CC BY
53
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.316.722
СХЕМЫ ПОДКЛЮЧЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ В ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ И СИСТЕМАХ
В.М. Артюшенко, Г. И. Пожидаев
Рассмотрены схемы подключения источников и приемников информационных сигналов, использующиеся в электротехнических комплексах; проведен анализ дифференциальных приемников двух типов: на основе изолированного источника питания и на основе схемы, определяющей разность потенциалов между двумя узлами электрической цепи.
Schemes of connecting receivers and transmitters of information signals are considered and analyzed. This schemes use to electrotechnical complexes. In this paper we perform analytical analysis of differential receivers. We analyze receivers of two types. First type of receiver base on a separate power source. Second type of receiver base on a scheme of determining a potential difference between two electrical circuit nodes.
Рассмотрим различные схемы подключения источников и приемников информационных сигналов, использующихся в электротехнических комплексах.
Источниками сигнала являются как источники напряжения, так и источники тока, которые могут быть заземленными или незаземленными. У заземленного источника сигнала один из выводов заземлен, а напряжение второго вывода измеряется относительно «земли». У незаземленных (плавающих) источников оба вывода не соединены с «землей». В этих случаях сигналом является разность потенциалов между выводами источника. Потенциал выводов источника относительно «земли» является паразитным (синфазная помеха) и не должен влиять на результат измерений.
Заземленный источник сигнала можно получить из плавающего источника, если один из его выводов заземлить. Однако обратную операцию выполнить достаточно сложно, поскольку сам принцип построения датчика или схемы преобразования измеряемой физической величины в напряжение часто не позволяет сделать это, поэтому, как правило, плавающие источники сигнала конструктивно и схемотехнически сложнее, чем заземленные.
Незаземленными источниками сигнала являются, например, источники сигнала с батарейным
питанием, термопары, пьезоэлектрические датчики, изолированные операционные усилители.
Приемник сигнала, например система сбора данных, может принимать (измерять) сигнал относительно «земли» или относительно второго входа. В первом случае приемник сигналов называется приемником с одиночным (недифференциальным) входом, во втором случае - дифференциальным приемником сигнала.
Дифференциальный приемник сигналов имеет три входа: два сигнальных и один общий («земля»). Схема дифференциального приемника сигнала, выполненного на операционном усилителе, приведена на рис. 1.
Рис. 1. Упрощенная схема дифференциального включения операционного усилителя
Как правило, операционный усилитель имеет два входа: неинвертирующий, обозначаемый буквой p (positive - положительный), и инвертирующий - обозначаемый буквой n (negative - отрицательный).
Найдем зависимость выходного напряжения от входных напряжений. Соотношение между входным напряжением U и напряжением Up, измеренным между неинвертирующим входом и общей шиной, определяется коэффициентом деления делителя на резисторах R3 и R4:
Up = U1 R4(R3 + R4)-1. Поскольку напряжение
между инвертирующим входом и общей шиной выражается формулой Un = Up, то ток I1 определится соотношением Ij = (U2 - Up )Rj 1. Вследствие свойства идеального операционного усилителя справедливо равенство I1 = 12 . Выходное напряжение усилителя в таком случае можно выразить в виде Uвых = Up - I1R2 . В результате после преобразований получим выражение
U,M = U [ + R,)R] [+Ri)R|]-1 - (1)
-urr-1.
При выполнении соотношения R1R4 = R2 R3
можно записать: U вых = (U1 - U 2)R2 R1 1.
В случае применения приемника с одиночным (недифференциальным) входом возможно использование инвертирующего и неинвертирующего включения операционного усилителя.
При инвертирующем включении неинвертирующий вход соединяется с общей шиной (рис. 2).
Рис. 2. Инвертирующее включение операционного усилителя
Таким образом, выходное напряжение усилителя в инвертирующем включении находится в противофазе по отношению к входному. Коэффициент усиления входного сигнала по напряжению
К = и выхи 2-1 =- R2 V
в зависимости от соотношения сопротивлений резисторов может быть как больше, так и меньше единицы.
