CC BY
226
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.385.06
Схемы подключения управляющего и измерительного оборудования в системах автоматизации и жизнеобеспечения зданий
В.М. Артюшенко, д.т.н., профессор Российского государственного университета туризма и сервиса
(РГУТиС), г. Москва, e-mail: [email protected]
В.А. Корчагин, аспирант РГУТиСа, e-mail: [email protected]
Рассмотрены и проанализированы проблемы, связанные со схемами подключения управляющего и измерительного электрооборудования, работающего в системах автоматизации жизнеобеспечения зданий.
Connecting schemes aspects of managing and measuring equipment in building automation system are shown.
Ключевые слова: электрооборудование, операционные усилители.
Key words: electrical equipment, operational amplifier.
Постановка задачи
Подключение управляющего и измерительного оборудования к системе автоматизации жизнеобеспечения зданий часто является очень непростым делом и порой выявляет неожиданные проблемы, поскольку их причины скрыты от проектировщика, и устранить их можно только в процессе эксперимента.
К проблеме помехозащищенности управляющего и измерительного оборудования системы автоматизации жизнеобеспечения зданий следует относиться с максимальным вниманием, поскольку неправильный выбор схемы подключения, разводки кабелей, заземления и экранирования этого оборудования могут свести на нет достоинства электронной части системы автоматизации жизнеобеспечения зданий. В то же время правильное подключение управляющего и измерительного оборудования к системе автоматизации жизнеобеспечения зданий позволяет в ряде случаев избавиться от описанных выше проблем и достичь хороших результатов с применением относительно недорогого оборудования.
Учитывая, что многие измерительные и управляющие схемы оборудования построены на базе операционных усилителей, анализ различных способов защиты начнем с рассмотрения электротехнических характеристик измерительных операционных усилителей.
Основные характеристики операционных усилителей
Операционные усилители представляют собой усилители постоянного тока с низкими значениями напряжения смещения нуля и входных токов и с высоким коэффициентом усиления [1- 3].
Как правило, операционный усилитель имеет два входа (рис. 1): неинвертирующий вход, обозначаемый буквой p (от англ. positive - положительный), и инвертирующий - обозначаемый буквой n (от англ. negative - отрицательный).
Выходное напряжение ивых находится в одной фазе с разностью входных напряжений:
ивых = Ul - U2 .
Для работы операционного усилителя как с положительными, так и с отрицательными
Рис. 1. Упрощенная схема операционного усилителя
входными сигналами используется двухполярное питающее напряжение, как правило, ±15 В.
Операционный усилитель почти всегда охвачен глубокой отрицательной обратной связью (рис. 2), свойства которой и определяют свойства всей схемы.
После достижения устойчивого состояния выходное напряжение будет определяться как ивых = ВД = Ки(ивх - вивых), где ид - дифференциальное входное напряжение; в - коэффициент передачи звена обратной связи.
Решив это уравнение относительно ивых, получим выражение для коэффициента усиления:
К = ивыхивх-1 = Ки(1 + вКи)-1.
При вКи >>1 коэффициент усиления составит К = р\
Из этого соотношения следует, что коэффициент усиления операционного усилителя с обратной связью определяется почти исключительно только обратной связью и мало зависит от параметров самого усилителя.
Для уяснения принципов действия схем на операционных усилителях и приближенного их анализа вводят понятие идеального операционного усилителя [1], который обладает следующими свойствами:
• бесконечно большой дифференциальный коэффициент усиления по напряжению:
Ки = АЦвых [А(Ц - Цг)]'1 (у реальных усилителей от 1 тыс. до 100 млн);
• нулевое напряжение смещения нуля исм, т.е. при равенстве входных напряжений выходное напряжение равно нулю (у реальных усилителей исм, приведенное ко входу, находится в пределах от 5 мкВ до 50 мВ);
• нулевые входные токи (у реальных усилителей от сотых долей пА до единиц мкА);
• нулевое выходное сопротивление (у реальных маломощных усилителей от десятков Ом до единиц кОм);
• коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю;
• мгновенный отклик на изменение входных сигналов (у реальных усилителей время установления выходного напряжения от единиц наносекунд до сотен микросекунд).
