Усиление маломощного измерительного сигнала

Лекция 6 Усиление маломощного измерительного сигнала Усиление измерительного сигнала является важнейшим этапом его обработки и передачи на последующие функциональные устройства системы автоматизации. Эту функцию выполняет усилитель - устройство, предназначенное для увеличения мощности входного сигнала при сохранении его частоты и формы. На рис.21 представлена структурная схема однокаскадного усилителя. ЛС УЭ ЛС ИС ИПи С Н Рис.21 Источник сигнала (ИС) посредством линии связи (ЛС) воздействует на вход усилительного элемента (УЭ), подавая сигнал с входной мощностью Рвх. УЭ выполняет преобразование энергии источника питания (ИП) в энергию выходного сигнала. Сам УЭ потребляет от источника питания мощность P0 (потребляемая мощность) и передает в нагрузку (Н) некоторую выходную мощность Pвых (иначе мощность нагрузки Pн ). В общем случае всегда выполняется неравенство: P0 Pн Pвх. Для любых аналоговых сигналов, подлежащих усилению должны обеспечиваться: - линейность (точность усиления сигнала); - динамический диапазон сигнала (разница между максимальным и минимальным значениями); - нагрузочная способность (какой сигнал усилитель может выдать в нагрузку в рабочем режиме), - амплитудно-частотная характеристика (диапазон рабочих частот) и ее неравномерность. Функциональная схема усилителя представлена на рис. 22. Rг Rвых Iвх + + Ег Источник сигнала Uвх - + Iвых + Евых Uвых Rвх - Усилитель Rн Приёмник сигнала ИПиС Рис.22 По соотношению между внутренним сопротивлением источника сигнала Rг, сопротивлением нагрузки Rн , входным сопротивлением Rвх и выходным сопротивлением Rвых для усилителей разных типов должны соблюдаться соотношения: 1. Для усилителя напряжения (Rг << Rвх ; Rвых<< Rн ); 2. Усилителя тока (Rг >> Rвх , Rвых >> Rн ); 3. Усилителя мощности (Rг ≈ Rвх , Rвых ≈ Rн ). Классификация по данному признаку весьма условная, поскольку один и тот же усилитель по входу может быть одного типа, а по выходу – другого. Основные соотношения усилителя по входу/выходу следующие: 𝑅 2 2⁄ 𝑈вх = 𝐸г ∙ вх⁄(𝑅 + 𝑅 ) = 𝐼вх 𝑅вх ; 𝑃вх = 𝑈вх 𝐼вх = 𝐼вх 𝑅вх = 𝑈вх 𝑅вх . г вх 2 2 ⁄ 𝑈вых = 𝐼вых ∙ 𝑅н ; Рн = 𝑈вых 𝐼вых = 𝐼вых 𝑅н = 𝑈вых 𝑅н . Коэффициенты усиления сигнала по напряжению, току и мощности соответственно равны: - по напряжению: 𝑈 𝐾𝑈 = вых⁄𝑈 ; 𝐾𝑈 = 20𝑙𝑔𝐾𝑈 , дБ; вх - по току. Усилители постоянного тока усиливают сигналы в полосе пропускания от нижней частоты Fн = 0 до верхней частоты Fв. При этом во всём диапазоне частот усиливается только постоянная составляющая Fн = 0. Усилители переменного тока, в свою очередь, усиливают сигналы из диапазона частот от Fн > 0 до Fв. При этом постоянная составляющая не усиливается (во входной цепи стоит конденсатор). В рабочем диапазоне частот переменного тока учитываются только модули максимальных значений тока : |𝐼| 𝐼 𝐾𝐼 ̅ = вых⁄𝐼 ; 𝐾𝐼̃ = вых⁄|𝐼| ; 𝐾𝐼 = 20𝑙𝑔𝐾𝐼 , дБ; вх вх - по мощности: 𝐾Р = РН Р ⁄Р = вых⁄Р > 1; вх вх 𝐾Р = 10𝑙𝑔𝐾Р , дБ. Для усиления измерительных сигналов в системах автоматизации применяется специальный усилитель – измерительный усилитель или, иначе, инструментальный усилитель (от англ. Instrumentation Amplifier). Такой усилитель обеспечивает точную передачу электрического сигнала в заданном масштабе, а также используются как усилитель мощности сигнала. Чувствительность этого усилителя по току измерительного сигнала достигает значений 10−15 А; по напряжению — порядка 2…5 микровольт, а усиление мощности на выходе достигает 4…6 Вт. Основным достоинством измерительного усилителя является возможность регулировки коэффициента усиления посредством одного переменного резистора. Следует заметить, что данный резистор может быть управляемым программно, т.