Меню

Измерительный усилитель тока их схема

Измерительный усилитель

date image2014-02-02
views image4696

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Дополнительный материал к лекции 13 для самостоятельной работы

Измерительнными называются усилители, которые имеют калиброванный стабильный коэффициент усиления по напряжению ила мощности и позволяют с помощью встроенных индикаторов определять параметры входных сигналов. Они предназначены для использования в качестве предварительных усилителей слабых сиг­налов постоянного и переменного токов, а также в качестве выход­ных усилителей мощности.

Измерительный усилитель обладает линейной зависимостью выходного напряжения или тока от соответствующих входных параметров. Такой усилитель отли­чается малыми погрешностями амплитудной характеристики, хо­рошей стабильностью и, как правило, имеет высокое входное и низкое выходное сопротивления .

Измерительные усилители по роду усиливаемого сигнала де­лятся на усилители постоянного и переменного тока, причем по­следние, в отличие от рассмотренных ранее усилителей, обычно строятся для работы в широкой полосе частот входного сигнала.

Непосредственное усиление сигналов постоянного тока (при малой величине этих сигналов) затруднительно потому, что нуле­вой уровень и связанные с ним параметры усилителя зависят от режимов его работы в гораздо большей степени, чем в усилите­лях переменного тока. Поэтому усилители прямого усиления постоянного тока обычно строятся лишь для работы на сравни­тельно больших уровнях сигналов (единицы и десятки милли­вольт) . Наилучшими из этого класса являются усилители, построенные по принципу балансных схем. Температурный дрейф диффе­ренциального усилителя постоянного тока, выполненного на крем­ниевых транзисторах без специального подбора, составляет в сред­нем 2,4 мкВ/град, достигая в худшем случае 8,1 мкВ/град. Более высокими параметрами обладают усилители постоянного тока, работающие по принципу усиления несущей частоты с двукрат­ным преобразованием сигнала на входе и выходе . .

Чувствительность измерительных усилителей по току может достигать десятых долей наноампер, а по напряжению — нескольких микровольт. Из­мерительные усилители, предназначенные для повышения мощнос­ти источников звукового и ультразвукового диапазонов, имеют вы­ходную мощность 2 . 6 Вт.

Измерительные усилители широко применяются в технике ра­диоизмерений, при испытаниях, калибровки и для поверках радиоизмерительных приборов в качест­ве образцовых и вспомогательных средств измерений. Использова­ние: измерительных усилителей в комплекте с осциллографами, анализаторами спектра, вольтметрами и другими приборами зна­чительно повышает их чувствительность.

Погрешности усилителя в измерительной схеме определяются не только помехами, но также и искажениями в преобразовательно -усилительном тракте, которые вызываются:

1) шумами транзисторов (влияние которых обычно прояв­ляется при создании усилителей, работающих в более-менее ши­рокой полосе частот);

2) нелинейными искажениями в преобразовательно -усилитель­ном тракте;

3) линейными, главным образом фазовыми, искажениями в тракте;

4) пульсациями напряжения источника питания (при недо­статочной фильтрации).

В измерительных усилителях переменного тока, обычно предназначенного для усиления сигнала в широком частотном диапазоне, погрешность связана с частотными искажениями.

Уменьшение погрешностей усилителя, возникающих в усили­тельном тракте, достигается использованием отрицательных об­ратных связей, тип и глубина которых определяются общими требованиями к измерительному усилителю и параметрами приме­няемых преобразователей и усилителя несущей частоты. Нели­нейность амплитудной характеристики усилителя выражается в процентах следующей формулой:

U вых.Макс — номинальное (максимальное) выходное напря­жение усилителя.

Усилители обычно строятся по схеме — многокаскадного усиления с применением разнообразных видов местной и общей отрицатель­ной обратной связи для обеспечения стабильности коэффициента передачи и частотной характеристики.

Структурная схема измери­тельного усилителя представлена на рисунок 1.99.

Рисунок 1.99 – Структурная электрическая схема измерительного усилителя

Она включает в себя резисторные или резисторно — емкостные делители напряжения — аттенюаторы, предварительные каскады усиления, промежуточные и выходные каскады. Для определения исследуемых входных напряжений в схему усилителя вводят индикатор уровня PV.Управление коэффициентом усиления производится с помощью межкаскадных аттенюаторов. В качестве первого каскада пред­варительного усиления используется схема повторителя, обеспечи­вающая увеличение входного

сопротивления и уменьшение входной емкости измерительного усилителя. В усилителях, предназна­ченных для измерения слабых постоянных токов, так называемых. электрометрических усилителях, первые каскады усиления

выпол­няются в выносном измерительном блоке, разрешающем непос­редственное подключение к источнику исследуемого напряжения.