Поскольку напряжение на неинвертирующем входе относительно общей шины равно нулю, то согласно свойству идеального операционного усилителя, входной ток схемы можно выразить равенством II = и 2 Rl 1. Следовательно, входное сопротивление схемы Rвх = Rl. Так как напряжение на неинвертирующем входе усилителя равно нулю, а, согласно свойству идеального операционного усилителя, разность потенциалов между его входами равна нулю, то инвертирующий вход в этой схеме иногда называют виртуальным (т.е. воображаемым) нулем.
При неинвертирующем включении входной сигнал подается на неинвертирующий вход, а на инвертирующий вход через делитель на резисторах Rl и R2 поступает сигнал с выхода усилителя (рис. 3).
Рис. 3. Неинвертирующее включение операционного усилителя
Приняв в (1) и2 = 0, R3 = 0, а R4 бесконечно великим,получим
К = и выхи-1 = 1 + R2 Rf1.
Как видно, здесь выходной сигнал синфазен входному. Коэффициент усиления по напряжению не может быть меньше единицы. В предельном случае, если выход операционного усилителя накоротко соединен с инвертирующим входом, этот коэффициент равен единице. Такие схемы называют неинвертирующими повторителями и изготавливают серийно в виде отдельных интегральных микросхем, содержащих по несколько усилителей в одном корпусе. Входное сопротивление этой схемы в идеале бесконечно.
Дифференциальные приемники, могут быть двух типов: построенные на основе изолирован-
ного (плавающего) источника питания или на основе схемы, позволяющей определить разность потенциалов между двумя узлами электрической цепи (дифференциальный сигнал). Примерами приемников первого типа являются тестеры, система сбора данных с компьютером типа «ноутбук» или малогабаритный осциллограф с автономным питанием. Примерами приемников второго типа являются схемы, построенные на базе инструментального дифференциального усилителя с большим коэффициентом подавления синфазного сигнала.
Неидеальность дифференциальных приемников заключается в том, что наряду с дифференциальным сигналом на выход приемника попадает и ослабленный синфазный сигнал. Коэффициент передачи синфазного сигнала меньше, чем дифференциального, в некоторое число раз, которое называется коэффициентом ослабления синфазного сигнала КОСС.
Значение Косс зависит от частоты. Наибольший интерес для систем промышленной автоматизации представляет коэффициент подавления синфазного сигнала с частотой 50 Гц, который появляется как электромагнитная наводка от электрической сети 220/380 В.
В простейшем случае в качестве инструментального дифференциального усилителя может быть использован операционный усилитель в дифференциальном включении (см. рис. 1).
При выполнении условия
^2 -1 = R3 R4 -1 Rl усиление дифференциального сигнала намного больше усиления синфазного сигнала и Косс будет максимальным.
Дифференциальный коэффициент усиления при выполнении указанного выше условия можно записать в виде
К = и1М (и - и2)-1 = Rя;' (1+(Я-'К? )-1.
Коэффициент усиления синфазного сигнала Ксф1, обусловленный рассогласованием резисторов, выражается формулой
К сф1 = (RlR4 - R2 Rз)[Rl(R 3 +R4)]-1. (2)
Коэффициент усиления синфазного сигнала, обусловленный конечным значением КОСС операционного усилителя, определяется выражением
Ксф2 = R2 [R1KOCC ] . (3)
Заметим, что в выражении (3) К осс выражается отношением, а не в децибелах.
Коэффициент ослабления синфазного сигнала всей схемы можно выразить формулой
КОСС = Кд (Ксф1 + Ксф2 ) - 1. (4)
Дифференциальное входное сопротивление определяется выражением
Rвх. д = ^ + R3 .
Поскольку Ксф1 может принимать отрицательные значения и зависит от сопротивлений резисторов схемы, то подстройкой резистора Яз можно добиться любого сколь угодно большого значение Косс в соответствии с выражением (4).
Улучшить характеристики рассмотренной схемы можно, включив между источником сигнала и каждым из входов неинвертирующий повторитель. Эти повторители будут служить буферами, в результате чего входное сопротивление измерительного усилителя повысится, а влияние выходного сопротивления источников сигнала на дифференциальный коэффициент усиления и Косс практически будет устранено. Недостатком такого решения является то, что здесь потребуется большой Косс и в повторителях, и в выходном операционном усилителе.
