3.6 Інструментальний підсилювач

Інструментальний підсилювач - один з найбільш широко застосовуваних, точних і багатофункціональних серед наявних на сьогоднішній день підсилювачів. Збирають його із трьох ОП і семи резисторів, як показано на рис. 3.15. Для спрощення аналізу схеми відзначимо, що вимірювальний підсилювач фактично складається з диференційного підсилювача з буферними каскадами (рис. 3.14,б), з'єднаного з базовим диференційним підсилювачем (рис. 3.11). Операційний підсилювач DA3 зі своїми чотирма зовнішніми резисторами, рівного опору R, утворює диференційний підсилювач з коефіцієнтом підсилення, рівним 1. В даній схемі повинні бути узгоджені тільки резистори, з'єднані з DA3 Резистор регулювання схеми R' можна виконати у виді підстроєчного, щоб збалансувати будь-яку синфазну напругу, як показано на рис. 3.23. Коефіцієнт підсилення задається одним резистором а відповідно до виразу:

(3.17)

де a=aR/R.

Напруга E₁ прикладається до входу (+), а Е₂ - до входу (-). Напруга Uвих пропорційна різниці вхідних напруг. Отже, інструментальний підсилювач має наступні властивості;

1. Коефіцієнт підсилення від диференційного входу (E₁—Е₂) до несиметричного виходу задається одним резистором.

2. Вхідний опір схеми по обох входах дуже великий і при зміні коефіцієнта підсилення не міняється.

3. Uвих не залежить від напруги, загальної для E₁ і Е₂. (синфазної напруги), а залежить тільки від різниці цих напруг.

Рисунок 3.15 - Схема інструментального підсилювача

Введення опорного рівня вихідної напруги

У деяких випадках бажано зсунути вихідну напругу до величини, що відрізняється від нульового опорного рівня. Це зручно, наприклад, для вибору положення нульового рівня аналого-цифрового перетворювача чи базової лінії осцилографа, на які надходить сигнал з вимірювального підсилювача. Виконати такий зсув можна включивши послідовно з одним із резисторів основної схеми диференційного підсилювача джерело опорної напруги. Припустимо, що в схемі рис. 3.27 Е₁ і Е₂ рівні 0 В. При цьому напруги на виходах DA1 і DA2 також будуть рівні 0 В, і ми можемо показати, що на входах диференційного підсилювача (рис. 3.16) виявляться напруги E₁ і Е₂, рівні 0 В.

Джерело опорної напруги Uon підключене послідовно з резистором R (до його опорного контакту), його напруга ділиться навпіл і прикладається до входу (+) операційного підсилювача DA3. Цей неінвертуючий підсилювач має коефіцієнт підсилення, рівний 2, так що Uвих буде дорівнювати Uon.

Рисунок 3.16 - Зміщення вихідної напруги за допомогою опорного рівня

Тепер, підстроюючи Uon, можна задати будь-яке необхідне опорне значення напруги Uвих. На практиці Uon береться з виходу схеми повторювача напруги, щоб внутрішній опір джерела напруги мінімально впливав на сумарний опір R.

Виявлення і вимірювання сигналу інструментальним підсилювачем

Можливості і характеристики, інструментального підсилювача можна поліпшити, розірвавши контур від'ємного зворотного зв'язку операційного підсилювача DA3 і вивівши з нього три контакти; вихід вимірювальний і опорний (рис. 3.17). Якщо між вимірювальним підсилювачем і навантаженням потрібно включити довгу лінію сполучення чи струмовий бустер на транзисторі, то на проводах сполучення буде падати значна напруга. Щоб цього не було, вимірювальний і опорний контакти підключають безпосередньо до навантаження. При цьому послідовно з резисторами в ланках вимірювального й опорного контактів включені рівні опори провідників і ці ланки залишаються симетричними. До того ж важливішим є відслідковування напруги на навантаженні, а не на вихідному контакті підсилювача, зворотний зв'язок підтримує напругу навантаження на незмінною, що відповідає вхідному сигналу. У випадку коли використовується базовий диференційний підсилювач, напруга на виході визначається рівнянням (3.14) при m=1. При використанні вимірювального підсилювача вихідну напругу знаходять з рівняння (3.16). Описаний метод вимірювання називається також дистанційним вимірюванням напруги, оскільки при цьому визначається і регулюється напруга на віддаленому навантаженні, а не на вихідних контактах підсилювача.

За допомогою інструментального підсилювача можна проводити вимірювання струму і диференційної напруги. На рис. 3.30,а показана схема вимірювального підсилювача; тут Вим — вимірювальний, a On — опорний контакт. За допомогою вимірювального підсилювача легко виміряти напругу на резисторі R.

Рисунок 3.17 - Схема управління напругою на віддаленому навантаженні

Підключимо входи (+) і (-) до R і виміряємо Uвих вольтметром, після чого обчислимо спад напруги на R чи Е1-Е₂:

(3.18)

а б

а – схема вимірювання струму,

б – схема управління струмом

Рисунок 3.18 - Схеми вимірювання і управління струмом за допомогою інструментального підсилювача

Цю ж схему можна використовувати для визначення струму в електричному колі. Припустимо, що ми включимо в ланку резистор R₁ з опором, досить малим, щоб він не впливав на роботу схеми, але в той же час досить великим, щоб можна було знайти протікаючий по ньому струм. Тепер, якщо ми знаємо значення R₁ і можемо виміряти E₁—Е₂, як було показано вище, можна визначити струм І з наступного рівняння:

(3.19)

У схемі на рис. 3.14,б чутливий резистор Rb також служить для сприйняття підсилювачем струму навантаження. Струми в ланках вимірювального й опорного контактів дуже малі в порівнянні зі струмом навантаження Ін, що проходить через обидва резистори Rb і Rh і визначаються з рівняння:

(3.20)

Спад напруги на Rb і Rh малий, а відповідно, мала буде і помилка вимірювання напруги навантаження.

Напруга Евх керує струмом у навантаженні, і ми маємо кероване напругою джерело постійного струму [11].

Л Е К Ц І Я №7