Вимірювальний підсилювач

Реферат: Винахід належить до вимірювальної техніки, а саме до вимірників вібрацій, і може бути використаний в машинобудуванні, енергодобувних, авіаційних і ракетних технологіях. Вимірювальний підсилювач містить операційні підсилювачі ОП1 і ОП3, конденсатор С1 і резистори R1, R2, R4, R5, при цьому вхід ОП1 - вхід пристрою; конденсатор С1 і резистор R1 паралельно підключено між інвертуючим входом та виходом ОП1, резистор R4 підключено до інвертуючого входу ОП3, резистор R5 включено між інвертуючим входом та виходом ОП3, резистор R2 включено між інвертуючим входом ОП1 та виходом ОП3, неінвертуючий вхід ОП3 з'єднаний з корпусом пристрою, додатково введено операційний підсилювач ОП2, резистор R3, конденсатор С2, за допомогою яких створено інтегратор, при цьому резистор R3 включено між виходом ОП1 та інвертуючим входом ОП2, конденсатор С2 включено між інвертуючим входом і виходом ОП2, вихід ОП2 через R4 підключено до інвертуючого входу ОП3, неінвертуючий вхід ОП2 з'єднано з корпусом пристрою, вихід ОП1 є виходом пристрою. Технічний результат полягає в зменшені впливу градієнта температури на стабільність вихідної напруги вимірювального підсилювача. UA 108968 C2 (12) UA 108968 C2 UA 108968 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Пропонований винахід належить до вимірювальної техніки, а саме до вимірників вібрацій. Винахід може бути використаний в машинобудуванні, енергодобувних, авіаційних і ракетних технологіях. Відомий вимірювальний підсилювач, який містить вхідний операційний підсилювач ОП1, перший R1, С1 і другий R2, C2 паралельні ланцюги, резистори R3, R4 і операційний підсилювач ОП2, при цьому інвертуючий вхід ОП2 сполучено з виходом підсилювача ОП1, а неінвертуючий з'єднаний з корпусом, при цьому ланцюг R1, С1 включено між інвертуючим входом ОП1 і входом ОП2, а ланцюг R2,C2 - між неінвертуючим входом ОП1 і виходом ОП2 [1]. Недоліки: підключення п'єзодатчика до входу вимірювального підсилювача, при дії градієнта температур викликає у п'єзодатчику генерування піроелектричних зарядів, це приводить до появи повільно змінного струму, що протікає на вхід вимірювального підсилювача. Як наслідок відбувається перевантаження підсилювача і апаратура може втрачати працездатність на довгий час. Найбільш близьким за технічною суттю до запропонованого пристрою є вимірювальний підсилювач, який містить вхідний операційний підсилювач ОП1, резистори R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, конденсатори С1, С2,та операційний підсилювач ОП2, при цьому конденсатор С1 підключено до інвертуючого входу ОП1, та виходу підсилювача ОП1, резистор R1 підключено до інвертуючого входу ОП1, та виходу підсилювача ОП1 через дільник R2, R4, конденсатор С2 підключено до неінвертуючого входу ОП1, та виходу ОП2, резистор R2 підключено до неінвертуючого входу ОП1, та виходу ОП2 через дільник R7, R8, резистор R5 включено між інвертуючим входом ОП2 та виходом ОП1, резистор R6 включено між інвертуючим входом ОП2 та виходом ОП2, неінвертуючий вхід ОП2 з'єднаний з корпусом, у дільники R3, R4 та R7, R8 включено конденсатори С3, С4 відповідно, які з'єднують резистори R3 та R8 з корпусом вимірювального підсилювача [2]. Недоліки прототипу: наявність частотозалежного негативного зворотного зв'язку по напрузі у вимірювальному підсилювачі призводить до появи зламу амплітудно-частотної характеристики (АЧХ) такого підсилювача. Таким чином АЧХ на частотах ƒ ƒз 40 дБ/дек (фіг. 1). Даний недолік, при дії