2. Типовые электронные схемы измерительных приборов

Активные элементы электроизмерительных схем представляют собой различные электронные схемы и устройства – усилители, преобразователи, со­гласующие устройства и т.п., в основе которых лежит использование полупроводниковых приборов - транзисторов, операционных усилителей, дио­дов и т.п. Среди электронных схем есть несколько, которые присутствуют прак­тически в каждом аналоговом или цифровом электронном измерительном при­боре. Применение этих схем помогает решать вопросы согласования входных и выходных сопротивлений различных частей измерительных систем, передачи сигнала на большие расстояния, выделения слабого сигнала на фоне шумов и помех и т.п. Рассмотрим несколько наиболее употребительных и важных из та­ких схем.

Ограничители напряжения.

В измерительных приборах ограничители напряжения устанавливаются на входе измерительной схемы с целью защиты элемен­тов радиоэлектронных схем и аналого-цифровых преобразователей от избыточ­ного напряжения входного сигнала. Превышение величины входного сигнала предельно допустимого для данного прибора уровня может возникать из-за нештатной работы датчика, интенсивных помех на линиях связи, статического электричества и т.п. В качестве ограничителей напряжения в измерительной технике обычно используют диодные ограничители, построенные на полупро­водниковых диодах или стабилитронах (Рис. 1.12). При особых требованиях к быстродей­ствию защиты используют так называемые лавинные диоды (диоды Шоттки).

Напряжение, при котором происхо­дит ограничение, определяется напря­же­нием питания U_пит , используемым в элек­тронной схеме, и делителем напря­жения, который состоит из резисторов R₁ и R₂ . Под­бором значений сопротивле­ния этих ре­зисторов всегда можно получить требуе­мое напряжение отсечки. Если сигнал биполярный, то исполь­зуют двусторонний ограничитель. В схеме, показанной на рис. 1.13., максимальный «размах» сигнала равен падению напряже­ния на диодах. Т.е. ограничение сигнала происходит на уровне при­мерно 0,6 В. Подобные схемы применяются, в частности, в случаях, когда ограничитель стоит перед каскадом с большим коэффициентом усиления.

Гальваническая развязка

Д иодные ограничители не могут полностью защитить микропроцессорный прибор от высокого напряжения в цепи датчика, подавить воздействие на измерительный прибор паразитных сигналов, возникающих в проводах линий связи. В самом микропроцессорном приборе импульсные сигналы в цифровых цепях могут воздействовать на прецизионную аналоговую электронику и наоборот - интенсивный сигнал в аналоговой цепи может влиять на работу цифровых устройств. Во избежании этого применяется гальваническая развязка, т.е. полная электрическая изоляция различных участков измерительной цепи.

Для взаимной изоляции различных участков измерительных цепей могут использоваться измерительные разделительные трансформаторы или емкостные элементы. В микропроцессорных приборах гальваническая развязка обычно выполняется через пару светоизлучающий светодиод – фотоприемник (фотодиод), между которыми находится прозрачный изолирующий материал. Такой элемент называется оптопарой или оптроном (рис.1.14) и используется для решения нескольких задач:

• Электрическая изоляция датчика от измерительного прибора, обеспечивающая защиту аналоговой электроники, АЦП и микропроцессора от высокого напряжения, снижение уровня шумов и помех,

• Полная электрическая развязка аналоговых и цифровых электрических цепей и устранение их взаимного влияния аналоговых и цифровых сигналов.

Оптроны, используемые для разделения датчика и измерительной (низковольтной) части измерительного прибора представляют собой небольшую микросхему, которая устанавливается в разрыв электрической цепи (Рис. ХХ). Для разделение цифровых и аналоговых цепей часто применяются оптопары, интегрированные с АЦП.

Эммитерные и истоковые повторители

Э миттерные и истоковые повторители играют очень важную роль в измерительных системах. Основное свойство этих электронных схем - очень высокое входное сопротивление и очень низкое выходное сопротивление. Поэтому использование повторителей для согласования входного и выходного сопротивлений различных каскадов измерительных схем, прежде всего входа измерительного прибора с датчиком, является стандартным схемотехническим приемом..

Минусом эммитерных повторителей (рис. 1.15а) является конечная величина тока ме­жду базой и эмиттером, что ограничивает их входное сопротивление на уровне порядке 100 кОм. Поэтому их применение ограничивается теми случаями, когда от входного каскада требуется передача достаточно большой мощности.

В истоковых повторителях (рис.1.15б) используются полевые транзисторы с изолированным затвором, для которых ток утечки затвора практически равен нулю (менее 1-10 пА). Соответственно, входное сопротивление истокового повторителя может быть чрезвычайно большим - более 1 ГОм. По этой причине истоковые повторители использу­ются в схемах подключения практически любых типов датчиков, а работа неколторых типов датчиков, например, емкостных или пьезоэлектрических, в принципе невозможна без использования истоковых повторителей

Операционные усилители.