е., коэффициент усиления может изменяться посредством, например, ЦАП. Принцип работы инструментального усилителя рассмотрим на примере схемы, реализованной на отдельных операционных усилителях и представленной на рис.23: Uвх1 R2 DA1 R3 R1 DA3 RG Uвых R1 R2 Uвх2 R3 DA2 Рис.23 Как видно, схема включает три операционных усилителя, два первых (DA1 и DA2) включены по инвертирующей схеме, а третий - (DA3) по дифференциальной. Последовательно соединённые резисторы R1-RG-R1 являются делителем напряжения, в котором переменный резистор RG регулирует коэффициент усиления. Если напряжения Uвх1 и Uвх2 равны, то напряжения на выходах резистора RG будут определяться положением движка резистора. Коэффициенты усиления DA1 и DA2, определяемые резисторами цепей R1 и «частями» RG позволят создать соответствующие напряжения на выходах этих усилителей. Эти сигналы напряжений, в свою очередь, поступают на входы дифференциального усилителя DA3. На выходе DA3 в результате измерений получается сигнал равный 𝑅 2𝑅 𝑈вых = (𝑈вх2 − 𝑈вх1 ) [1 + ( 1⁄𝑅 ) ( 3⁄𝑅 )]. 𝐺 2 В практике проектирования систем автоматизации применят готовые ИМС, у которых «все это уже есть внутри» за исключением резистора RV. Примером такого измерительного (инструментального) усилителя может служить AD8221 (рис. 24): Рис.24 Установка коэффициента усиления данного измерительного усилителя выполнятся одним внешним резистором RG, подключаемым к выводам 2 и 3. По паспортным данным диапазон коэффициентов усиления составляет от 1 до 1000. Подключение резистора RG устанавливает усиление AD8221, которое может быть вычислено при помощи уравнения усиления или на основе табличных данных при использовании резисторов с погрешностью 1%. (табл.): 1% стандартное значение RG 49,9 кОм 12,4 5,49 2,61 1,00 499 Ом 249 100 49,9 Коэффициент усиления 1,990 4,984 9,998 19,93 50,40 100,0 199,4 495,0 991,0 Пусть, необходимо обеспечить усиление сигнала в 5 раз. Для этого выберем чип-резистор 0603, 1% для поверхностного монтажа SMD номиналом 12 кОм. Выходной сигнал представляет собой разность между выходным напряжением 𝑈вых и напряжением опорного вывода REF. Выборка/хранение сигнала Устройства выборки/хранения (УВХ) применяют в системах автоматизации с целью быстрого запоминания информации для того, чтобы в период между циклами измерений успеть преобразовать данные и передать их на вход другого функционального устройства. Один из вариантов структуры УВХ и принцип действия, а также временная диаграмма работы иллюстрируются рис. 25. U вх ЭК 1 2 DA1 t ЭК DA2 tc txp Uвых Uвх t Uвых U(tс) t Схр 1 2 1 2 1 Рис.25 Схема УВХ включает два неинвертирующих операционных усилителя, которые имеют ООС с К=1, т.е. это повторители или, иначе преобразователи сопротивлений, которые в идеальном варианте операционного усилителя имеют 𝑅вх → ∞ и 𝑅вых → 0. Входной повторитель DA1 работает на ёмкостную нагрузку СХР. Поэтому для его построения используются операционные усилители, обладающие стабильностью при единичном коэффициенте усиления и возможностью ёмкостной нагрузки. Когда электронный ключ (ЭК) под действием сигнала U(tс) - строб-импульса находится в положении 1, то в течение времени 𝜏з = 𝑅вых Схр ∙ 0,2𝑡𝑐 происходит заряд высококачественного конденсатора СХР до значения напряжения сигнала Uвх(𝜏з ). Таким образом, конденсатор СХР играет роль аналогового запоминающего элемента. После этого УВХ переходит в режим «хранения» потенциала заряда конденсатора СХР соответствующего напряжению Uвх(𝜏з ) в течении времени 0,8𝑡𝑐 . За время хранения не допускается падение потенциала заряда конденсатора за пределы погрешности выборки (отсчёта) сигнала 𝜀в (𝑈вх ) ≤ (0,1. . . 