Для достаточной устойчивости и выполнения математических операций над сигналами с высокой точностью реальный операционный усилитель должен обладать высоким коэффициентом усиления по напряжению, в том числе и по постоянному, малым напряжением смещения нуля, малыми входными токами, высоким входным и низким выходным сопротивлением, высоким коэффициентом ослабления синфазной составляющей, а также амплитудно-частотной характеристикой с наклоном в области высоких частот -20дБ/дек.
Параметры операционных усилителей
Параметры, характеризующие качество работы операционного усилителя, можно разделить на три группы: точностные, динамические и эксплуатационные.
Точностные параметры. К этим параметрам относятся дифференциальный коэффициент усиления по напряжению Ки, коэффициент ослабления синфазного сигнала КОСС, напряжение смещения нуля исм, входной ток 1вх, разность входных токов по инвертирующему и неинвертирующему входам 1р, коэффициент влияния источников питания КвИП и коэффициенты температурных дрейфов перечисленных параметров. Действие точностных параметров проявляется в том, что при постоянных напряжениях на входах выходное напряжение операционного усилителя отличается от расчетного. Для сопоставления погрешности приводят ко входу операционного усилителя.
Определим погрешность операционного усилителя, вносимую конечным значением дифференциального коэффициента усиления.
Рис. 2. Схема, реализующая принцип отрицательной обратной связи
Пусть на вход неинвертирующего усилителя с коэффициентом передачи звена обратной связи Д подано постоянное напряжение ивх. Выходное напряжение схемы при бесконечно большом коэффициенте Kv определится соотношением:
^вых = ивхр -1. (1)
При конечном коэффициенте Ки выходное напряжение будет отличаться на величину Аивых: ивых+ А^вых = ивхКи( 1 + РКи)-1. (2)
После вычитания (1) из (2) получим:
А^вых = -ивх Д(1 + РКи)]-1.
Как следует из (1), соответствующее отклонение, приведенное ко входу, с точностью до величин второго порядка малости имеет вид Аивх = АивыхД откуда находим окончательно относительную погрешность, приведенную ко входу:
А^вх ивх-1 = - (1 + ДКи)-1* - ДКи)-\
Определим погрешность, обусловленную синфазным входным напряжением усилителя. Выходное напряжение усилителя является функцией как дифференциального ид = Up - Un, так и синфазного Uc = 0,5(Up + Un) входных напряжений
ивых Uвъlх( Uo) •
Приращение этого напряжение определяется соотношением
Аивых [^выхВДис = сош^Аид +
+ [^ ивых/ ^ Uc | ид = const] А ис , или
А^вых = КиАид + Кс Аис , (3)
где Кс - коэффициент усиления синфазного сигнала. При А ивых = 0 из (3) следует:
- Аис Аид-1 = Ки К- = Косс.
Коэффициент ослабления синфазного сигнала показывает, какое значение дифференциального входного напряжения АЦ, следует приложить ко входу усилителя, чтобы скомпенсировать усил е-ние входного синфазного сигнала.
Найдем погрешность, обусловленную смещением нуля усилителя. Смещение нуля операционного усилителя проявляется в наличии постоянного напряжения на выходе усилителя при отсутствии входного напряжения. Обычно определяют смещение нуля, приведенное ко входу, т.е. смещение выходного напряжения, умноженное на коэффициент передачи цепи обратной связи Д. Смещение нуля является результатом действия двух факторов: собственно напряжением смещения U™ и постоянными входными токами усилителя I вх и I "вх.