Классификация измерительных усилителей. В соответствии с действующими стандартами в обозначение ти­па измерительного усилителя входит прописная буква русского ал­фавита У. Применяемые измерительные усилители подразделяют­ся на (соответственно основной выполняемой функции) виды. Ви­дам усилителя присваивается буквенно-цифровое обозначение:

У2 — усилители селективные, предназначенные для усиления слабых сигналов определенных избираемых частот;

УЗ — усилители высокочастотные, предназначенные для усиле­ния напряжения высоких и сверхвысоких частот;

У4 —- усилители низкочастотные, предназначенные для усиле­ния напряжения переменного тока инфразвуковых, звуковых или ультразвуковых частот (до 200 кГц);

У5 — усилители напряжения постоянного тока, предназначен­ные для усиления медленно изменяющегося или постоянного на­пряжения;

У7 — усилители универсальные, предназначенные для усиле­ния напряжения постоянного и переменного токов.

После цифры, обозначающей вид усилителя, ставится дефис (черточка) и затем порядковый номер модели усилителя. Так. на­пример, надпись на усилителе

УЗ-33 говорит о том, что это трид­цать третья модель измерительного высокочастотного усилителя.

Метрологические характеристики измерительных усилителей. Каждый прибор, в том числе и измерительный усилитель, выпус­каемый промышленностью, снабжают техническим описанием, со­держащим указания об особенностях схемы и конструкции, изло­жение методики измерения, инструкцию по обслуживанию, а так­же техническую характеристику. Последняя играет основную роль при выборе прибора для проведения измерений. Помимо данных, не влияющих на точность измерений (массы, габаритных размеров, потребляемой от сети мощности и т. п.), в техническую характе­ристику включают данные, являющиеся основой оценки точности измерений с помощью средства измерений — метрологические ха­рактеристики.

Метрологическими характеристиками называются характерис­тики средств измерений, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений. Для каждого вида средств измерений, ис­ходя из их специфики и назначения, определяется комплекс метрологических характеристик, указываемый в нормативно-техничес­кой документации.

В этот комплекс включают такие характеристики, которые по­зволяют определить погрешность данного средства измерений в известных рабочих условиях его эксплуатации.

Таким образом, метрологическими характеристиками измери­тельных усилителей называются характеристики, определяющие условия эксплуатации,

при соблюдении которых действительные значения погрешности не превышают заданных.

Метрологические характеристики нормируются, т. е. им припи­сываются определенные числовые значения. Совокупность метро­логических характеристик для каждого конкретного измеритель­ного усилителя содержит указание о назначении усилителя, облас­ти возможного его применения, погрешности измерений.

К нормируемым метрологическим характеристикам измеритель­ных усилителей относятся:

— назначение усилителя, которое оговаривается в полном его на­именовании.

Полное наименование служит основой выбора типа усилителя для целей

усиления и измерения исследуемых сигналов;

— неравномерность частотной характеристики;

— максимальный коэффициент усиления;

— диапазон изменения коэффициента усиления;

— погрешность установки коэффициента усиления;

— допустимое напряжение собственных шумов усилителя;

— приведенная основная погрешность индикатора выходного на­пряжения;

— допустимый коэффициент гармоник выходного напряжения;

— выходные параметры усилителя;

— входные параметры усилителя и др.

Читайте также:  Электрическое сопротивление постоянному току кабельной медной жилы диаметром 0 8 мм

Усилители постоянного тока, имеющие дифференциальный вход, характеризуются значением коэффициента ослабления синфазных входных напряжений и значением дрейфа нуля, приведенного ко входу усилителя. К метрологическим характеристикам измеритель­ных усилителей относятся также неинформативные параметры сиг­налов, динамические характеристики, функции влияния и наиболь­шие допустимые изменения метрологических характеристик уси­лителей в рабочих условиях эксплуатации.

Таким образом, входной и выходной сигналы измерительных усилителей характеризуются информативными и неинформатив­ными параметрами.

