Применение электронных устройств в системах автоматизации4

Резистор R3 и конденсатор C2 имитируют входное сопротивление и входную емкость ОУ, а также емкость и сопротивление утечки монтажа, ОУ включён по схеме интегрирующего усилителя. Ключ позволяет периодически разряжать С1. Вместо ключа можно использовать резистор

R2, но при этом будет сужаться частотный диапазон схемы со стороны низких частот. Входной ток, коэффициент усиления схемы и нижняя граничная частота по уровню 3 дБ равны соответственно:

Если даже не устанавливать R2, его надо учитывать как сопротивление утечек монтажа.

Многие схемы управления электродвигателями постоянного тока (ДПТ)

требуют контроля тока якоря с целью ограничения его на безопасном уровне во время пуска или при резком увеличении нагрузки..

Рисунок 4.3 - Усилитель заряда, построенный на основе интегратора тока

41

Контроль тока необходим также при построении широтно-импульсных преобразователей для ДПТ и в инверторах для асинхронных двигателей (АД)

Датчиком тока может служить обычный шунт и, если не требуется гальваническая развязка, то обычный не изолирующий дифференциальный усилитель на ОУ (рисунок 4.4). Выходное напряжение схемы пропорционально току и составляет:

Шунт включен по четырех-проводной схеме, чтобы исключить влияние переходных сопротивлений на силовых клеммах.

Если при построении системы требуется сигнал пропорциональный освещенности, то применяют так называемые усилители фототока на ОУ.

Фоточувствительный элемент может работать в режиме генератора тока или фотозависимого сопротивления. Если требуется измерять световой поток, а

не его наличие/отсутствие, то подойдет преобразователь фототока приведенный на рисунке 4.5. В этой схеме фотодиод работает при обратном смещении и его сопротивление пропорционально световому потоку.

Обратное сопротивление фотодиода в этой схеме формирует ток входа усилителя тока на ОУ.

Рисунок 4.4 - Датчик тока на преобразователе ток-напряжение

42

Рисунок 4.5 -Датчик освещенности на основе фотодиода в обратном включении

Если при построении системы требуется сигнал пропорциональный освещенности, то применяют так называемые усилители фототока на ОУ.

Фоточувствительный элемент может работать в режиме генератора тока или фотозависимого сопротивления. Если требуется измерять световой поток, а

не его наличие/отсутствие, то подойдет преобразователь фототока приведенный на рисунке 4.5. В этой схеме фотодиод работает при обратном смещении и его сопротивление пропорционально световому потоку.

Обратное сопротивление фотодиода в этой схеме формирует ток входа усилителя тока на ОУ. Потенциометр служит для начального смещения усилителя. Коэффициент преобразования для схемы равен

Ki=Uвых/Iфд=1В/мкА.

43

Вопросы для самоконтроля.

1)Какими особенностями отличается схема включения датчика Холла,

почему кроме усилителя она содержит источник тока.

2)Какую функцию выполняет в схеме с датчиком Холла ОУ DA2 и

транзистор VT2.

3)Почему выход датчика Холла подключен к дифференциальному усилителю с высокоточными резисторами в обвязке.

4)В каких датчиках используется пьезоэффект. Какими свойствами,

обуславливающими применение специальных схем включения,

отличаются пьезоэлементы.

5)Чем определяется низшая рабочая частота датчика на основе пьезоэлемента.

6)Каким входным сопротивлением должен обладать ОУ если его предполагается использовать для усиления сигнала пьезодатчика.

7)Какое влияние оказывает кабель подключения пьезодатчика на его частотный диапазон (емкость кабеля и сопротивление утечки изоляции).

8)В чем заключается преимущество применения емкостного датчика перемещения или ускорения перед другими типами датчиков.

9)Почему конденсатор интегратора (рисунок 4.3) необходимо периодически обнулять.

10)Почему интегрирование заряда предпочтительнее непосредственного измерения емкости конденсаторного датчика.

11)В каких случаях датчик тока строится на изолирующем усилителе.

12)С какой целью силовые и сигнальные клеммы на шунте выполняются раздельно.

13)Как влияет напряжение на шунте, относительно общего провода, на выходное напряжение схемы.

14)Благодаря каким параметрам фотодиода можно измерять освещенность.