Величина U™ определяется в основном разбросом напряжений эмиттерно-базовых переходов входных транзисторов дифференциального каскада в усилителях на биполярных транзисторах или
напряжений затвор-исток в операционном усилителе с полевыми транзисторами на входах. Эта величина составляет 0,1 - 5 мВ для усилителей общего назначения с биполярными и 0,5 - 20 мВ с полевыми транзисторами на входе. Путем лазерной подгонки удается уменьшить смещение нуля до 10 мкВ у первого типа усилителей и до 100 мкВ у второго. Дальнейшее снижение смещения нуля достигается применением схем автоматической компенсации смещения нуля.
Постоянные входные токи, протекая по резисторам цепей обратной связи и источников сигналов, создают разность падений напряжения Ли. Например, в дифференциальной схеме включения (см. рис. 1) эта разность определяется выражением
Ли = I +вх(Дз||Д4) - I 'вх^да.
Введем обозначение I вх = 1вх + 0,51р; I "вх = 1вх -
- 0,5!р. Тогда
ли = ДхКЯзН^) - (Д1ЦД2)] + дазН^) + + (Я«]/2. (4)
Величину ^х называют в электротехнических характеристиках операционного усилителя входным током, а !р - разностью входных токов.
Анализ выражения (4) показывает, что составляющая Ли, вызванная входным током, может быть устранена правильным выбором соотношения резисторов. Составляющую Ли, обусловленную разностью входных токов, можно только уменьшить, выбирая номиналы резисторов по возможности минимальными.
На точность преобразования постоянного входного сигнала существенное влияние оказывают температурные дрейфы напряжения смещения ЛисмЛТ1 и входного тока ЫШЛГ1. Особенно существенное влияние может оказать дрейф прогрева, который проявляется при быстром изменении температуры в первое время после включения питания. При этом приращение исм может быть существенно больше значения, получаемого при медленном изменении температуры. Это явление связано с возникновением термического градиента внутри подложки микросхемы. Наибольшее влияние разницы температур проявляется в парных транзисторах дифференциального усилительного каскада, где она нарушает баланс дрейфов их эмиттерно-базовых напряжений. Длительность процесса установления температуры может достигать несколько десятков секунд.
Коэффициент влияния источников питания обычно определяют как приведенное ко входу операционного усилителя статическое (т.е. очень
медленное) изменение выходного напряжения Ливых, обусловленное изменением одного из источников питания на 1 В. Обычно имеет размерность децибел или мкВ/В. С ростом частоты пульсаций напряжения питания коэффициент влияния источников питания увеличивается, поэтому для ослабления паразитных каналов прохождения сигналов по цепям питания между выводами питания усилителя и общей точкой включают конденсаторы.
Динамические параметры. Параметры, характеризующие быстродействие операционных усилителей, можно разделить на параметры для малого и большого сигналов.
К первой группе динамических параметров относятся полоса пропускания /п, частота единичного усиления и время установления ^у. Эти параметры называются малосигнальными, так как они измеряются в линейном режиме работы каскадов операционного усилителя (Ливых < 1В).
Ко второй группе относятся скорость нарастания выходного напряжения V и мощностная полоса пропускания /р. Эти параметры измеряются при большом дифференциальном входном сигнале (более 50 мВ). Время установления отсчитывается от момента подачи на вход операционного усилителя ступеньки входного напряжения до момента, когда в последний раз станет справедливым равенство |ивых.уст - ивых(о! ^, где ивых.уст - устано-
вившееся значение выходного напряжения; 8 -допустимая ошибка.
Мощностная полоса пропускания операционного усилителя определяется по виду амплитудночастотной характеристики, снятой при максимально возможной амплитуде неискаженного выходного сигнала. Вначале на низких частотах устанавливают такую амплитуду сигнала от генератора гармонических колебаний, чтобы амплитуда выходного сигнала ивых тах немного не доходила до границ насыщения усилителя. Затем увеличивают частоту входного сигнала. Мощностная полоса пропускания /р соответствует значению ивых тах, равному 0,707 от первоначального значения. Величина мощностной полосы пропускания снижается при увеличении емкости корректирующего конденсатора.