1,5)%. ЭК находясь в положении 2 позволяет конденсатору СХР разрядиться во внешнюю цепь. Конденсатор будет заряжаться тем быстрее, чем большим будет ток его заряда. Для того, чтобы этот ток не ограничивался выходным сопротивлением, устанавливают второй повторитель DA2. В данном случае используется то свойство, что повторитель имеет низкое выходное сопротивление. В УВХ применяют конденсаторы с минимальными диэлектрическими потерями, поскольку эти потери являются одним из основных источников погрешностей. Лучше всего выбирать конденсаторы с диэлектриком из полипропилена, полистирола и тефлона. Слюдяные и поликарбонатные конденсаторы имеют уже весьма посредственные характеристики. И совсем не следует использовать керамические конденсаторы. УВХ оценивается точностными и динамическими характеристиками. К точностным характеристикам УВХ относятся: - напряжение смещения нуля Uсм, практически определяемое значением смещения нуля первого операционного усидителя DA1; - дрейф фиксируемого напряжения при заданной емкости CХР ∆𝑈вых /∆𝑡 = 𝐼𝑝 /Схр где Iр - ток разряда конденсатора, который складывается из токов утечки конденсатора и ЭК, а также из входного тока усилителя DA2 . При заданном токе утечки величину дрейфа можно уменьшить путем увеличения емкости конденсатора СХР, но при этом ухудшаются динамические характеристики схемы. К динамичесиме характеристикам относятся: - время выборки tв=tс, которое определяет, как долго при самых неблагоприятных условиях проведения измерений длится процесс заряда конденсатора С до величины входного напряжения с заданным уровнем погрешности выборки. Это время пропорционально ёмкости СХР. Перевод УВХ в режим хранения до окончания интервала выборки чреват значительными ошибками. - апертурная задержка tа. Это интервал времени между моментом снятия управляющего напряжения U(tс) с ЭК и фактическим «запиранием» ЭК или последовательного коммутатора для многоканальных систем автоматизированных систем. Промышленностью выпускаются УВХ в интегральном исполнении. На рис. 26 в качестве примера представлена ИМС КР1100СК2 – аналог импортной ИМС LF398. Рис. 26 Назначение выводов данной ИМС следующее: - Вх - вход аналогового сигнала; - Вых - выход аналогового сигнала; - Упр - входы логических управляющих сигналов; - Схр - вывод подключения конденсатора хранения; - Пор - вход для установки порога переключения управляющего сигнала; - VDD - положительное питающее напряжение; - VSS - отрицательное питающее напряжение; - GND – общий. В таблице приведены основные характеристики некоторых типов УВХ. Таблица Время Uсм, Дрейф Апертурная Iпотр, Тип УВХ выборки Uпит,В Примечания мВ В/с задержка, нс мА мкс 1100СК2 5 0,21 0,41,2 100 +/-15 4,5 SHC5320 1,5 0,51 1,51,3 25 +/-15 - АD9101 10 180004 7 нс 0,25 +5; 5,2 70 АD781 3 0,014 0,63 35 +/-12 4 АD684 4 14 13 35 +/-12 25 Промышленный стандарт Сверхбыстродействующее УВХ Счетверенное Примечания: 1. - Схр =1000 пФ; 2. - до точности 0,1%; 3. - до точности 0,01%; 4. - встроенный конденсатор хранения В заключение следует отметить, что на практике кроме практически одномоментного снятия информации с различных датчиков, УВХ используются также для устранения динамических погрешностей в работе АЦП, устранения высокочастотных выбросов в выходном сигнале ЦАП при смене кода и ряде других приложений.