Измерительный регулируемый усилитель
Изобретение относится к радиотехнике для аналогового преобразования сигналов в системах автоматики, приборах, датчиках, а также в преобразователях давления с резистивным тензочувствительным мостом. Технический результат заключается в повышении линейности зависимости коэффициента усиления усилителя от сопротивления регулируемого элемента, в частности потенциометра. В усилителе (У), содержащем операционные усилители (ОУ) (10, 11), резистивный делитель (РД) напряжения на резисторах (Р) (1-4), элемент (9) с регулируемым сопротивлением (потенциометр) и Р (5-8), для достижения первой поставленной цели вторые выводы элемента (9) и Р (6) соединены с инвертирующим входом ОУ (10), второй вывод Р (5) соединен с третьим отводом РД. Первый и третий отводы РД соединены через равные Р (7) и Р (8) соответственно с выводами второго дифференциального входа (низкоомного), на который может быть подан второй входной сигнал (нерегулируемый) от источника опорного напряжения для нерегулируемого смещения начального выходного сигнала У, что необходимо в преобразователях давления в стандартный токовый сигнал 4-20 мА. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к радиотехнике и может быть применено для аналогового преобразования сигналов в системах автоматики, приборах, датчиках, а также в преобразователях давления, использующих в качестве чувствительного элемента давления резистивный тензочувствительный мост.
Известен измерительный усилитель (Хоровиц П., Хилл У., Классический измерительный усилитель - "Искусство схемотехники", М., Мир, 1983 г., том 1, стр.451, рис.7, 19; Гутников B.C., Инструментальный усилитель - "Интегральная электроника в измерительных устройствах, Л., Энергоатомиздат, 1988 г., стр.30, рис.1.11б: Фолкенберри Л., Модифицированная схема измерительного усилителя с установкой коэффициента усиления - "Применения операционных усилителей и линейных ИС", М., Мир, 1985 г., стр.392, рис.11.25.) на трех операционных усилителях и семи резисторах, называемый в технической литературе классическим (также стандартным, универсальным). Между инвертирующими входами первого и второго операционного усилителя включен первый резистор, выход первого операционного усилителя соединен со своим инвертирующим входом через второй резистор, выход второго операционного усилителя соединен со своим инвертирующим входом через третий резистор, выходы первого и второго операционных усилителей соединены через четвертый и пятый резисторы со входами третьего операционного усилителя соответственно. Неинвертирующий вход третьего операционного усилителя соединен через шестой резистор с общей шиной или с опорным вводом, инвертирующий вход соединен через седьмой резистор с выходом третьего операционного усилителя, включенным параллельно выходу измерительного усилителя. При этом неинвертирующие входы первого и второго операционных усилителей являются симметричными входами, образующими в совокупности дифференциальный вход измерительного усилителя.
Недостатком измерительного усилителя на трех операционных усилителях является его сложность: наличие третьего операционного усилителя, функцией которого в сочетании с четвертым-седьмым резисторами является преобразование дифференциального выхода между выходами первого и второго операционных усилителей в однополюсный (несимметричный) выход.
Известен также регулируемый измерительный усилитель по а.с. СССР №1646046, содержащий первый и второй операционные усилители, неинвертирующие входы которых являются входами (дифференциальным входом) регулируемого измерительного усилителя, а выходы подключены к соответствующим входам выходного дифференциального усилителя, однополюсный выход которого является выходом устройства. Выход первого операционного усилителя соединен с первым выводом первого резистора, выход второго операционного усилителя соединен с первым выводом второго резистора, вторые выводы первого и второго резисторов соединены с выводами входной диагонали четырехплечего моста, собранного на потенциометре, третьем и четвертом резисторах, выводы выходной диагонали четырехплечего моста соединены с инвертирующими входами первого и второго операционных усилителей.
Недостатками регулируемого измерительного усилителя является сложность из-за наличия третьего операционного усилителя (что аналогично рассмотренному предыдущему аналогу) и нелинейность регулировочной зависимости коэффициента усиления особенно при приближении подвижного контакта потенциометра к среднему положению, когда коэффициент усиления резко возрастает (особая точка).