Эксплуатационные параметры. Эти параметры операционного усилителя определяют допустимые режимы работы его входных и выходных цепей и требования к источникам питания, а также температурный диапазон работы усилителя.
Ограничения эксплуатационных параметров обусловлены конечными значениями пробивных напряжений и допустимыми токами через транзисторы операционного усилителя.
К основным эксплуатационным параметрам относятся следующие: номинальное значение питающего напряжения ип; допустимый диапазон питающих напряжений; ток, потребляемый от источника /пот; максимальный выходной ток /вых тах; максимальные значения выходного напряжения при номинальном питании; максимально допустимые значения синфазных и дифференциальных входных напряжений.
Схемы включения источников и приемников сигнала
Различные источники сигнала, например, датчики температуры, давления, влажности и др. могут быть заземленными или незаземленными.
У заземленного источника сигнала один из выводов заземлен и напряжение второго вывода измеряется относительно «земли». У незаземлен-ных источников (плавающих) 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.
Примерами незаземленных (плавающих) источников сигнала являются батарейки, источники сигнала с батарейным питанием, термопары, пьезоэлектрические датчики, изолированные операционные усилители.
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.
Источниками сигнала могут быть не только источники напряжения, но и источники тока. Источники тока также могут быть заземленными или плавающими. 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.
Схема дифференциального включения приемника сигнала, выполненного на операционном усилителе, была приведена на рис. 1.
Дифференциальный приемник сигнала измеряет разность потенциалов между двумя проводниками. Потенциалы отсчитываются относительно общего провода приемника (относительно «земли» приемника). Таким образом, дифференциальный приемник сигналов имеет три входа: два сигнальных и один общий («земля»).
Важно отметить, что, с точки зрения помех, «земля» источника и приемника сигнала имеет разные потенциалы, т.е. это фактически разные «земли».
Найдем зависимость выходного напряжения от входных напряжений. Вследствие свойства идеального операционного усилителя разность потенциалов между его р- и п-входами (см. рис. 2) равна нулю. Соотношение между входным напряжением и1 и напряжением ир между неинвертирующим входом и общей шиной определяется коэффициентом деления делителя на резисторах Я3 и Я4:
ир = №№ + Я4)-1. (5)
Поскольку напряжение между инвертирующим входом и общей шиной ип = ир, ток 11 определится соотношением
II = (и - ир)Д1-1. (6)
Вследствие свойства идеального операционного усилителя 11 = 12. Выходное напряжение усилителя в таком случае равно:
ивых = ир - 11-^2.
Подставив (5) и (6) в (7), получим: ивых = и [(*1 + Я2Я [(Яз + ад]-1 - иД2 ДГ1. (8)
При выполнении соотношения Я1Я4 = Я2Я3 выражение (8) примет вид
ивых = (и - ЦОЛ2Я1-1.
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. 3).
Таким образом, выходное напряжение усилителя при инвертирующем включении находится в противофазе по отношению к входному. Коэффициент усиления входного сигнала по напряжению этой схемы в зависимости от соотношения сопротивлений резисторов может быть как больше, так и меньше единицы: К = ивыхи2-1 = - Я2Я1-1.
Поскольку напряжение на неинвертирующем входе относительно общей шины равно нулю, то согласно свойству идеального операционного
(7)
Рис. 3. Инвертирующее включение операционного усилителя
усилителя, входной ток схемы 11 = и2Я1-1.
Следовательно, входное сопротивление схемы Явх = Я1. 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 Я1 и Я2 поступает сигнал с выхода усилителя (рис. 4).
Рис. 4. Неинвертирующее включение операционного усилителя
Приняв в (8), что и2 = 0, Я3 = 0, а Я4 бесконечно велико, получим:
К = ивыхиг1 = 1 + Я2Я1-1.
