Вимірювальний підсилювач

Реферат: Вимірювальний підсилювач належить до вимірювальної техніки, а саме до вимірників вібрацій. Винахід може бути використаний в машинобудуванні, енергодобувних, авіаційних і ракетних технологіях. У вимірювальний підсилювач, який містить вхідний операційний підсилювач ОП1, резистори R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, конденсатори С1, С2 та операційний підсилювач ОП2, підключено конденсатор С1 до інвертуючого входу ОП1 та виходу підсилювача ОП1, резистор R1 підключено до інвертуючого входу ОП1 та виходу підсилювача ОП1 через дільник R3, 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 тa R7, R8 включено конденсатори С3, С4 відповідно, які з'єднують резистори R3 та R8 з корпусом вимірювального підсилювача. Шляхом введення конденсаторів у дільники, зменшено вплив градієнта температури на стабільність вихідної напруги вимірювального підсилювача. UA 101749 C2 (12) UA 101749 C2 UA 101749 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 ОУ1, перший R1, C1 і другий R2, C2 паралельні ланцюги, резистори R3, R4 і операційний підсилювач ОУ2, при цьому інвертуючий вхід ОУ2 сполучено з виходом підсилювача ОУ1, а неінвертуючий з'єднаний з корпусом, при цьому ланцюг R1, C1 включено між інвертуючим входом ОУ1 і входом ОУ2, а ланцюг R2, C2 - між неінвертуючим входом ОУ1 і виходом ОУ2 [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. Максимальна величина цього струму dq / d С Uвих .макс ; Iвх.макс / С   dt R зз   С де: dq / d С - зміна величини заряду на виході датчика під дією зміни температури і часу. Uвых. max - максимальна амплітуда напруги на виході підсилювача R зз - резистор у ланцюзі зворотного зв'язку  С - перепад температури При великих значеннях Roc відбувається перевантаження підсилювача і апаратура може втрачати працездатність на довгий час. Найбільш близьким за технічною суттю до запропонованого пристрою є вимірювальний підсилювач, що містить вхідний операційний підсилювач ОУ1, резистори R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, конденсатори С1, С2 та операційний підсилювач ОУ2, при цьому конденсатор С1 підключено до інвертуючого входу ОУ1 та виходу підсилювача ОУ1, резистор R1 підключено до інвертуючого входу ОУ1 та виходу підсилювача ОУ1 через дільник R3, R4, конденсатор С2 підключено до неінвертуючого входу ОУ1 та виходу ОУ2, резистор R2 підключено до неінвертуючого входу ОУ1 та виходу ОУ2 через дільник R7, R8, резистор R5 включено між інвертуючим входом ОУ2 та виходом ОУ1, резистор R6 включено між інвертуючим входом ОУ2 та виходом ОУ2, неінвертуючий вхід ОУ2 з'єднаний з корпусом [2]. Недоліки прототипу: наявність негативного зворотного зв'язку по напрузі у вимірювальному R3 підсилювачі призводить до того, що в   1  разів збільшується початковий зсув на R1  R 4 вході операційного підсилювача, і величина вихідної напруги пристрою Uвих може опинитися неприпустимо великою Uвих  Eпит  в тяжких умовах експлуатації (при градієнті температури), що призводить до втрати інформації. Оскільки коефіцієнт посилення по постійному струму вимірювального підсилювача, охопленого негативним зворотним зв'язком по напрузі, K оос    1 , то вихідна напруга вимірювального підсилювача Uвих  Uзм  a , де Uзм - напруга, що діє на вході вимірювального підсилювача за рахунок піроелектричних струмів. Задача пропонованого винаходу - створення вимірювального підсилювача, в якому, шляхом введення конденсаторів у дільники, зменшено вплив градієнта температури на стабільність вихідної напруги вимірювального підсилювача. Поставлена задача вирішується тим, що у вимірювальний підсилювач, який містить вхідний операційний підсилювач ОУ1, резистори R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, конденсатори С1, С2 та операційний підсилювач ОУ2, при цьому конденсатор С1 підключено до інвертуючого входу ОУ1 та виходу підсилювача ОУ1, резистор R1 підключено до інвертуючого входу ОУ1 та виходу підсилювача ОУ1 через дільник R3, R4, конденсатор С2 підключено до неінвертуючого входу ОУ1 та виходу ОУ2, резистор R2 підключено до неінвертуючого входу ОУ1 та виходу ОУ2 через дільник R7, R8, резистор R5 включено між інвертуючим входом ОУ2 та виходом ОУ1, резистор R6 включено між інвертуючим входом ОУ2 та виходом ОУ2, неінвертуючий вхід ОУ2 з'єднаний з корпусом, у дільники R3, R4 тa R7, R8 включено конденсатори С3, С4 відповідно, які з'єднують резистори R3 та R8 з корпусом вимірювального підсилювача. 1 UA 101749 C2 5 10 15 20 25 30 35 Технічний ефект від запропонованого рішення полягає в тому, що шляхом введення конденсаторів у дільники, зменшено вплив градієнта температури на стабільність вихідної напруги вимірювального підсилювача. В результаті введення в схему конденсаторів С3, С4, рівних за величиною, і відповідного вибору їх величини, зворотний зв'язок по постійному струму стає 100 %, тобто K оос  1 і Uвих  Uзм . Введення конденсаторів С3, С4 забезпечує зростання ефективної величини резистора R3 тільки в області робочих частот, що дозволяє зменшити вплив піроелектричних струмів на початковий зсув вимірювального підсилювача в   1 R 4 разів. В цьому випадку R3 величина постійною часу ланцюга ОС рівна C R    C ззR зз 1  R 4  зз зз R3    дe Cзз  C1  C2 ,Rзз  R1  R2 . Ширина смуги пропускання в області низьких частот визначається виразом 1 , fн   R4  2R ззCзз 1   R   3    R  тобто розшириться в 1  4  разів.  