Информативный параметр входного сигнала является непосред­ственно измеряемой величиной (например, номинальное входное на­пряжение) или величиной, функционально связанной с измеряемой (например, напряжение собственных шумов усилителя, приведен­ное ко входу).

Неинформативный параметр не связан функционально с измеря­емой величиной, но влияет на метрологические характеристики уси­лителя (в частности, на его погрешность). Например, при измере­нии входного напряжения информативным параметром является максимальное значение напряжения, а неинформативным — его частота. Аналогично выходной сигнал измерительного усилителя может быть охарактеризован информативными и неинформативны­ми параметрами. На метрологические характеристики измерительных усилителей существенное влияние оказывают внешние физические воздействия (климатические, механические, электромагнитные) и изменения па­раметров источников питания — влияющие величины.

Условия эксплуатации измерительных усилителей могут быть
нормальными и рабочими. Они отличаются диапазоном изменения
неинформативных параметров входного сигнала и влияющих ве­личин.

Нормальными называются условия, для которых нормируется основная погрешность измерительных усилителей, т. е. погрешность коэффициента усиления или основная приведенная погрешность встроенного в усилитель измерительного прибора. При этом влия­ющие величины и неинформативные параметры входного сигнала имеют нормальные значения. Например, для измерительного уси­лителя У4-28 установлены нормальные температурные условия — от 283 до 308 К (от 10 до 35°С). В этом температурном диапазоне гарантируется основная погрешность, не превышающая значения, указанного в техническом описании измерительного усилителя. Од­нако прибор может работать и в более широком диапазоне тем­ператур. И в этом случае нормируется дополнительная погрешность, связанная с влиянием температуры окружающей среды. В техни­ческом описании усилителя У4-28 указывается, что дополнитель­ная погрешность измерительного прибора от изменения темпера­туры окружающей среды на каждые 10°С не превышает половины основной погрешности.

Функцией влияния называется зависимость изменения метроло­гической характеристики измерительного усилителя от изменения влияющей величины или неинформативного параметра входного сигнала в пределах рабочих условий эксплуатации. Функция вли­яния может нормироваться в виде формулы, графика или таблицы. Так, для высокочастотных измерительных усилителей дополнительная погрешность от частоты или длительности фронта исследуемого импульса задается виде графика. Например, для усилителя У3-29 график поправок имеет вид ( Рисунок 1.100).

1- график поправок для переднего фронта импульса;

2 – график поправок для спада импульса

Рисунок 1.100- График поправок для усилителя

Динамические характеристики определяют инерционные свой­ства измерительных усилителей и представляют собой зависимость информативного параметра выходного сигнала от меняющихся во времени параметров входного сигнала. К динамическим относятся переходная, амплитудная и фазово-частотная характеристики уси­лителя. Динамические свойства измерительных усилителей характери­зуются также быстродействием — скоростью и временем измерения (временем установления показаний).

Скорость измерения опреде­ляется максимальным числом измерений в единицу времени, вы­полняемых с нормированной погрешностью.

Время измерения — время, прошедшее с момента начала измерения до получения ре­зультата с нормированной погрешностью. Наряду с условиями эксплуатации для всех измерительных усилителей задаются предельные условия транспортирования и хра­нения, не изменяющие метрологических свойств усилителей после их возвращения в рабочие условия.

Источник

Электронные усилители

Электронные усилителиТермин усилитель весьма многозначен. Это может быть гидроусилитель, хорошо известный автомобилистам, магнитный усилитель, применявшийся когда-то в системах автоматики. Также известны электромеханические и релейные усилители.

Принцип работы всех усилителей одинаков: под воздействием слабого управляющего сигнала на выходе усилителя появляется мощный выходной сигнал. Естественно, что для получения выходного сигнала большой мощности требуется внешний источник энергии.

Например, на управление катушкой реле требуется мощность в доли ватта, в то время, как контакты могут коммутировать нагрузку в несколько киловатт. Что называется, налицо усиление по мощности. Но в этой статье будут вкратце рассмотрены только электронные усилители.

Электронные усилители

Именно они являются наиболее распространенным узлом различных приборов и устройств. В зависимости от выполняемой функции, от природы входного сигнала, усилители разделяются на несколько типов. В одном случае это, например, сигнал термопары, а в другом музыка, речь или сигнал телевизионной антенны, работающей в дециметровом диапазоне волн.