Известен измерительный усилитель (а.с. СССР №760406; Гутников B.C., Инструментальный усилитель - "Интегральная электроника в измерительных устройствах", Л., Энергоатомиздат, 1988 г., стр.30, рис.1, 11а), содержащий два операционных усилителя и подключенные параллельно выходу первого операционного усилителя выход устройства и резистивный делитель на четырех резисторах, между первым и третьим отводами которого, соединенными с инвертирующими входами соответственно первого и второго операционных усилителей, включен элемент с регулируемым сопротивлением. Выход второго операционного усилителя соединен со вторым отводом резистивного делителя, при этом неинвертирующие входы операционных усилителей являются симметричными входами (дифференциальным входом) измерительного усилителя.
Этот измерительный усилитель не обеспечивает получение линейной зависимости коэффициента усиления от сопротивления элемента с регулируемым сопротивлением (в частности резистора или потенциометра), при этом регулируемый член коэффициента усиления в рассматриваемом устройстве является обратно пропорциональным.
Наиболее близким к предлагаемому измерительному регулируемому усилителю является регулируемый усилитель по а.с. СССР №1681380, содержащий первый и второй операционные усилители, первый резистивный делитель напряжения на четырех резисторах, имеющий первый, второй и третий отводы и включенный (параллельно выходу устройства) между выходом первого операционного усилителя и общей шиной или опорным выводом, второй резистивный делитель из пятого и шестого резисторов, потенциометр, к первому и третьему отводам первого резистивного делителя подключены крайние выводы второго резистивного делителя и потенциометра, выход второго операционного усилителя соединен со вторым отводом первого резистивного делителя, отвод второго резистивного делителя и подвижной контакт потенциометра соединены соответственно с инвертирующими входами первого и второго операционных усилителей. Неинвертирующие входы операционных усилителей являются входами (дифференциальным входом) регулируемого усилителя.
В регулируемом усилителе по а.с. СССР №1681380 зависимость коэффициента усиления от относительного положения подвижного контакта потенциометра является также нелинейной и при положении подвижного контакта потенциометра вблизи средней точки коэффициент усиления резко возрастает (особая точка). Кроме того, в этом регулируемом усилителе, как и в ранее рассмотренных аналогах, отсутствует второй дифференциальный низкоомный вход, что значительно сужает функциональные возможности усилителя в целом.
Технической задачей предлагаемого измерительного регулируемого усилителя являются повышение линейности зависимости коэффициента усиления измерительного регулируемого усилителя от сопротивления регулируемого элемента, в частности потенциометра, и расширение его функциональных возможностей путем конструктивного получения второго дифференциального низкоомного входа, например, для смещения выходного сигнала от источника опорного напряжения.
Технический результат достигается тем, что в измерительном регулируемом усилителе, содержащем первый и второй операционные усилители, резистивный делитель напряжения на четырех резисторах, имеющий первый, второй и третий отводы и включенный (параллельно выходу устройства) между выходом первого операционного усилителя и общей шиной или опорным выводом, элемент с регулируемым сопротивлением (потенциометр с объединенными средним и одним из крайних выводов) и пятый резистор, соединенные первыми выводами с первым отводом резистивного делителя напряжения, шестой резистор, соединенный первым выводом с третьим отводом резистивного делителя напряжения и с инвертирующим входом второго операционного усилителя, выход которого соединен со вторым отводом резистивного делителя напряжения, при этом неинвертирующие входы первого и второго операционных усилителей являются первыми входами (первым дифференциальным входом) измерительного регулируемого усилителя, выход которого включен параллельно выходу первого операционного усилителя, для достижения первой поставленной цели вторые выводы элемента с регулируемым сопротивлением и шестого резистора соединены с инвертирующим входом первого операционного усилителя, второй вывод пятого резистора соединен с третьим отводом резистивного делителя напряжения. Для получения второго дифференциального низкоомного входа первый и третий отводы резистивного делителя соединены через равные седьмой и восьмой резисторы соответственно с выводами второго дифференциального входа (относительно низкоомного), на который может быть подан второй входной сигнал (нерегулируемый) от источника опорного напряжения для нерегулируемого смещения начального выходного сигнала измерительного регулируемого усилителя, что необходимо в преобразователях давления в стандартный токовый сигнал 4-20 мА.
