁=К₂, необходимо

или

.

Тогда

.

Для полной симметрии целесообразно применять R3=R1; R4=R2.

Таким образом, данная схема усиливает разность напряжений, т.е. дифференциальный сигнал.

Эта схема дифференциального усилителя имеет недостатки:

1) на входах ОУ присутствует синфазное напряжение

,

которое создает погрешность преобразования

;

2) усилитель имеет низкое входное сопротивление

,

которое неприемлемо при высокоомном источнике сигнала.

Прецизионный дифференциальный усилитель

Схема на трех ОУ. Для симметрии схемы R3=R1, R6=R4, R7=R5.

При K_uможно принять U1=U_вх._1,U2=U_вх._2.

Напряжение на выходах А1 и А2:

,

.

Разность выходных напряжений

пропорциональна дифференциальному входному сигналу.

Средний уровень этих напряжений

.

Первый каскад синфазный сигнал не усиливает, а только повторяет. Второй каскад имеет усиление .

.

Эта схема имеет высокое входное сопротивление и большой коэффициент ослабления синфазного сигнала: подавление синфазного сигнала определяется коэффициентом усиления первого каскада

.

Коэффициент усиления по напряжению легко можно сделать регулируемым путем изменения значения R2. В этой схеме невелико влияние напряжений смещения нуля входных ОУ: U_см.₁и U_см._2.С учетом этих значений выходное напряжение

.

При одинаковых U_см.₁и U_см.₂ и равных их изменениях влияние этих напряжений полностью отсутствует. Напряжение смещения U_см.₃третьего ОУ никак не компенсируется, но его влияние на погрешность усиления невелико, так как сигналы, поступающие на входы третьего ОУ, имеют большие значения.