44

5.Фильтры

В условиях промышленного производства на измерительные схемы и датчики действуют весьма мощные помехи (от магнитных пускателей,

коллекторных двигателей, тиристорных и ШИМ-усилителей,

электромагнитов и других силовых устройств). Этот фактор ведет к снижению точности измерений и сужению их динамического диапазона. С

целью снижения влияния электромагнитных и электростатических помех выполняют экранировку датчиков и соединительных линий, а также применяют дифференциальные схемы подключения, как мы рассматривали ранее. Кроме этих мер часто используют частотные фильтры, призванные снижать усиление преобразовательных схем за пределами частотного диапазона сигнала. Фильтр низких частот будет задерживать высокочастотные (ВЧ) помехи, не влияя на полезный сигнал низкой частоты.

Аналогично фильтр высоких частот будет подавлять низкочастотные (НЧ)

помехи. Полосовой фильтр выделяет нужную полосу частот, подавляя НЧ и ВЧ помехи, а заградительный может подавить именно ту полосу частот, в

которой находятся помехи (например, частоту сети 50 Гц). Фильтры характеризуются коэффициентом передачи - К, частотой (частотами)

сопряжения - F и крутизной характеристики (добротностью - Q). Также фильтр характеризуется порядком, описывающего его диффуравнения.

Применяя ОУ можно реализовать самые разнообразные схемы построения активных частотных фильтров, обладающих необходимыми характеристиками[45]. Следует отметить, что в настоящее время во многих случаях аналоговые фильтры заменяются цифровыми. Работа цифровых фильтров обеспечивается, в основном, программными средствами, поэтому они оказываются значительно более гибкими в применении по сравнению с аналоговыми. С помощью цифровых фильтров можно реализовать такие передаточные функции, которые очень трудно получить обычными методами. Тем не менее, цифровые фильтры пока не могут заменить

45

аналоговые во всех ситуациях, поэтому сохраняется потребность в наиболее

популярных аналоговых активных RC-фильтрах, которые и рассмотрим

ниже.

5.1 Практические схемы активных фильтров на ОУ и расчет их

элементов

5.1.1. Фильтры первого порядка.

Для фильтров первого порядка характерно то, что спад усиления за пределами полосы пропускания составляет 20дБ/дек, а отклонение реальной логарифмической амплитудно-частотной характеристики (ЛАЧХ) от асимптотической на частоте сопряжения составляет 3 дБ.

Логарифмическая фазовая частотная характеристика (ЛФЧХ) у этих фильтров изменяется максимально на π/2. Ниже (рисунок 5.1 … рисунок 5.6)

приведены схемы фильтров первого порядка, их ЛАЧХ и ЛФЧХ, расчетные соотношения для них.

Рисунок 5.1 - ЛАЧХ и ЛФЧХ фильтра низкой частоты первого порядка

46

.

Рисунок 5.3. ЛАЧХ И ЛФЧХ фильтра высокой частоты первого порядка.

47

Рисунок 5.4 - Фильтр высокой частоты первого порядка (инвертирующий)

Рисунок 5.5 - ЛАЧХ И ЛФЧХ полосового фильтра первого порядка

48

Рисунок 5.6. Полосовой фильтр первого порядка (инвертирующий).

5.1.2Фильтры второго порядка

Фильтры первого порядка используются сравнительно редко ввиду того, что спад их ЛАЧХ составляет всего 20 дБ/дек, к тому же переход к спаду имеет протяженность примерно 1⁄2 декады. Более приемлемыми характеристиками обладают фильтры второго порядка, так как имеют крутизну спада 40 дБ/дек и регулируемую добротность , что позволяет получить ЛАЧХ с быстрым переходом от полосы пропускания к спаду. На рисунках 5.7 … 5.12 приведены ЛАЧХ, ЛФЧХ и схемы фильтров второго порядка, а также соотношения для расчета их элементов.

49

Рис . 5.7 - ЛАЧХ и ЛФЧХ фильтра низких частот второго порядка

Схема фильтра (рисунок 5.8) неинвертирующая, обладает высоким входным сопротивлением, но ее свойства сильно зависят от допусков на значения элементов. Расчет значений элементов можно выполнить в следующей последовательности: принимаем R1=R2=R, C1=C2=C и

выбираем значение величины конденсаторов. Из формулы (26) следует, что

ограничений на номиналы элементов, но добротность и коэффициент усиления фильтра оказываются взаимозависимыми. Если задан коэффициент усиления фильтра, то, возможно, нужно будет выбрать R1≠R2 и рассчитать их исходя из формул (25),(26),(27).Независимая настройка параметров невозможна.

50