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 по нескольку усилителей в одном корпусе. Входное сопротивление этой схемы в идеале бесконечно.
Дифференциальные приемники
Дифференциальные приемники могут быть двух типов: построенные на основе изолированного (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 дифференциальных приемников 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. Этот коэффициент зависит от частоты. Наибольший интерес для систем промышленной автоматизации представляет коэффициент ослабления 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).
Если выполняется условие Я\Я21 = Я3Я4-1, то усиление дифференциального сигнала намного больше усиления синфазного сигнала и коэффициент ослабления синфазного сигнала КОСС будет максимальным.
При выполнении указанного выше условия будут справедливы следующие соотношения. Дифференциальный коэффициент усиления:
Кд =ивых(и! - Ц2)-1 = Я2Я1-1[1 + Я2Я1"1 Ки1]-1.
Коэффициент усиления синфазного сигнала, обусловленный рассогласованием резисторов:
Ксф1 = (Я1Я4 - Я2Яз)[Я1(Яз + Я4)]"1. (9)
Коэффициент усиления синфазного сигнала, обусловленный конечным значением КОСС операционного усилителя:
Ксф2 = Я2[Я1 Косс]-1. (10)
Коэффициент ослабления синфазного сигнала всей схемы:
Косс = Кд(Ксф1+ Кф)-1. (11)
Дифференциальное входное сопротивление:
Явх.д=Я1 + Я3.
Поскольку, как это следует из (9), Ксф1 может принимать отрицательные значения и зависит от сопротивлений резисторов схемы, подстройкой резистора Яз может быть достигнуто любое сколь угодно большое значение КОСС, в соответствии с выражением (11).
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 (рис. 5), которая используется в качестве стандартной схемы измерительного усилителя [3].
Как видно из представленной схемы, напряжение на резисторе Я1 составляет и1 - и2. Отсюда следует, что
- и2 = [1 + (Яг + яз)Я1-1]( и - Щ.
Эта разность преобразуется дифференциальным усилителем на ОУ3 в напряжение ивых относительно земли. Обычно выбирается Я2 = Яз и Я4 = Я5 = Я6 = Я7. В таком случае дифференциальный коэффициент усиления равен:
Рис. 5. Схема измерительного усилителя на трех операционных усилителях
Кд = 1 + 2Д2Д1'1.
Коэффициент усиления синфазного сигнала (из-за разбаланса резисторов) выражается формулой
Ксф1 = (К7К4 - К5Кб)[К4(Кб + Ку) ] 1.
Коэффициент усиления синфазного сигнала (из-за конечного значения КОСС ОУ3) определяется как
Ксф2 = К-' ОСС ОУ3.
Общий коэффициент КОСС измерительного усилителя определяется соотношением (11).
Следует отметить, что дифференциальный приемник не может быть получен с помощью двух одиночных приемников сигнала путем простого вычитания сигналов на их выходах.
Предположим, что используются два усилителя с одиночным входом, например, два канала из многоканальной платы ввода с одиночными входами, и надо выделить дифференциальный сигнал путем вычитания двух напряжений и1 и и2.
Описанная ситуация схематично изображена на рис. 6 [4]. Для этой схемы можно записать:
ивых = ВД - К^.
В идеальном случае, когда Кд1 = Кд2 = Кд , получим дифференциальный приемник сигнала ивых = Кд(и1 - и2). Однако на самом деле коэффициенты усиления приемников отличаются от идеального значения Кд на величину относительной погрешности сг[4]:
о! = К - Кд)Кд-1, 02 = (Кд - Кд2)Кд-\ (12)
Эта погрешность включает в себя инструментальную погрешность приемников, напряжение смещения нуля, шумы электронных приборов и т.д.
Примем по методу «наихудшего случая» (здесь это случай максимальной погрешности на выходе), что эти погрешности равны между собой, но противоположны по знаку и обе равны о по абсолютной величине.