Лучшими характеристиками обладает схема, приведенная на рис. 4, и схема принятая в качестве стандартной схемы измерительного усилителя [1 - 3].
Рис. 4. Схема измерительного усилителя на трех операционных усилителях
Как видно из представленной схемы, напряжение на резисторе составляет величину
и - и 2.
Отсюда следует, что
и\ -и'2 = [1 + (Я2 + Яз )Яі-1] (и 1 - и2).
Эта разность преобразуется дифференциальным усилителем на ОУ3 (рис. 4) в напряжение
ивых относительно земли. Обычно выбирается, что = Яз и Я4 = Я5 = Яб = Я7. В таком случае дифференциальный коэффициент усиления выражается формулой Кд = 1 + 2Я2 Я1_1.
Коэффициент усиления синфазного сигнала (из-за разбаланса резисторов) можно записать в виде
КСф1 = (Я7Я4 - Я5Я6)[Я4(Яб + Я7)]-1.
Коэффициент усиления синфазного сигнала (из-за конечного значения К ОСС ОУЗ) будет:
V' — I/—1
Ксф2 - КОСС ОУЗ .
Общий коэффициент Косс измерительного усилителя определяется соотношением (4).
Предположим, что используется два усилителя с одиночным входом, например, два канала из многоканальной платы ввода с одиночными входами, и необходимо выделить дифференциальный сигнал путем вычитания двух напряжений £/1 и и2. Данная ситуация схематично изображена на рис. 5 [4].
Рис. 5. Схема вычитания сигналов с помощью двух одиночных приемников
Для этой схемы можно записать следующее выражение: ивых = Кд£1 -Кд2и2. В идеальном
случае, когда Кд1 = Кд2 = Кд , действительно получим дифференциальный приемник сигнала, для которого и вых = Кд (и1 - и 2). Однако на самом
деле коэффициенты усиления приемников отличаются от идеального значения на величину относительной погрешности с:
С1 = (Е а1 - Е а) Е
УЧ УЧ , (5)
С2 = (Е, - Е,2)Е-1.
Эта погрешность включает в себя инструментальную погрешность приемников, напряжение смещения нуля и шумы электронных приборов.
Примем, что погрешности (С1 , С 2) равны между собой, но противоположны по знаку и обе равны с по абсолютной величине.
Перепишем выражения (5) в виде
Кд1 = (1 + о)Кд ,
Кд1 = (1 - о)Кд .
Подставляя эти значения в выражение для определения ивых, получим:
и вых = К д (и - и 2) + 2сК д£ с.
Здесь ис = 0,5(и1 + и2) - величина синфазного сигнала (по определению).
Следовательно, относительная погрешность приведенной к выходу усилителя измеряемой величины Кд (и1 - и2), обусловленная влиянием синфазного сигнала, будет определяться выражением с с = 2сис(и1 - и2)-1 .
Таким образом, в схеме на рис. 5 сумма погрешностей усилителей с одиночным входом (2с) умножается на отношение величины синфазного сигнала к дифференциальному.
Во всех случаях, когда измеряется разность двух напряжений, нужно усиливать потенциал и 1, измеренный относительно и2 , а не относительно
«земли». Эта идея положена в основу построения большинства прецизионных усилителей с дифференциальным входом.
ЛИТЕРАТУРА
1. Анисимов В.И., Капитонов М.В., Прокопенко Н.Н., Соколов Ю.М. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов. - Л., 1979.
2. Полонников Д.Е. Операционные усилители. Принципы построения, теория, схемотехника. - М., 1983.
3. Матавкин В. В. Быстродействующие операционные усилители. - М.: Радио и связь, 1989.
4. Денисенко В.В., Халявко А.Н., Защита от помех датчиков и соединительных проводов систем промышленной автоматизации. - Современные технологии автоматизации, 2001, №1, с. 68 - 75.
Дата поступления: 01.11.2005
