Измерительный усилитель

 

Изобретение относится к измерительным устройствам, а именно к дифференциальным усилителям с регулируемым коэффициентом усиления. Цель изобретения - повышение точности коэффициента передачи при больших синфазных сигналах Цель достигается за счет введения первого, второго, третьего и четвертого диодов 11 12, 13, и 14, а также первого и второго повторителей напряжения 15 и 16. 1 ил

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 03 F 3/45

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

17

g1 — Ю Р

С" — /2

1 ! .а (21) 4921444/09 (22) 31.01.91 (46) 15.09.92. Бюл. N. 34 (71) Специальное конструкторское бюро по приборостроению и средствам автоматизации (72) Н.И."îðîâèí (56) У.Титце, К,Шенк "Полупроводниковая схемотехника", M,: Мир, 1983, с,466, рис, 25,3, . Ы,, 1762383 А1 (54) ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ (57) Изобретение относится к измерительным устройствам, а именно к дифференциальным усилителям с регулируемым коэффициентом усиления. Цель изобретения — повышение точности коэффициента передачи при больших синфазных сигналах.

Цель достигается за счет введения первого, второго, третьего и четвертого диодов 11.

12, 13, и 14, а также первого и второго повторителей напряжения 15 и 16. 1 ил. 4 (3л, Э (л)

00 (гд

1762383

B Овых = 0 2 Д R (2) 45

Изобретение относится к измерителb ным аналоговым устройствам, конкретно к дифференциальным усилителям с регулируемым коэффициентом усиления, и может быть использовано в приборостроении и измерительной технике, например, в качестве мостового усилителя.

Известен дифференциальный усилитель, называемый простейшим, выполненный на одном операционном усилителе и четырех резисторах. Одним из основных недостатков этого усилителя является низкая точность коэффициента передачи при больших синфазных сигналах, при этом относительная погрешность выходного сигнала в пересчете на один вольт синфазного сигнала при неблагоприятном разбросе сопротивлений резисторов равна

8Uaûõ =0.4 ДR (1)

К+1 где К вЂ” коэффициент усиления; д R — максимальная относительная погрешность сопротивления резисторов (наперед заданная величина), В наиболее неблагоприятном (для усилителя) случае (при К=1), часто применяемом на практике, относительная погрешность на один вольт синфазного сигнала в известном дифференциальном усилителе согласно выражения (1) составит

Наиболее близким по технической сущности к предложенному техническому решению является инструментальный измерительный усилитель, описанный практически в любом пособии по операционным усилителям, содержащий первый и второй операционные усилители, неинвертирующие входы которых являются первым и вторым входами измерительного усилителя соответственно, последовательно соединенные первый, второй и третий резисторы, при этом точка соединения первого вывода первого резистора и первого вывода второго резистора подключена к инвертирующему входу первого операционного усилителя, точка соединения второго вывода второго резистора и первого вывода третьего резистора — к инвертирующему входу второго операционного усилителя, а также третий операционный усилитель, выход которого является выходом измерительного усилителя и соединен через четвертый резистор с

его инвертирующим входом, инвертирующий и неинвертирующий входы соединены

40 с первыми выводами пятого и шестого резисторов соответственно между неинвертирующим входом и общей шиной включен седьмой резистор, Этот усилитель на выходе содержит рассмотренный выше простейший дифференциальный усилитель. И этом усилитель имеет низкую точность коэффициента перадачи при больших синфазных сигналах, так как в нем подавление синфазного сигнала осуществляется (как и в аналоге) включенным на выходе оконечным простейшим дифференциальным усилителем. Таким образом, и для инструментального измерительного усилителя справедливы вышеприведенные формулы (1), (2).

Наибольшая погрешность будет иметь место при больших синфазных сигналах (5 вольт и более), когда коэффициент К может быть принят большим единицы или в лучшем случае (при максимальном синфазном сигнале, равном 5 8) равным единице. Например, при максимальном синфазном сигнале, равном 9 В, коэффициент К не может быть принят менее 5 из условия получения выходного сигнала усилителя в целом максимальным и из условия обеспечения линейной работы предварительного парофазного каскада, B этом случае погрешность возрастает до величины 0,33 д R. Еще меньшая точность достигается в известном измерительном усилителе универсального применения. когда коэффициент К принимается равным единице, В этом случае при максимальном синфазном сигнале Ucmax максимальный выходной сигнал усилителя в целом раве