В настоящее время в измерительных приборах схемы на транзисторах, в том числе и на полевых, используются только в специальных случая, когда необходимо достичь каких-либо экстремальных характеристик электронной схемы. Основное место в измерительной радиоэлектронике прочно заняли схемы на операционных усилителях. Операционный усилитель (ОУ) представляет собой интегральную микросхему с не­сколькими выводами (для измерительных ОУ обычно 5-8), в том числе два сигнальных – инвертирующий и неинвертирующий входы (рис. 1.16). Схемотехнически ОУ есть сложная электронная схема, которая выполнена на одном полупроводниковом кристалле, выполняет функции дифференциального усилителя постоянного тока и содержит более 10-100 транзисторов, диодов, сопротивлений, конденсаторов. Операционные усилители характеризуются очень большим коэффициентом усиления (10⁵ - 10⁷), боль­шим входным и малым выходным сопротивлениями (импедансом), возможностью изменения выходного сигнала почти в полном диапазоне напряжения пи­тания (обычно биполярного -15В - +15.В). Вследствие колоссального коэффициента усиления по напряжению (бо­лее 100 000) ОУ никогда не используются без обратной связи. При наличии петли обратной связи характеристики усилителя зависят только от характери­стик с хемы обратной связи.

Основные преимущества схем на операционных усилителях:

• Высокое входное сопротивление и малое выходное сопротивление

• Подавление синфазных помех (т.е. помех, одновременно поступающих на входы ОУ)

• Высокое быстродействие и малая постоянная времени

• Возможности программного управления

Недостатки операционных усилителей достаточно относительны и во многом исправляются соответствующими схемными решениями. К наиболее существенным можно отнести:

• Входной ток ОУ отличен от нуля (порядка 10^-8А), причем существует вход­ной ток сдвига, т.е. разность токов между входами ОУ.

• Диапазон синфазного сигнала ОУ ограничен, т.е. существенно меньше на­пряжения питания, что ограничивает и диапазон дифференциального сиг­нала

• Существует температурная зависимость характеристик ОУ, зависимость вы­ходного напряжения от тока нагрузки.

Конструкция любого операционного усилителя, охваченного петлей об­ратной связи, такова, что его поведение в любой схеме подчиняется двум ос­новным правилам:

• Напряжение на выходе операционного усилителя с обратной связью стре­мится к тому, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю.

• Входы операционного усилителя тока не потребляют. В реальности вход­ные токи операционных усилителей составляют не более 10-100 нА, что в большинстве случаев действительно позволяет пренебречь то­ками утечки.

Опираясь на эти принципы можно провести приближенный расчет любой схемы на базе операционного усилителя. Рассмотрим пример такого расчета применительно к схеме инвертирующего усилителя (Рис.1.14). Напряжения на обоих входах усилителя равны, следовательно на инвертирующем входе ОУ оно будет равно 0. Поскольку входы ОУ тока не потребляют, то через сопро­тивления R₁ и R₂ течет рав­ный ток I и падение напря­жения на них соответст­венно равны: U_вх = IR₁, U_вых = IR₂

Отсюда находится коэф­фициент передачи (коэффи­циент усиления) такого усилителя:

Величина входного сопро­тивления операционных усилителей зависит как от его собственных характеристик, так и от схемы подключения В измерительных схемах на входе обычно требуются схемы с высоким входным сопротивлением (порядка 1 МОм) и очень низким выходным (1-0,1 Ом). Величина входного сопротивления в пер­вую очередь зависит от токов утечки микросхемы ОУ, поэтому ис­пользуют специальные малошумящие операционные усилители, входные каскады которых изготовлены на базе полевых транзисторов с ничтожными токами утечки (на уровне 1 -10 пА).

Некоторые упрощенные типовые схемы на операционных усилителях, которые часто используются в приведены на рис. 1.16 – рис.1.19.

Повторитель на операционных усилителях (рис. 1.17а) не только полностью заменяет эммитерные или истоковые повторители, но предоставляет дополнительные возможности, как например, отслеживание постоянства коэффициента передачи переменного сигнала при изменении постоянной составляющей сигнала.

В цепи обратной связи ОУ течет очень маленький ток, следовательно и мощность, рассеваемая на сопротивлениях обратной связи также очень мала. Это позволяет легко управлять коэффициента усиления схемы путем введения в цепь обратной связи набора резисторов, подключение которых осуществляется через электронный коммутатор (рис. 1.17б), подключаемый непосредственно к портам ввода/вывода микропроцессора, входящего в состав измерительного прибора или платы ввода/вывода.

С игнал на выходе дифференциального усилителя (рис.1.18а) равен разности сигналов, поступающих на его инвертирующий и неинвертирующий входы. Отсюда следуют его основные применения:

• измерение малых переменных сигналов на фоне большой постоянной составляющей. Для этого на один вход ОУ подается измеряемый сигнал, а на второй вход - постоянное напряжение, максимально близкое к постоянной составляющей сигнала;

• снижение уровня шумов и помех, которые, при равенстве их величины в каждом из каналов, будут взаимно вычитаться и отсутствовать в результирующем сигнале на выходе.

Входное сопротивление схемы измерительный преобразователь тока в напряжение (рис. 1.18б) практически равно нулю. Поэтому эта схема на базе операционного усилителя является идеальным устройством для работы с источниками тока, прежде всего фотоприемными диодами.

Д ифференцирующий усилитель (рис. 1.19а) используется для разделения переменной и постоянной составляющих сигнала, частотной фильтрации, а также для выделения фронтов импульсных сигналов, что прежде всего применяется при синхронизации измерительных приборов. Амплитудно-частотная характеристика такого усилителя определяется постоянной времени RC цепи обратной связи. Сопротивление R₁, указанное на схеме, в принципе не обязательно, оно только дополнительно корректирует АЧХ усилителя.

Постоянная времени интегрирующего усилителя (рис. 1.19б) определяется величиной емкости С в цепи обратной связи и входным сопротивлением R₁. Интегрирующие усилители используются в качестве частотного фильтра и как интегратор, близкий к идеальному. Подобные схемы стоят на входе практически всех типов аналого-цифровых преобразователей.