12.11 Преобразователи сопротивления в напряжение

Преобразователи сопротивления в напряжение (ПСН) находят применение при построении омметров и измерительных приборов с резистивными первичными преобразователями. При неизменном токе падение напряжения на резисторе пропорционально его сопротивлению. Таким образом, ПСН можно построить, включая преобразуемое сопротивление в цепь нагрузки стабилизатора тока. Применение ОУ позволяет реализовать такие требования, как возможность заземления преобразуемого сопротивления, исключение погрешности от сопротивления соединительных проводников, снижение выходного сопротивления ПСН и т.д.

ПСН с двухпроводной линией связи применяются в тех случаях, когда преобразованию подлежат большие сопротивления или когда преобразуемое сопротивление R_x находится в непосредственной близости от преобразователя. В ПСН по схеме рис. 12.17 стабилизатор тока содержит ОУ DA1, работающий в режиме повторителя напряжения, стабилитрон VD1, обеспечивающий опорное напряжение U₀, полевой транзистор VT1 и резистор R₀. Напряжение между входами ОУ можно считать равным нулю, так что напряжения на стабилитроне и резисторе R₀ одинаковы и противоположно направлены. Это означает, что стабилизируемый ток равен U₀/R₀. Cуммарный ток через стабилитрон и резистор R₀ задается источником тока на полевом транзисторе VT1, у которого затвор соединен с истоком. Выходное напряжение, равное U₀R_X/R₀, снимается с выхода ОУ, благодаря чему обеспечивается низкое выходное сопротивление ПСН. Изменение пределов измерения осуществляется с помощью сопротивления R₀.

Существенное снижение погрешностей, вызванных влиянием проводов соединительной линии при работе с удаленным датчиком, обеспечивает ПСН с четырехпроводной линией связи (рис. 12.18). Повторитель напряжения, выполненный на ОУ, поддерживает равным нулю напряжение на низкопотенциальном выводе резистора R_х. Благодаря этому исключается зависимость выходного напряжения ПСН от падения напряжения на проводе r₃ соединительной линии. Сопротивления проводов r₁, r₂, r₄ не сказываются на U_вых, поскольку они включены последовательно с большими сопротивлениями (выходное сопротивление источника тока и входные сопротивления ОУ и последующего усилителя).

Мостовые ПСН используют для работы с резистивными датчиками, в которых измеряемая величина преобразуется в неравновесие четырехплечего моста. Задачи, решаемые при построении мостовых ПСН, – это уменьшение погрешности от сопротивлений соединительных проводников и снижение требований к усилителям выходных сигналов датчиков.

Типичный пример построения мостового ПСН (рис. 12.19, а) использует шестипроводную линию связи и предполагает применение дифференциального усилителя с большими входными сопротивлениями для усиления выходного напряжения . Более совершенным является ПСН по схеме рис. 12.19,б. Здесь достаточно пятипроводной линии, а усилитель может быть недифференциальным. На верхнюю вершину моста a с помощью DA1 подано напряжение U₀. На нижней же вершине b с помощью DA2 поддерживается такое напряжение, при котором обеспечивается равенство нулю потенциала на левой вершине моста. А это равенство может быть достигнуто только при условии, что . Выходное напряжение в данном случае будет определяться выражением

Простой пример мостового ПСН показан на рис. 12.20. Резисторы R1 должны быть равными, а сопротивление R подбирается равным сопротивлению датчика (он включен в цепь обратной связи ОУ) при U_вых = 0. Выходное напряжение определяется суммарным воздействием источника напряжения U₀ со стороны неинвертирующего и инвертирующего входа операционного усилителя