Поскольку сигналы, поданные на входы этого усилителя, наблюдаются на выходе с разными знаками, то результирующее в ы- ходное напряжение

Uн = Rос (Uс1/ R3 – Uс2/ R2).

При R2 = R3 = R' получим Uн = Rос /R' (Uс1 – Uс2). Это и есть разностный усилитель.

Здесь необходимо достаточно точно выдерживать равенство не двух пар резисторов, как в обычных усилителях, а лишь одной пары.

Контрольные задания

1.Объяснить принцип построения разностно-токовых усилителей.

2.Объяснить процедуру смещения рабочей точки в разностнотоковых усилителях.

3.Прокомментировать особенности инвертирующих усилите-

лей.

4.Прокомментировать схему инвертирующего сумматора.

5.Прокомментировать схему неинвертирующего усилителя.

6.Прокомментировать схему неинвертирующего сумматора и

его особенности.

7.Прокомментировать схему разностного усилителя.

5.ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ (ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ) УСИЛИТЕЛИ

5.1.Синфазные помехи в измерительных системах

Вбольшинстве преобразователей неэлектрических величин в электрические – датчиков – входная неэлектрическая величина

преобразуется в два одинаковых по знаку (фазе), очень мало отличающихся по величине напряжения U1 и U2. Информация о преобразуемой входной величине содержится в разности Uс = U1 –

– U2, очень малой по сравнению с абсолютными значениями

U1 и U2.

На первый взгляд кажется, что обработка выходного сигнала датчика сводится к вычитанию двух выходных напряжений дат-

85

чика, затем последующему усилению их разности любым усилителем с дифференциальным каскадом на входе (рис. 5.1, а).

В самом деле это не так. Напряжение на входе усилителя мо ж- но представить суммой синфазной составляющей Uсс и полезного сигнала ∆Uс (рис. 5.1, б). Входное напряжение усилителя

Uвх = (U1 + U2)/2 ± (U1 – U2)/2 = Uсс ± ∆U1,

где (U1 + U2)/2 = Uсс – синфазная составляющая входного напряжения, не содержащая информации о входной неэлектрической

величине датчика, и ∆U1 – полезный сигнал, содержащий информацию о ней. Таким образом, Uсс – это напряжение помех.

Теоретически дифференциальный входной каскад усилителя полностью подавляет синфазную помеху. Практически он ослабляет ее, т.е. она частично проходит на выход усилителя. Здесь она либо добавляется к усиленному входному сигналу, либо вычитается из него, внося тем самым ошибку в измерение неэлектрической величины.

Синфазная помеха может привноситься не только датчиками, но и электронной измерительной схемой. В схеме подключения датчика к входу усилителя, в которой проявляется лишь синфазная помеха собственно датчика (рис. 5.2, а), все напряжения отсчитываются от единой общей точки ОТ. При построении реальных схем не всегда удается подключить выходные зажимы датчика к общей точке отсчета напряжений. Иногда их приходится подключать в точке А общей шины, отстоящей от точки Б отсчета напряжений в схеме (рис. 5.2, б).

Как правило, общая шина обтекается токами других устройств, подключенных к ней, например токами I1 и I2. В результате на

86

участке АБ общей шины создается падение напряжения Uсс2, добавляющееся к Uсс1 (рис. 5.2, в).

в

Рис. 5.2

Источником синфазных помех могут стать и внешние магнитные поля, наводящие на провода связи датчика с усилителем одинаковые напряжения.

Во всех рассмотренных случаях необходимы специальные усилители, способные воспринимать очень малые полезные сигналы на фоне большого уровня синфазных помех. Иначе говоря, они должны интенсивно ослаблять синфазные помехи при хорошем усилении разностных сигналов. Эту задачу и решают инструментальные усилители, называемые еще измерительными.

5.2. Примеры измерительных схем с синфазной составляющей

На рис. 5.3, а представлена схема преобразования изменения сопротивлений плеч полумоста в электрический сигнал. Полумостовой данная схема называется по той причине, что в ней изменяются сопротивления лишь двух резисторов из четырех.