Но все электронные усилители объединяет то, что они используют явление электропроводимости в различных средах. Прежде всего это вакуум (электронные лампы) и полупроводники (транзисторы и микросхемы).

Большая часть электронных усилителей в настоящее время выполнена на полупроводниках, конструкции на лампах используются любителями очень качественного звука, меломанами, и еще там, где без ламп обойтись невозможно.

Усилители конструктивно могут быть как отдельным устройством, так и составной частью какого-либо прибора, например измерительного.

Усилители постоянного тока (УПТ)

Эти усилители работают в диапазоне частот от нуля до некоторой верхней частоты. Другими словами они способны усиливать постоянное напряжение. При этом, конечно же, усиливается и переменная составляющая сигнала. Схема, если не всего, то какой-то части УПТ показана на рисунке 1.

Схема усилителя постоянного тока

Рисунок 1. Схема усилителя постоянного тока

Для того, чтобы иметь возможность усиливать «постоянку», связь между каскадами выполняется с помощью резисторов, диодов, стабилитронов или вовсе непосредственно. Именно этот вариант и показан на рисунке 1. Наиболее широкое применение УПТ находят в системах автоматики, преобразователях неэлектрических величин, в измерительных приборах, в усилителях сигналов разных датчиков.

УПТ являются также основой для создания операционных усилителей (ОУ), которые широко применяются в различных приборах. Собственно, все УПТ в настоящее время строятся на основе ОУ, достоинства которых широко известны и не подлежат никакому сомнению.

На рисунке 2 показана схема УПТ на базе операционного усилителя. Как видно, она намного проще предыдущей, хотя параметры ее намного лучше.

УПТ на основе ОУ

Рисунок 2. УПТ на основе ОУ

Усилители переменного тока

Усилители переменного тока отличаются от УПТ тем, что усиливают лишь переменную составляющую входного сигнала. В качестве примера на рисунке 3 показан микрофонный усилитель для динамического микрофона типа МД-52 или ему подобным, которым комплектовались отечественные магнитофоны.

Микрофонный усилитель

Рисунок 3. Микрофонный усилитель

На входе и выходе усилителя, выполненного на микросхеме, установлены разделительные конденсаторы, что позволяет пропустить через усилитель только переменную составляющую сигнала.

Такая схема называется также микрофонным усилителем. Будучи подключенной к звуковой карте компьютера упомянутый микрофон позволяет получить прекрасный звук, гораздо лучший, нежели при помощи китайского компьютерного микрофона.

Усилитель прекрасно работает даже от +5В, поэтому запитать его можно от разъема USB, или вывести 12 вольт из компьютера. Налаживания устройство не требует, начинает работать сразу. Малое количество деталей позволяет собрать эту схему навесным монтажом, используя выводы деталей. При этом следует стремиться, чтобы соединения были как можно короче. Это спасет от наводок и помех.

Читайте также:  Мини двигатели постоянного тока 12 вольт

Усилители высокой частоты

Применяются в основном в радиоприемниках и телевизорах. Их назначение несколько усилить входной сигнал, например, от антенны. Далее происходит супергетеродинное преобразование, и дальнейшее основное усиление происходит на промежуточной частоте. Спецификой таких усилителей является применение ВЧ транзисторов, а также особенности монтажа устройства. Подобный монтаж можно увидеть, если открыть радиочастотный блок любого современного телевизора.

Полосовые усилители

Полосовые усилители предназначены для усиления сигналов в узком диапазоне частот. В качестве примера можно привести усилители промежуточной частоты (УПЧ). Полоса частот в таких усилителях обеспечивается за счет колебательных контуров и фильтров сосредоточенной селекции (ФСС) или пьезокерамических фильтров (ПКФ). Ведь усилить сигнал в узкой полосе частот намного проще, чем создавать очень широкополосный усилитель.

Кроме уже упомянутых усилителей существует весьма большое количество из разновидностей, вот еще некоторые из них.

Предварительные усилители

Их назначение усилить сигнал от слабого источника до уровня, приемлемого для дальнейших каскадов. Например, поднять уровень магнитофонной приставки до входного уровня оконечного усилителя звуковой частоты. Предварительный усилитель также может включать в себя регуляторы тембра и громкости.