На чертеже представлена принципиальная электрическая схема измерительного регулируемого усилителя.
Измерительный регулируемый усилитель (далее усилитель) содержит резисторы 1-8, элемент с регулируемым сопротивлением (потенциометр с объединенным выводом подвижного контакта с одним из крайних выводов) 9, первый и второй операционные усилители соответственно 10, 11, источник опорного напряжения 12, не входящий в состав усилителя, подключенный к его второму дифференциальному входу.
Резисторы 1-4 образуют резистивный делитель напряжения (далее резистивный делитель), выполненный с первым, вторым и третьим отводами (начиная сверху по чертежу).
Неинвертирующие входы операционных усилителей образуют в совокупности первый дифференциальный вход усилителя (высокоомный, регулируемый), вторые выводы резисторов 7, 8 образуют в совокупности второй дифференциальный вход усилителя (низкоомный, нерегулируемый). Выход первого операционного усилителя 10 является выходом усилителя (устройства) в целом. Выход второго операционного усилителя 11 соединен со вторым отводом резистивного делителя, инвертирующий вход второго операционного усилителя 11 соединен с третьим отводом резистивного делителя. Первые выводы элемента с регулируемым сопротивлением 9 и пятого резистора 5 соединены с первым отводом резистивного делителя. Первый вывод шестого резистора 6 соединен с третьим отводом резистивного делителя. Вторые выводы элемента с регулируемым сопротивлением и шестого резистора соединены с инвертирующим входом первого операционного усилителя 10. Второй вывод пятого резистора 5 соединен с третьим отводом резистивного делителя. Пятый резистор 5 служит для дискретной установки коэффициента усиления усилителя.
Первый и третий отводы резистивного делителя соединены через равные резисторы 7, 8 с выводами второго дифференциального входа усилителя. Крайний вывод резистора 4 резистивного делителя является опорным выводом усилителя и может быть соединен как непосредственно с общей шиной усилителя (типовой вариант, что показано на чертеже) так и через низкоомный источник напряжения, напряжение которого передается на выход усилителя с единичным коэффициентом.
На выводы первого дифференциального входа поступает напряжение U1, U2 (дифференциальное напряжение ΔU1=U1-U2). На выводы второго дифференциального входа поступает напряжение U3, U4 (дифференциальное напряжение ΔU2=U3-U4).
На однополюсном выходе усилителя присутствуют выходное напряжение U5.
Последовательная цепь из элемента с регулируемым сопротивлением 9 (далее элемент 9) и резистора 6 служит для плавной настройки коэффициента усиления, обычно в небольших пределах, например, не более 20% от минимального значения коэффициента усиления.
Для последующего рассмотрения принципа работы усилителя и вывода расчетных формул сопротивление резисторов 1-8 и элемента 9 обозначим буквой R с соответствующим цифровым индексом, например R1, R9.
Максимальное значение сопротивления элемента 9 равно R9, текущее αR9, где α есть отношение текущего сопротивления к максимальному (в случае потенциометра α является относительным положением подвижного контакта). Другие обозначения (токов и т.п.) приведем при выводе расчетных формул усилителя.
Для подавления синфазных сигналов на первом и втором дифференциальных входах должны быть выполнены следующие соотношения между сопротивлениями резисторов R1...R4, R7, R8:R1=R4; R2=R3; R7=R8. Лучшее подавление синфазного сигнала на первом входе обеспечивается при выполнении неравенства (R2=R3)<(R3=R4). Обозначим R2=R3=R, R1=R4=NR. В связи с упомянутым выше N>1.
При рассмотрении работы усилителя вместо приведенных на чертеже цифровых обозначений резисторов будем указывать буквенно-цифровые с соответствующим цифровым индексом. Работу усилителя рассмотрим последовательно для каждого входа с использованием принципа суперпозиции, который состоит в том, что источники сигнала на других нерассматриваемых входах закорачивают, например соединением входов с общей шиной усилителя.