градієнта температур, може привести до генерування у п'єзодатчику піроелектричних зарядів, це призводить до появи повільно змінного струму, що протікає на вхід вимірювального підсилювача. Як наслідок відбувається перевантаження підсилювача і апаратура може втрачати працездатність на довгий час. Задача пропонованого винаходу - створення вимірювального підсилювача, в якому, шляхом введення інтегратора, зменшено вплив градієнта температури на стабільність вихідної напруги вимірювального підсилювача. Поставлена задача вирішується тим, що у вимірювальний підсилювач, який містить операційні підсилювачі ОП1 і ОП3, конденсатор С1 і резистори R1, R2, R4, R5, при цьому вхід ОП1 - вхід пристрою; конденсатор С1 і резистор R1 паралельно підключено між інвертуючим входом та виходом ОП1; резистор R4 підключено до інвертуючого входу ОП3; резистор R5 включено між інвертуючим входом та виходом ОП3; резистор R2 включено між інвертуючим входом ОП1 та виходом ОП3; неінвертуючий вхід ОП3 з'єднано з корпусом пристрою, згідно з винаходом, введено: операційний підсилювач ОП2, резистор R3, конденсатор С2, за допомогою яких створено інтегратор, при цьому резистор R3 включено між виходом ОП1 та інвертуючим входом ОП2, конденсатор С2 включено між інвертуючим входом і виходом ОП2, вихід ОП2 через R4 підключено до інвертуючого входу ОП3, неінвертуючий вхід ОП2 з'єднано з корпусом пристрою, вихід ОП1 - вихід пристрою (фіг. 2). Технічний ефект від запропонованого рішення полягає в тому, що шляхом введення інтегратора та виключення конденсатора у ланцюзі загального зворотного зв'язку, зменшено вплив градієнта температури на стабільність вихідної напруги вимірювального підсилювача. В результаті такої переробки отримана система другого порядку. Дана схема також має злам АЧХ. Проте частота зламу здвигається в область низьких частот в K0 раз, де K0 коефіцієнт передачі інтегратора без зворотного зв'язку, який може бути як завгодно великим. Таким чином можна вважати АЧХ монотонною зі спадом 40 дБ/дек в області низьких частот. Дане рішення дозволяє компенсувати піроелектричну заваду. Коефіцієнт передачі такого вимірювального підсилювача  K 55 2C1C2R1R 2R3  C C R R R 2   R1  jC2R 2R3 . Введемо позначення: 1  C1R2 , 1 2 1 2 3 1 UA 108968 C2 2  C2R3 , 0  C1R1 , R  2 R1 . З урахуванням цих позначень коефіцієнт передачі матиме вигляд  K 5 10 15 20 2 12     1 j 2 0 2 2 . Суть винаходу пояснюється кресленням, де на фіг. 2 зображений вимірювальній підсилювач, який містить операційний підсилювач ОП1, ОП2 і ОП3, резистори R1, R2, R3, R4,R5, конденсатори С1,С2, при цьому конденсатор С1 підключено до інвертуючого входу ОП1, та виходу підсилювача ОП1, резистор R1 підключено до інвертуючого входу ОП1, та виходу підсилювача ОП1, конденсатор С2 підключено до інвертуючого входу ОП2, та виходу ОП2, резистор R3 підключено до інвертуючого входу ОП2, та виходу ОП1, резистор R4 включено між інвертуючим входом ОП3 та виходом ОП2, резистор R5 включено між інвертуючим входом ОП3 та виходом ОП3, резистор R2 включено між інвертуючим входом ОП1 та виходом ОП3, неінвертуючий вхід ОП2 і ОП3 з'єднаний з корпусом, вихід підсилювача з'єднаний з виходом ОП1. Пристрій працює таким чином: Під дією вібрацій посадочного місця п'єзоелектричний датчик виробляє заряд, пропорційний величині механічного прискорення, що впливає на нього. Заряд надходить на вхід вимірювальній підсилювач, де перетвориться у вихідну напругу за допомогою ємності С1 в ланцюзі зворотного зв'язку, що охоплює