87

опять-таки может вызвать разбалансировку моста. Для обнуления

выходного напряжения моста при ∆R = 0 в диапазоне температур в схему моста вводится температурно-зависимый резистор R(T).

Рис. 5.4

Окончательно измерительный резистивный мост (полумост)

при ∆R = 0 всегда балансируется – его выходное напряжение обеспечивается равным нулю. Только в этом случае изменения сопротивлений плеч моста преобразуются в выходное напряжение

Uвых = f (∆R).

Пример. Определить требования к разностному усилителю тензосиломера при питании моста напряжением Uп =12 В.

Решение. Для преобразования механической силы F в электрический сигнал необходимо сначала преобразовывать ее в деформацию. Для этой цели следует изготовить металлическую упругую вставку, воздействие силы на которую обусловливает ее деформацию. Если вставка работает в режиме упругих деформа-

ций, то ее относительная деформация ε окажется пропорциональной силе F, т.е. ε=k1 F. Для сталей, как известно, упругая дефор-

мация ограничивается величиной max ε ≤ 1% (0,01). Деформация преобразуется в изменение сопротивлений специальными датчи-

89

ками – тензорезисторами, накладываемыми на упругую вставку. Тензорезисторывключаются по мостовой схеме. Если теперьп о- давать на противоположные вершины моста напряжение питания, то можно преобразовать силу в электрический сигнал. Естественно, что при F = 0 мост подлежит тщательной балансировке. Рассмотренное устройство и есть тензосиломер.

Коэффициент передачи тензосиломера, точнее крутизна выходного сигнала моста, составляет 1...3 мВ/В. Напряжение пита-

ния механических тензосиломеров Uп ≤ 12 В.

Положим, что Uп = 12 В и средняя крутизна сигнала с моста составляет 2 мВ/В, тогда синфазная составляющая на входе усилителя

Ucc = Uп/2 = 12В/2 = 6 В.

Максимальное выходное напряжение тензосиломера, соответствующее максимальной измеряемой силе,

max Uвых = 2 мВ/В ×12 В = 24 мВ.

Допустимое напряжение ошибки из-за воздействия синфазной помехи при минимальном уровне входного сигнала 0,01

∆Uсс = 24 мВ/100 = 0,24 мВ.

Требуемое подавление синфазного сигнала

Kосс = 20lg Uсс /∆Uсс = 20lg 6В/0,24 мВ = 20lg2500 дБ.

Разностный усилитель, подключенный к выходу тензосиломера, должен ослаблять синфазную помеху в 2500 раз.

Синфазная помехапроявляется не только в мостовых измер и- тельных схемах. На рис. 5.5 , а приведена схема измерения тока Iн в нагрузке Rн. Для этого последовательно с нагрузкой обычно включают дополнительный резистор R1, сопротивление которого практически не должно влиять на режим работы нагрузки. Это значит, что падение напряжения на нем Uд должно быть пренеб-

режимо мало по сравнению с Uн ≈ Uп. Мера тока в такой схеме – малое напряжение Uд. Как следует из схемы рис. 5.5, а, на вход усилителя здесь приходит малый по уровню сигнал Uд. Одновременно на оба входа поступают синфазные напряжения, практически равные Uп.

Синфазная помехаможет проявляться и в не столь очевидных ситуациях. Например, термопары вырабатывают на их выходных

90

Рис. 5.5

Очень существенными в измерительных усилителях являются синфазные помехи, обусловленные электромагнитными полями, имеющими место в устройстве, в состав которого входит ИУ. Имеются в виду электромагнитные поля, генерируемые мощным оборудованием, работающим на промышленной частоте. Как известно, из-за наличия емкостных и магнитных связей эти поля наводят на провода, подводящие сигнал к входу ИУ, одинаковые напряжения наводок. Они проявляются как синфазные напряжения помех (рис. 5.6). Проблема синфазных наводок переменных синфазных напряжений зачастую более серьезна, чем проблема постоянных синфазных напряжений. Дело в том, что дифференциальные входные каскады усилителя обычно обладают хорошим подавлением постоянных синфазных напряжений. Подавление переменных синфазных помех существенно ухудшается с увели-

91