Перепишем выражения (12) в следующем виде:
Кд1 = (1 + о)Кд, Кд2 = (1 - о)Кд.
Подставляя эти значения в выражение для определения ивых, получим:
ивых = Кд(^1 - и2) + 2оВД.
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 равна ос = 2оис(и1 - и2)-1.Таким образом, в схеме, изображенной на рис. 6, сумма погрешностей усилителей с одиночным входом (2 о) умножается на отношение величины синфазного сигнала к дифференциальному.
Рис. 6. Схема измерительного усилителя на трех операционных усилителях
При измерении сигналов термопар и других датчиков это отношение может достигать нескольких порядков. Поэтому погрешность измерения дифференциального сигнала таким методом будет также на несколько порядков больше.
Следует заметить, что во всех случаях, когда измеряется разность двух напряжений, нужно усиливать потенциал и1, измеренный относительно и2, а не относительно «земли». Эта идея положена в основу построения большинства прецизионных усилителей с дифференциальным входом.
Измерение напряжения заземленных источников
Рассмотрим, что происходит, когда напряжение заземленного источника сигнала е1 (рис. 7) измеряется с помощью заземленного приемника.
Поскольку «земли» источника и приемника сигнала пространственно разнесены, они имеют разный потенциал и обозначены на схеме по-разному. Разность потенциалов между ними равна ио.
По теореме об эквивалентном генераторе [5] эта разность потенциалов может быть представлена на схеме (рис. 7, а) источником напряжения ио = Яа1а, где Яа и 1а - соответственно сопротивление «земли» и ток через это сопротивление, причем напряжение, приложенное к входу приемника ипр, оказывается равным сумме напряжений источника сигнала и разности потенциалов между двумя «землями».
Таким образом, результат измерения, выполненного по описанной схеме, будет содержать погрешность величиной иа. Эта погрешность может находиться в допустимых пределах, если источник сигнала и приемник расположены недалеко друг от друга (например, предварительно усилено).
Рис. 7. Измерение напряжения заземленного источника: а - с большой разностью потенциалов между «землей» источника и приемника сигнала; б - с малой разностью потенциалов между «землей» источника и приемника сигнала
Ситуация может быть существенно улучшена, если провод «земля» источника и приемника сигнала соединить медным проводником с низким сопротивлением (рис. 7, б). Однако это не устраняет паразитное напряжение ио полностью, поскольку ток, возникающий вследствие разности потенциалов «земель», теперь будет течь по соединяющему их проводнику. Как правило, основным компонентом тока является помеха с частотой 50 Гц, но большое значение имеет и электродвижущая сила (ЭДС), наведенная высокочастотными электромагнитными полями. В этом случае значительную роль играет индуктивность проводника и устранить ее без применения дифференциального приемника практически невозможно.
Схема, обеспечивающая наибольшую точность измерения сигнала заземленного источника, показана на рис. 8.
Она содержит дифференциальный приемник, который ослабляет синфазное напряжение помехи ио в КОСС раз.
В представленной схеме нельзя соединять один из входов с «землей» приемника, поскольку при этом фактически получается схема с одиночным входом со всеми недостатками.
Измерение напряжения незаземленных источников
Напряжение незаземленных (плавающих) источников сигнала может быть достаточно точно измерено приемником как с одиночным, так и с дифференциальным входом. Однако при использовании дифференциального входа нужно следить за тем, чтобы величина синфазного сигнала не вышла за границы диапазона работоспособности приемника.
Сопротивление между любым из дифференциальных входов и «землей» очень велико, поэтому даже маленький ток помехи может создать на нем падение напряжения более 10 В, что переведет приемник сигнала в режим насыщения. Ток помехи в этом случае может состоять из входных токов смещения самого дифференциального приемника и тока паразитной емкостной связи с источником помехи. Для уменьшения этого эффекта входы дифференциального приемника можно соединить с «землей» через резисторы (рис. 9) [6].