В случае подачи опорного напряжения Uоп на крайний вывод резистора R4 оно усиливается последовательно двумя инвертирующими усилителями, первый из которых собран на операционном усилителе (далее ОУ) 11 и резисторах R4, R3, второй - на ОУ10 и резисторах R2, R1. При этом на выходе усилителя неинвертированное напряжение равно
С учетом приведенных ранее соотношений между резисторами R1-R4 получаем равный единице коэффициент передачи на выход опорного напряжения Uоп. Таким образом U5^^^=Uоп.
Со второго дифференциального входа усилителя на его выход напряжение проходит следующим образом. Сигнал напряжения U3 проходит на выход последовательно через два инвертирующих усилителя - (ОУ11, R8, R3), (ОУ10, R2, R1) и выделяется на выходе усилителя в виде положительной составляющей выходного напряжения. В связи с этим вход U3 является неинвертирующим.
Сигнал напряжения U4 проходит на выход через один инвертирующий усилитель - (ОУ11, R7, R1) и выделяется на выходе усилителя в виде отрицательной составляющей выходного напряжения. В связи с этим вход U4 является инвертирующим.
Усиление сигналов U3, U4 второго дифференциального входа можно выразить следующей формулой:
С учетом приведенных ранее соотношений между резисторами формула преобразуется к следующему более простому виду:
Из этого выражения следует, что коэффициент усиления напряжений на втором дифференциальном входе является нерегулируемым, так как не зависит от сопротивления элемента 9. Синфазный сигнал на втором входе подавляется.
При рассмотрении усиления сигналов U1, U2 первого (основного) дифференциального входа для исключения влияния резисторов R7, R8 с целью упрощения расчета будем считать второй выход отключенным от источника сигнала 12, т.е. разомкнутым, находящимся в режиме холостого хода.
Дифференциальный входной сигнал U1-U2 первого входа повторяется на резисторе R6, благодаря действию отрицательных обратных связей ОУ 10, 11. Через резистор R6 протекает ток, равный отношению дифференциального сигнала и сопротивления резистора R6. Этот ток не зависит от сопротивления αR9 элемента 9. Часть схемы между третьим и первым выводами резистивного делителя, в которой существенное функциональное значение имеет последовательная цепь из резистора R6 и элемента 9, работает аналогично неинвертирующему усилителю, коэффициент усиления которого равен отношению суммы сопротивлений резистора R6 и элемента 9 к сопротивлению резистора R6.
Напряжение между первым и третьим отводами резистивного делителя вызывает протекание тока через резистор R5, а также протекание дифференциальной составляющей тока через резисторы R3, R2. В узлах первого и третьего отводов резистивного делителя алгебраически суммируются токи соединенных с этими узлами цепей. Эти токи зависят как от синфазного, так и от дифференциального сигналов первого дифференциального входа усилителя. Результирующие токи узлов первого и третьего отводов резистивного делителя протекают через соответствующие резисторы R1, R4. Выходное напряжение усилителя равно алгебраической сумме падений напряжений на резисторах R1, R4, R5. Для вывода зависимости выходного напряжения U5^ от входного дифференциального сигнала (U1-U2) введем следующие обозначения:
I6 - ток через последовательную цепь из резисторов R6 и элемента 9 (направление тока к третьему отводу резистивного делителя);
I5, U50 - ток через резистор R5 и падение напряжения на нем (направление тока к третьему отводу резистивного делителя);
I1, U10 - ток через резистор R1 и падение напряжения на нем (направление тока от первого отвода резистивного делителя 1;
I2, U20 - ток через резистор R2 и падение напряжения на нем (направление тока к первому отводу резистивного делителя);
I3, U30 - ток через резистор R3 и падение напряжения на нем (направление тока к третьему отводу резистивного делителя);
I4, (U40=U2) - ток через резистор R4 и падение напряжения на нем (направление тока от третьего отвода резистивного делителя);
U11 - напряжение на выходе ОУ11 относительно общей шины.