ОП1. Величина вихідного сигналу Uвих  qC1 . Одночасно, разом з корисним сигналом на вхід підсилювача надходить паразитний сигнал   I t  , t , викликаний перепадами температур в місці установки датчика. Величина цього сигналу 25   Uв их  I t  , t  R1 може значно перевищувати корисний сигнал і порушувати нормальну роботу апаратури. Далі сумарний вихідний сигнал надходить на інтегратор, який складається з ОП2, R3, С2, постійна часу якого вибирається з урахуванням нижньої граничної частоти та дорівнює   C2  R3 . Далі сигнал інвертується за допомогою інвертора, зібраного на OП3, R , R та 4 30 35 40 45 50 5 надходить на неінвертуючий вхід ОП1. На виході інтегратора у нас виділяється низькочастотна складова, яка і є завадою. Таким чином ми компенсуємо низькочастотну заваду шляхом складання її з протифазною. Амплітудно-частотна характеристика вимірювального підсилювача з компенсацією і без компенсації представлена (фіг. 3). При моделюванні на вхід було подано корисний сигнал частотою 10 Гц та амплітудою 1В і заваду частотою 10 мГц та амплітудою 100 кВ. Результати моделювання при β = 100 наведені (фіг. 4). При цьому: 1. Ємкість в ланцюзі зворотного зв'язку С1=100 пФ вибрана, виходячи з чутливості 2 п'єзоелектричного датчика типу ABC-132 0,7 пК/(м/с ), а також умов подальшої експлуатації. 2. Величина резистора в ланцюзі зворотного зв'язку R1=0,714 МОм вибрана, виходячи із значення нижньої граничної частоти fH=1,5 Гц. 3. Величина резистора зворотного зв'язку R2=7,14 МОм вибрана з умови коефіцієнта компенсації β = 100. 4. Ємкість С2=7,14 мкФ і резистор R3=2 МОм вибрана, виходячи з постійної часу інтегратора. 5. Величина резистора R4=R5=10 кОм. При заваді з 100 кВ вимірювальний підсилювач з компенсацією зберіг працездатність, амплітуда вихідного сигналу не перевищила 5 В. На відміну від вимірювального підсилювача без компенсації, амплітуда вихідного сигналу якого дорівнює напрузі живлення ОП. Отримані результати підтверджують правильність прийнятих заходів по зниженню впливу піроелектричних струмів, викликаних дією градієнта температури на п'єзоелектричний датчик, на рівень вихідної напруги вимірювального підсилювача. Джерела інформації: 1. Максимов В.П., и др. Измерение, обработка и анализ быстропеременных процессов в машинах. - М.: Машиностроение, 1987. - 208 с. (ил. с. 37). 2 UA 108968 C2 2. Старцев В.І., Анісімов О.О. та інші Патент № 101749 "Вимірювальний підсилювач". Від 25.04.2013 р. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 Вимірювальний підсилювач, який містить операційні підсилювачі ОП1 і ОП3, конденсатор С1 і резистори R1, R2, R4, R5, при цьому вхід ОП1 є входом вимірювального підсилювача, конденсатор С1 і резистор R1 паралельно підключено між інвертуючим входом та виходом ОП1, який є виходом вимірювального підсилювача, резистор R4 підключено до інвертуючого входу ОП3, резистор R5 включено між інвертуючим входом та виходом ОП3, резистор R2 включено між інвертуючим входом ОП1 та виходом ОП3, неінвертуючий вхід ОП3 з'єднано з корпусом вимірювального підсилювача, який відрізняється тим, що введено операційний підсилювач ОП2, резистор R3, конденсатор С2, які утворюють інтегратор, при цьому резистор R3 включено між виходом ОП1 та інвертуючим входом ОП2, конденсатор С2 включено між інвертуючим входом і виходом ОП2, вихід ОП2 через R4 підключено до інвертуючого входу ОП3, неінвертуючий вхід ОП2 з'єднано з корпусом вимірювального підсилювача. 3 UA 108968 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4