Если внутреннее сопротивление источника сигнала велико, то резисторы выбирают с одинаковым сопротивлением К1 = К2. При низком сопротивлении источника, например, у термопар, разница сопротивлений не играет роли, и можно использовать одно из них вместо двух. Если источник сигнала соединен с приемником через развязывающие конденсаторы, то величины резисторов должны быть строго одинаковы. В измерениях с высокой точностью эти резисторы улучшают симметрию дифференциальной пары проводов и улучшают эффект компенсации синфазной помехи. Сопротивление резисторов выбирается как можно меньшим, чтобы снизить величину синфазного сигнала, однако оно должно быть много больше внутреннего сопротивления источника сигнала, чтобы не вносить погрешность в результат измерения. При использовании термопар типовая величина сопротивлений лежит в диапазоне 10...100 кОм.
Рис. 8. Схема, обеспечивающая наибольшую точность измерения сигнала заземленного источника
Рис. 9. Схема устранения насыщения дифференциального приемника
Дифференциальные приемники сигнала всегда обеспечивают более высокую помехозащищенность по сравнению с приемниками с одиночным входом, однако они требуют больше соединительных проводов и технически сложнее. Поэтому выбор между дифференциальным или одиночным входом может быть сделан только при рассмотрении конкретных условий применения и требований к системе.
Экспериментальное сравнение величины помех для приемников с одиночным и дифференциальным входом показало, что переход от одиночного включения к дифференциальному, уменьшает среднеквадратическое значение напряжения помехи более чем в 140 раз. Это объясняется тем, что усилитель с одиночным входом без ослабления воспринимает помеху, которая в дифференциальном усилителе ослабляется в КОСС раз.
Таким образом, рассмотрены и проанализированы электротехнические характеристики измерительных операционных усилителей, являющиеся базовой основой для большого количества измерительных схем, представляющие собой устройства с дифференциальным входом. Показано, что для устойчивости и выполнения математических операций над сигналами с высокой точностью операционный усилитель должен обладать следующими свойствами: высоким коэффициентом усиления по напряжению, в том числе и по постоянному; малым напряжением смещения нуля; малыми входными токами; высоким входным и низким выходным сопротивлением; высоким коэффициентом ослабления синфазной состаляющей; амплитудно-частотной характеристикой с наклоном в области высоких частот -20дБ/дек.
Проанализированы различные схемы включения источников и приемников информационных налов. Показано, что 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. Показано, что дифференциальный приемник не может быть получен с помощью двух одиночных приемников сигнала путем простого вычитания сигналов на их выходах. Показано, что с точки зрения помех, воздействующих на источники и приемники информационных сигналов, «земля» источников и приемников сигнала имеет разные потенциалы.
Осуществлен анализ схемных решений для измерения напряжения заземленных источников информационного сигнала. Показано, что наибольшую точность измерения сигнала заземленного источника обеспечивает схема, содержащая дифференциальный приемник, ослабляющая синфазное напряжение помехи в определенное число раз, равное коэффициенту ослабления синфазного сигнала КоСС данного дифференциального приемника.
ЛИТЕРАТУРА
1. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов / В.И. Анисимов, М.В. Капитонов, Н.Н. Прокопенко, Ю.М.Соколов. - 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., Халявко А. Защита от помех датчиков и соединительных проводов систем промышленной автоматизации // Современные технологии автоматизации, 2001, №1, С.68 - 75.
5. Радиоприемные устройства / Под ред. Н.Н. Фомина.
- М.: Радио и связь, 1996.
6. Демерчян Э.Г., Артюшенко В.М. Защита от помех измерительных датчиков систем автоматизации жизнеобеспечения зданий // Материалы межвузовской научно-практ. конф. «Проблемы развития электротехнических комплексов и информационных систем».- М.: ГОУ ВПО «МГУС», 2005.
Поступила 02.03.2009 г.