2(10 — Ucmax,). Выражение (1), выведенное для максимального равного 10 выходногс сигнала усилителя, для последнего случая будет иметь вид д Бвых. = д В 1О () (3) 1

1О - (.)с..х

ДЛЯ UCmax = 9 В ИЗМЕРИтЕЛЬНЫй УСИЛИтЕЛ универсального применения на основани формулы (3) будет иметь погрешность (на

В синфазного сигнала), равную д R. Пр д R = 0,1 Ucmax = 9 В полная погрешност измерительного усилителя универсальног< применения составит 0,9О,, что свидетель ствует о его низкой точности.

Целью изобретения является повыше ние точности коэффициента передачи пр больших синфазных сигналах, Это достигается тем, что в измери тельный усилитель, содержащий первый второй операционные усилители, неинвер

1762383

55 тирующие входы которых являются первым и вторым входами измерительного усилителя соответственно, последовательно соединенные первый, второй и третий резисторы, при этом точка соединения первого вывода первого резистора и первого вывода второго резистора подключена к инвертирующему входу nepaoro операционного усилителя, точка соединения второго вывода второго резистора и первого вывода и третьего резистора — к инвертирующему входу второго операционного усилителя, а также третий операционный усилитель, выход которого является выходом измерительного усилителя и через четвертый резистор соединен с его инвертирующим входом, инвертирующий и неинвертирующий входы — соединены с первыми выводами пятого и шестого резисторов соответственно, а между неинвертирующим входом и общей шиной включен седьмой резистор, введены первый и второй повторители напряжения, первый, второй, третий и четвертый диоды, при этом выход первого операционного усилителя соединен через первый прямосмещенный диод с его инвертирующим входом, а через обратносмещенный второй диод — со вторым выводом первого резистора и с входом первого повторителя напряжения, выход которого соединен со вторым выводом пятого резистора, выход второго операционного усилителя соединен через третий прямосмещенный диод с его инвертирующим входом, а через четвертый обратносмещенный диод — со вторым выводом третьего резистора и с входом второго повторителя напряжения, выход которого соединен со вторым выводом шестого резистора.

Изобретение иллюстрируется приведенным на чертеже примером.

Усилитель содержит первый — седьмой

1-7 резисторы. при этом второй резистор 2 является подстроечным, первый 8, второй 9, третий 10 операционные усилители, первый, второй, третий, четвертый диоды соответственно 11 — 14, первый 15 и второй 16 повторители напряжения. первый 17 и второй 18 входные выводы, выходной вывод 20.

Отсчет сигналов производится относительно общей шины 20, Первый 17 и второй 18 входные выводы соединены с неинвертирующими входами первого 8 и второго 9 операционных усилителей соответственно. На операционном усилителе 10 и резисторах

4 — 7 собран оконечный каскад усиления. представляющий собой простой дифференциальный усилитель. На операционном усилителе 8, резисторах 1, 2, диодах 11. 12 собран первый прецизионный однополупе5

50 риодный выпрямитель — усилитель, На операционном усилителе 9, резисторах 2, 3, диодах 13, 14 собран второй прецизионный однополупериодный выпрямитель-усилитель. Включение всех диодов может быть одновременно изменено на противоположное (в случае необходимости работы с синфазными сигналами преимущественно отрицательной полярности). Отметим, что резистор 2 входит как в первый, так и во второй прецизионные выпрямители, Для дальнейшего рассмотрения сопротивления того или иного резистора будем обозначать буквой R с индексом, соответствующим порядковому номеру этого резистора на чертеже, Например, сопротивление резистора 1 будет равно R1.

Усилитель работает следующим образом.

Для определенности принимают U1 >

U2. В этом случае выпрямитель на операционном усилителе 8 работает в режиме фиксации. Диод 11 открыт, на входе операционного усилителя 8 действуют одинаковые сигналы величиной U1 и на выходе сигнал величиной 01+Од, где Од — падение напряжения на диоде 11, Таким образом, напряжение U1 повторяется на инвертирующем входе операционного усилителя 8.

Это напряжение через резистор 1 подается (практически без ослабления) на вход первого повторителя напряжения 15, служащего для согласования сопротивлений резисторов, включенных на входе (резистор

1) и выходе (резистор 5) повторителя 15.

