МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА КТЭИ

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

А.Е. Терлыч

«АВТОМАТИЗАЦИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ И ТЕХНОЛОГИЙ В ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННОЙ, КАБЕЛЬНОЙ И КОНДЕНСАТОРНОЙ ТЕХНИКЕ»

Конспект лекций для студентов специальности 180300 заочной формы обучения

Пермь 2003

Основы аналоговой обработки сигналов - усиление, преобразование, интегрирование, фильтрация, дифференцирование. Интегральные операционные усилители (оу)

ОУ – дифференциальный усилитель постоянного тока с коэффициентом усиления более 1000.

Рис. 1. Эквивалентная схема. Рис. 2. Условное графическое обозначение.

Разность напряжений на входах ОУ называют дифференциальным (разностным) входным сигналом ОУ, а полусумму этих напряжений — синфазным входным сигналом.

Параметры ОУ

К оэффициент усиления (К)

, где ,

Коэффициент усиления для различных ОУ лежит в диапазоне К=10³÷10⁷

Напряжение смещения

– дифференциальное входное напряжение, при котором выходное напряжение усилителя равно нулю. Для «биполярных» ОУ (биполярные входные каскады) – е_см=0,1-10мВ, для «полевых» ОУ – е_см=10-100мВ

Рис. 3. Амплитудная характеристика ОУ.

Входной ток ОУ ( i_вх)

Для «биполярных» ОУ (биполярные входные каскады) –i_вх=0,01-1 мкА, для «полевых» ОУ – i_вх <1 нА

Входное сопротивление (r_вх)

– сопротивление со стороны одного из входов ОУ, в то время как другой заземлен. r_вх>10³-10⁹ Ом

Выходное сопротивление

Ом

Коэффициент ослабления синфазного сигнала

отношение коэффициента усиления к коэффициенту передачи синфазного сигнала.

, дБ.

Динамические свойства ОУ

Частота единичного усиления

Это частота, при которой K=1

Скорость нарастания выходного напряжения

Это время его установления

В/мкс

Температурный дрейф напряжения смещения

Для биполярных ОУ (биполярные входные каскады) – мкВ/ºС

Для полевых ОУ – мкВ/ºС

Температурный коэффициент коэффициента усиления

Характеризует стабильность коэффициента усиления при изменении температуры. Обычно этот коэффициент изменяется не более чем в 10 раз в диапазоне рабочих температур ОУ.

Схемы простейших усилителей на базе ОУ.

Операционные усилители благодаря своей универсальности находят самое широкое применение в аналоговой схемотехнике. На базе ОУ строятся такие устройства, как усилители переменного и постоянного напряжения, тока и мощности, функциональные преобразователи, устройства согласования и т.д.

Инвертирующий усилитель

Предназначен для усиления постоянного и переменного напряжения Uвх с заданным коэффициентом усиления К_И, причем полярность выходного напряжения Uвых имеет противоположный знак по отношению к Uвх.

Коэффициент обратной связи:

Входное напряжение проходит на инвертирующий вход с коэффициентом ослабления:

Коэффициент усиления схемы: .

На практике, для большинства случаев, где не требуется особенно высокая точность задания К_И, можно пользоваться упрощенным выражением для определения коэффициента усиления. Действительно, если , то .

Входное сопротивление схемы

Выходное сопротивление схемы

Неинвертирующий усилитель

Коэффициент усиления схемы:

Если , то

Входное сопротивление схемы МОм

Выходное сопротивление схемы

Погрешности усилителей на базе ОУ

• Из-за неточности используемых внешних резисторов.

• Погрешность от изменения коэффициента усиления ОУ.

• Погрешность от напряжения смещения и от входных токов.

При правильном выборе резисторов уменьшается погрешность от входных токов. Необходимо, чтобы R₃=R₁║R₂

Дифференциальные усилители

Предназначены для усиления разности двух входных напряжений. Находят широкое применение в прецизионных измерительных устройствах, кардиографах и других устройствах, где необходимо усиление разности двух напряжений на фоне сильных помех.

Простейший дифференциальный усилитель

Построен на базе одного ОУ. Ниже приведено выражение, связывающее величину выходного напряжения Uвых и входных U₁ и U₂.

Если , то

Недостатки схемы:

• низкое входное сопротивление;

• низкий коэффициент подавления синфазного сигнала;

• неравенство входных сопротивлений для U₁ и U₂.

Инструментальный дифференциальный усилитель

Если ,

то

Достоинства:

• высокое входное сопротивление;

• возможность регулировки коэффициента усиления одним резистором R₁;

• большой коэффициент подавления синфазного сигнала (М_сф).

Операционные преобразователи

Простейший интегратор

Широко применяется в схемах аналоговой и аналого-цифровой обработки сигналов.

Рис. 1. Принципиальная схема. Рис. 2. Характеристика.

, где U₀ – начальное напряжение на выходе интегратора.

Если Uвх=const, то

Простейший дифференциатор

Широко применяется в схемах аналоговой обработки сигналов.

Е сли R₁=0, то

Инерционное звено первого порядка

Применяется, если нужно усилить постоянный входной сигнал и отфильтровать (ослабить) его переменную составляющую.

Преобразователи сопротивление-напряжение (ПСН)

В настоящее время широкое распространение получили резистивные датчики различных физических и технологических параметров и величин. Поскольку измерительные и преобразовательные устройства работают, как правило, с такими входными величинами как напряжение или ток, возникает необходимость в преобразовании величины сопротивления в напряжение или ток.

ПСН на базе стабилизатора тока

Рис. 1. Рис. 2.

Простейшая схема ПСН на стабилизаторе тока приведена на рис.1. Uвых ~ Rх. Недостаток такой схемы – невысокая стабильность от температуры окружающей среды тока, и как следствие, самого ПСН.

Для улучшения параметров стабилизатора тока используется «токовое зеркало» (рис. 2.)

Простейший ПСН на ОУ

Гораздо более высокими характеристиками и стабильностью обладают ПСН на базе ОУ.

ПСН на ОУ с компенсацией начального значения сопротивления

В тех случаях, когда необходимо иметь нулевой выходной сигнал ПСН при некотором начальном (ненулевом) значении R_x применяют ПСН с компенсацией начального значения сопротивления:

,

где U₀ – образцовое (опорное) заданное напряжение.

Выпрямители

Выпрямители среднего значения

Это устройства, формирующие на выходе напряжение, постоянная составляющая которого пропорциональна среднему значению выпрямленного напряжения. Использование ОУ имеет цель уменьшить погрешности преобразователя из-за неидеальности вольтамперной характеристики диода.

Uвх>0; ; Rвых≈0.

Uвх<0; ; .

Если R₁=R₂=2 · R₃, то

Недостатком такой схемы является сильная зависимость выходного сопротивления от знака входного напряжения.

Амплитудный выпрямитель

Применяется для формирования постоянного выходного напряжения пропорционального амплитудному значению входного напряжения.

Фазочувствительные выпрямители (синхронный детектор)

– фазовый сдвиг между входным сигналом и управляющим.

Компараторы

Это устройства для сравнения аналоговых сигналов. Если один из сигналов больше другого, то уровень выходного сигнала скачкообразно меняется.

Простейший компаратор

Построен на базе быстродействующего ОУ.

Если , то , и наоборот.

Компаратор с гистерезисом

Чтобы избавиться от возможных помех (дребезг контактов) при формировании импульсов, используют триггер Шмидта.

Он переключается только при подаче некоторого напряжения, больше порогового за счёт положительной обратной связи через резистор R2, т.е. обладает гистерезисом.