Запишем систему уравнений
Путем подстановок из выражений (8-12) найдем:
После подстановки выражения (8а) в (7) с учетом соотношения между резисторами R2=R3 получим:
Подстановка выражения (7а) в (4) приводит к следующему результату:
Путем подстановки формул (2), (4а) в (1) с учетом соотношения между резисторами R1=R4 получим:
С учетом соотношения (6) выражение (1a) преобразуется к виду:
Подстановка формул (3), (5) в (13) и преобразование с учетом соотношений между резисторами и установленных выше значений сопротивлений резисторов приводит к следующему результату:
В формуле (14) отсутствует входной сигнал U1 отдельно от U2 и наоборот. Эти сигналы входят в формулу в виде дифференциального сигнала U1-U2. Это свидетельствует о подавлении синфазного сигнала в усилителе, присутствующего на его первом входе.
Полученная зависимость (14) свидетельствует о линейной зависимости коэффициента усиления усилителя от сопротивления элемента 9, что и требовалось доказать. Коэффициент усиления включает нерегулируемую часть (первая группа членов), равную минимальному значению коэффициента усиления и регулируемую часть (вторая группа членов), включающую относительное сопротивление α(0<α<1).
При работе усилителя с двумя дифференциальными входами формула (14) имеет тот же вид, но резистор R5 следует заменить его обобщенным выражением
равным сопротивлению параллельно соединенных резистора R5 и последовательной цепи из двух резисторов R7, R8. При этом синфазные сигналы как первого так и второго дифференциальных входов подавляются вследствие R7=R8.
Формула для усиления дифференциального сигнала (U3-U4) второго входа остается неизменной и при работе усилителя с двумя подключенными входами.
Результирующее выходное напряжение усилителя равно сумме соответствующих напряжений, определяемых вышеприведенными зависимостями.
U5=U5^=U5^^
Предложенный измерительный регулируемый усилитель экспериментально проверен на соответствие расчетных формул. Усилитель был собран на элементах: ОУ типа LM2904N, резисторы типа C2-36, потенциометр типа 3006Р.
Номинальные значения сопротивления резисторов рассчитаны из условия получения минимального коэффициента усиления 100 и относительной зоны его регулировки 13%.
Предложенный усилитель будет использован в преобразователе давления с подстраиваемым диапазоном (верхним пределом) измерения. Второй нерегулируемый дифференциальный вход усилителя необходим для установки начального выходного сигнала в исполнении преобразователя давления со стандартным выходным токовым сигналом 4-20 мА.
Технико-экономическая эффективность использования предложенного измерительного регулируемого усилителя обусловлены несколькими взаимосвязанными и взаимодополняющими факторами. Во-первых, линейность регулировки коэффициента усиления повышает точность установки коэффициента усиления, следовательно и точность измерения параметра, например давления, в измерительных приборах, датчиках и т.п. Во-вторых, при этом и при достаточно широких функциональных возможностях (два дифференциальных входа) усилитель имеет простое устройство из-за исключения одного операционного усилителя, что снижает габаритные размеры при реализации, цену, потребляемый ток и т.п. Измерительный регулируемый усилитель является изделием широкого применения и иметь высокие потребительские свойства. Как и некоторые из рассмотренных аналогов предложенный усилитель может быть выполнен в интегральном исполнении.
1. Измерительный регулируемый усилитель, содержащий первый и второй операционные усилители, резистивный делитель напряжения на четырех резисторах, имеющий первый, второй и третий отводы и включенный параллельно выходу устройства между выходом первого операционного усилителя и общей шиной усилителя или опорным выводом, элемент с регулируемым сопротивлением и пятый резистор, соединенные первыми выводами с первым отводом резистивного делителя напряжения, шестой резистор, соединенный первым выводом с третьим отводом резистивного делителя напряжения и с инвертирующим входом второго операционного усилителя, выход которого соединен со вторым отводом резистивного делителя напряжения, неинвертирующие входы первого и второго операционных усилителей являются первыми входами измерительного регулируемого усилителя, выход которого включен параллельно выходу первого операционного усилителя, отличающийся тем, что вторые выводы элемента с регулируемым сопротивлением и шестого резистора соединены с инвертирующим входом первого операционного усилителя, второй вывод пятого резистора соединен с третьим отводом резистивного делителя напряжения.
2. Измерительный регулируемый усилитель по п.1, отличающийся тем, что первый и третий отводы резистивного делителя соединены через равные седьмой и восьмой резисторы соответственно с выводами второго дифференциального входа.