Второй выпрямитель (на операционном усилителе 9) работает в режиме выпрямления с одновременным усилением, при этом открытдиод 14. Усилениедифференциального сигнала (U1 — U2) происходит с коэффициенВз том — (— + 1), что аналогично для обычного

R2 неинвертирующего усилителя за исключением знака. Усиленное напряжение с общей точки резистора 3 и диода 14 поступает на вход второго повторителя напряжения 16, который в данном режиме работы является излишним. Он необходим при U2 > U1. Как было показано выше, коэффициент усиления выходного каскада целесообразно принять равным единице, что достигается следующими соотношениями между сопротивлениями резисторов;

R5= R4; R6= R7.

С учетом этого передаточная зависимость усилителя будет иметь вид:

U3 =-(01 - U2) (—.— + 1)

R3

R2 (4) 1762383 (5) Uc = 0,5(U1+ U2) На входах первой ступени усиления (парофазный каскад действует на синфазный сигнал величиной;

На выходе же первой ступени усиления (на выходе оконченого каскада) синфазный сигнал становится равным

Uc = 0,5(U1 + U2 -(U1 - U2) — ) =

R3

R2

= 0,5(01 - U2) - 0,5(U1 — U2) — ==

R3

R2

= Uc-0,5(U1 — U2)—

R3

R2 (6)

Анализ выражения (6) показывает, что синфазный сигнал на входе оконченого каскада

Uc меньше синфазного сигнала Uc на входе устройства в целом и при определенном соотношении величин может быть даже равен нулю. Это одна из причин повышения точности в предложенном измерительном усилителе. Однако, при U1=U2 упомянутого выше снижения синфазного сигнала не происходит. Основная же причина повышения точности в предложенном измерительном усилителе состоит в том, что в нем даже при больших синфазных сигналах от 5 до 10 В на входе оконченого каскада максимальное напряжение будет не менее 10 В. А это, в свою очередь позволяет использовать максимально выход устройства в целом, т.е. иметь Usbix, ax = 10 В и при этом можно пользоваться для расчета погрешности формулой (1), которая при К=1 превращается в выражение (2), Отсюда следует, что даже при Uc = 9 В погрешность предложенного усилителя .определяется равенством (2) и равна 0,2 д R. Погрешность же прототипа определяется равенством (3), а при заданныхусловиях, как показано выше, равнад R.

Таким образом, при синфазном сигнале 9 В п римен ение предложен ного измерител ьного усилителя позволяет повысить точность в

5 раз, а при Uc = 9,5 В даже в 10 раз, что нетрудно доказать. Повышение точности предложенного измерительного усилителя при больших синфазных сигналах есть не что иное, как повышение точности коэффициента передачи, С этим связан техникоэкономический эффект применения предложенного устройства. Конкретные

50 значения полученной зкономии определяются спецификой конкретных случаев применения, Приведенные вышетеоретическиесоотношения были подтверждены экспериментально, при этом предложенный измерительный усилитель показал надежную работу, Формула изобретения

Измерительный усилитель, содержащий первый и второй операционные усилители, неинвертирующие входы которых являются первым и вторым входами измерительного усилителя соответственно, последовательно соединенные первый, второй и третий резисторы, при этом точка соединения первого вывода первого резистора и первого вывода второго резистора подключена к инвертирующему входу первого операционного усилителя, точка соединения второго вывода второго резистора и первого вывода третьего резистора — к инвертирующему входу второго операционного усилителя, а также третий операционный усилитель, выход которого является выходом измерительного усилителя и через четвертый резистор соединен с его инвертирующим входом. инвертирующий и неинвертирующий входы соединены с первыми выводами пятого и шестого резисторов соответственно, а между неинвертирующим входом и общей шиной включен седьмой резистор, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности коэффициента передачи при больших синфазных сигналах, введены первый и второй повторители напряжения, первый, второй, третий и четвертый диоды, при этом выход первого операционного усилителя соединен через первый прямосмещенный диод с его инвертирующим входом, а через обратносмещенный второй диод — с вторым выводом первого резистора и с входом первого повторителя напряжения, выход которого соединен с вторым выводом четвертогс резистора, выход второго операционногс усилителя соединен через третий прямо. смещенный диод с его инвертирующим входом, а через четвертый обратносмещенный диод —. с вторым выводом третьего резистора и с входом второго повторителя напряжения, выход которого соединен с вторы выводом шестого резистора,