Для воспроизведения грамзаписи с виниловых дисков применяются специальные предварительные усилители-корректоры, формирующие частотную характеристику для работы с головкой звукоснимателя. Когда музыку записывали и слушали на магнитофонах, в ходу были усилители записи и воспроизведения. Назначение таких усилителей состояло в формировании требуемой частотной характеристики канала запись – воспроизведение.

Измерительные усилители

Чаще всего применяются в измерительных приборах, средствах автоматики, контроллерах управления промышленным оборудованием. Эти усилители также называют инструментальными. Они обладают очень малым собственным шумом, очень большим коэффициентом усиления (при разорванной цепи ОС) и очень большим коэффициентом подавления синфазных помех. Такие очень высокие характеристики достигаются применением определенного соединения нескольких ОУ. Вот, как много всяких «очень» у измерительных усилителей. На рисунке 4 показана классическая схема инструментального усилителя.

Схема инструментального усилителя

Рисунок 4. Схема инструментального усилителя

Наряду с этой схемой широкое применения находят также схемы на одном ОУ или двух. Встречаются и более сложные конструкции. В последнее время измерительные усилители выпускаются в интегральном варианте,- все что показано на рисунке 4 умещается в одном корпусе, при этом количество подстроечных элементов минимально, как правило, один внешний резистор. На рисунке 4 это R1, а на рисунке 5 резистор RG (GAIN).

Внутреннее устройство интегрального измерительного усилителя типа AD623, естественно, упрощенная схема показано на рисунке 5 . Отличительная особенность этого усилителя малая цена и способность работать с однополярным питанием.

Схема интегрального измерительного усилителя типа AD623

Рисунок 5. Схема интегрального измерительного усилителя типа AD623

Более подробно про электронные усилители вы можете узнать здесь.

Источник

Схемы измерения тока

Почти каждый электронщик рано или поздно сталкивается с необходимостью измерять ток, например при проектировании лабораторного блока питания или зарядного устройства.

В этой статье мы рассмотрим наиболее популярные схемы их преимущества и недостатки.

Измерение тока в отрицательном полюсе нагрузки

Схема измерения тока в отрицательном полюсе нагрузки наиболее простая и широко распространенная. Данную схему можно встретить как в лабораторных блока питания, так и в схемах управления двигателями, схемах защит и пр.

Если не требуется высокая точность измерения тока, как правило, используется схема 1а, для более точного измерения тока, как правило, используется схема 1б.

Схема измерения тока

Схема измерения тока

В схеме 1б резистор R4 подключается к сигнальной аналоговой земле, резисторы R3 и R1 подключаются непосредственно к шунту. Сопротивление резисторов R1 и R3, R2 и R4 должно быть одинаковым.

  • простая реализация;
  • низкий уровень синфазного сигнала;
  • низкое выходное сопротивление;
  • широкий диапазон напряжений питания нагрузки;
  • низкая стоимость.

Недостаток у данной схемы один — токоизмерительный резистор (шунт) устанавливается в отрицательном полюсе нагрузки, что накладывает определенные ограничения.

Крутизна выходного сигнала схемы 1а определяется по формуле

(1) \begin<equation* data-lazy-src=

Схема измерения тока

Вариант 2б сложнее, но дает чуть более высокую точность, кроме того он может оказаться более удобным если в устройстве несколько измерительных каналов, в этом случае ОУ U1B формирует единое смещение на все каналы.

В схемах 2а и 2б резистор R5 необходимо подключать к источнику опорного напряжения, если он имеется.

Смещение выходного сигнала схемы 2а определяется по формуле

(3) \begin<equation* data-lazy-src=

Преимущества схемы 3а:

  • измерение тока в положительном полюсе нагрузки;
  • выходной сигнал от 0В.

Недостатки схемы 3а:

  • высокий уровень синфазного сигнала;
  • высокое выходное сопротивление.

Преимущества схемы 3б:

  • измерение тока в положительном полюсе нагрузки;
  • низкое выходное сопротивление.

Недостатки схемы 3б:

  • высокий уровень синфазного сигнала;
  • необходимость точного подбора резисторов;
  • необходимость смещения выходного сигнала при однополярном питании.

В схеме 3б аналогично схеме 1б, резисторы R1 и R3, R2 и R4 должны быть равны.

Крутизна выходного сигнала схемы 3а и 3б определяется по формуле

(5)