- •Основы проектирования приборов и систем
- •Введение. Термины и определения.
- •Математические модели и их классификация
- •Структурная организация приборов и систем. Цифровые преобразователи и приборы
- •Структуры и алгоритмы функционирования измерительных систем
- •Многоточечные измерительные системы.
- •Мультиплицированные измерительные системы.
- •Сканирующие измерительные системы.
- •Системы автоматического контроля
- •Датчики физических величин Датчик как цепь измерительных преобразователей
- •Фотоэлектрические преобразователи
- •Емкостные преобразователи
- •Индуктивные преобразователи
- •Магнитоупругие преобразователи
- •Функции преобразования электрических измерительных цепей датчиков
- •Делитель напряжения с одним рабочим плечом
- •Делитель напряжения с двумя рабочими плечами
- •Мостовая цепь с одним рабочим плечом
- •Мостовая цепь с четырьмя рабочими плечами
- •Нормирующие преобразователи
- •Измерительные преобразователи компенсационного типа
- •Масштабирующие преобразователи тока и напряжения на операционных усилителях
- •Измерительные преобразователи переменного тока
- •Типовые схемы построения измерительных преобразователей на основе операционных усилителей.
- •Накопители информации
- •Накопители на гибких дисках
- •Накопители на жестких магнитных дисках
- •Накопители на компакт-дисках
- •Приводы сd-rом
- •Накопители на магнитной ленте
- •Показатели качества приборов и систем
- •Системный подход, как основа проектирования
- •Принцип агрегатирования при проектировании приборов и систем
- •Выбор интерфейсов измерительных систем
- •Канал общего пользования (интерфейс приборный)
- •Проектирование программного обеспечения измерительных систем
- •Нормируемые метрологические характеристики приборов и систем
- •Сертификация приборов и систем
- •Методы повышения точности
- •Требования предъявляемые к устройствам отображения и регистрации информации
Измерительные преобразователи компенсационного типа
Отдельные звенья структурной схемы рис.1.1а могут представлять собой более простые ИП. С целью повышения точности некоторые из них охватывают ООС, т.е. выполняют по компенсационной схеме. Такие ИП будем называть компенсационными.
Входными сигналами ИП электрических величин являются чаще всего сигналы напряжения или тока.
В случаях входных сигналов напряжения используют два основных вида ООС – последовательную и параллельную; в случае сигналов тока ООС обычно бывают параллельной.
Компенсационные ИП (КИП) могут быть статическими и астатическими.
; ; , (1.6)
где , , , - коэффициенты преобразования и смещения характеристик преобразования соответствующих блоков.
Для выходных сигналов КИП из (1.6) нетрудно получить , где - результирующее смещение характеристики преобразования;
; - коэффициент усиления разомкнутой системы; ; для схемы рис. 1.2а и ; для схемы рис. 1.2б. ; - входное сопротивление блока 1.
В случае отсутствия в структурной схеме КИП какого-либо блока следует принять для него , а
.
(при )
.
,
,
, где , , - относительное изменение , и .
, , , где , .
Масштабирующие преобразователи тока и напряжения на операционных усилителях
На входе прибора обычно включают измерительный преобразователь, осуществляющий преобразование измеряемой аналоговой величины в цифровой сигнал. В качестве вых сигнала выбирают напряжение постоянного тока в пределах 5…10 В.
Операционный усилитель включенный по схеме инвертора:
Существует понятие идеального Операционного усилителя, у которого входные токи , сопротивления , Ky высок. Коэффициент усиления с разомкнутой обратной связью равен бесконечности.
В этих условиях ток источника сигнал не может протекать по входным цепям ОС. Таким образом этот ток будет протекать только по резистору обратной связи.
В этом случае на Rос создается напряжение:
.
При этом: .
Коэффициент обратной связи: .
Таким образом, для идеального операционного усилителя коэффициент усиления практически полностью определяется соотношением значений резисторов , при условии, что идеальный источник сигнала имеет Rc=0.
В реальных операционных усилителях погрешность инвертирующего усилителя определяется величинами Uсм0, а также Iвх+, Iвх1 и конечным значением K0.
С учетом этих факторов выходное напряжение инвертирующего усилителя равно:
.
Уменьшить погрешность усилителя можно за счет применения усилителя с меньшими входными токами и с большим коэффициентом усиления, а также за счет уменьшения сопротивлений R1, R2, Rос при обеспечении равенства:
.
Входное сопротивление инвертирующего ОУ практически равно R1, поэтому при проектировании измерителей тока R1 = Rвх. Измеряемый ток от источника тока протекает через резистор Rос и напряжение на выходе усилителя:
/
Нижний предел измеряемого тока ограничивается наличием тока смещения iсм-. При работе с источником тока Rc >> Rос, поэтому усиление по напряжению такой схемы равно:
,
т.е. погрешность из-за наличия напряжения смещения нуля мала.
При измерении малых токов сопротивление Rос должно быть достаточно велико и шумовые токи внести значительные погрешности в выходной сигнал. Поэтому обычно параллельно резистору Rос включают конденсатор, снижающий уровень высокочастотных шумов.
Для построения цифровых вольтметров часто применяется неинвертирующее включение операционного усилителя.
В этой схеме напряжение обратной связи Uос определяется как: .
Идеальный усилитель в этой схеме включения имеет коэффициент усиления по напряжению:
.
Входное сопротивление неинвертирующего усилителя достаточно велико: .
В большинстве случаев погрешности, вызванные сопротивлением источника сигнала, определяются не входным сопротивлением усилителя, а наличием входных токов iсм+ и iсм-, которые создают падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника сигнала. Для уменьшения влияния температурного дрейфа входных токов необходимо выбирать сопротивление резистора R3 = R1||R2.