R  3   Дільник в ланцюзі зворотного зв'язку в цьому випадку стає частотно-залежним. Коефіцієнт передачі матиме вигляд: Cр 1 ; K  1  jw k Сзз 1 1  jw   jw k      де C3  C 4  Cp ;   CззRзз ; k  R3Cp . Суть винаходу пояснюється кресленням, де на Фіг. 1 зображений вимірювальний підсилювач, який містить вхідний операційний підсилювач ОУ1, резистори R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, конденсатори С1, С2, С3,С4 та операційний підсилювач ОУ2, при цьому конденсатор С 1 підключено до інвертуючого входу ОУ1 та виходу підсилювача ОУ1, резистор R1 підключено до інвертуючого входу ОУ1 та виходу підсилювача ОУ1 через частотозалежний дільник R3, R4, C3, конденсатор С2 підключено до неінвертуючого входу ОУ1 та виходу ОУ2, резистор R2 підключено до неінвертуючого входу ОУ1 та виходу ОУ2 через частотозалежний дільник R7, R8, C4, резистор R5 включено між інвертуючим входом ОУ2 та виходом ОУ1, резистор R6 включено між інвертуючим входом ОУ2 та виходом ОУ2, неінвертуючий вхід ОУ2 з'єднаний з корпусом. Пристрій працює таким чином. Під дією вібрацій посадочного місця датчик виробляє заряд, пропорційний величині механічного прискорення, що впливає на нього. Заряд надходить на вхід вимірювального підсилювача, де перетвориться у вихідну напругу за допомогою ємкостей С1, С2 в ланцюгах зворотного зв'язку, що охоплює підсилювач. Величина вихідного сигналу Uвих  qC зз . Одночасно, разом з корисним сигналом на вхід підсилювача надходить паразитний сигнал  I t , t , викликаний перепадами температур в місці установки датчика. Величина цього сигналу  40 45    Uвих  I t  , t  R зз може значно перевищувати корисний сигнал і порушувати нормальну роботу апаратури. Аналіз роботи вимірювального підсилювача, проведений з використанням методу Брауде [1], показав, що максимально плоску форму амплітудно-частотної характеристики можна отримати лише при виборі постійною часу ланцюга корекції з вираження k  R3Cp  2  1 . Амплітудно-частотна характеристика вимірювального підсилювача з корекцією і без корекції в області НЧ представлена (фіг. 2). 2 UA 101749 C2 5 Результати випробування п'єзоелектричного датчика типа ABC-132 на дію температурного градієнта, підключеного до входу зарядочутливого підсилювача з низькочастотною корекцією, випробування було проведено по методиці [3]. Отримані параметри вимірювального підсилювача з низькочастотною корекцією при   10 приведені (фіг. 3,а.) 1. Ємкість в ланцюзі зворотного зв'язку Cзз  100nФ вибрана, виходячи з чутливості 2 п'єзоелектричного датчика типу ABC-132 0,7пК/(м/с ), а також умов подальшої експлуатації. 2. Величина резистора в ланцюзі зворотного зв'язку R1  10 8 Ом вибрана, виходячи із значення нижньої граничної частоти fн  15 Гц . , 10 15  R  3. Введена низькочастотна корекція з коефіцієнтом   1  4   10 , величина резистора  R  3   R 4  20 МОм , резистора R3  2МОм . Величина ємкості корекції С3  10 мкФ , що дозволило отримати необхідну нижню граничну частоту fн  15 Гц із спадом АЧХ -40 дб/дек. При   10 , значення Uвих вимірювального підсилювача з низькочастотною корекцією змінилося всього на 2,8 В навіть при перепаді температур t  100 C . Вимірювальний підсилювач зберіг працездатність, і сигнал з його виходу був нормально оброблений. Обмеження вихідного сигналу Uвих  7 В не спостерігалося, оскільки максимальне значення вихідної напруги в застосованого операційного підсилювача Uвих макс  14 В . 20 Отримані параметри вимірювального підсилювача з низькочастотною корекцією при   30 приведені (фіг. 3,б.) 1. Ємкість в ланцюзі зворотного зв'язку Cзз  100nФ вибрана, виходячи з чутливості 2 п'єзоелектричного датчика типу ABC-132 0,7пК/(м/с ), а також умов подальшої експлуатації. 2. Величина резистора в ланцюзі зворотного зв'язку R1  10 8 Ом вибрана, виходячи із значення нижньої граничної частоти fн  15 Гц . , 25 30 35  R  3. Введена низькочастотна корекція з коефіцієнтом   1  4   30 , величина резистора  R  3   , резистора R3  7 МОм . Величина ємкості корекції С3  10 мкФ , що дозволило R 4  20 МОм отримати необхідну нижню граничну частоту fн  15 Гц із спадом АЧХ -40 дб/дек. , При   30 , навіть при перепаді температур t  100 C , значення Uвих вимірювального підсилювача з низькочастотною корекцією змінилося всього на 0.93 В. Вимірювальний підсилювач зберіг працездатність і сигнал з його виходу був нормально оброблений. Отримані результати підтверджують правильність прийнятих заходів по зниженню впливу піроелектричних струмів, викликаних дією градієнта температури на п'єзоелектричний датчик, на рівень вихідної напруги ЗЧУ. 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. Пьезоэлектрические преобразователи / В. М. Шарапов, И. Г. Минаев, Ю. Ю. Бондаренко, и др. – Черкассы. ЧГТУ, 2004. - 435 с. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 50 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 R3, 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, який відрізняється тим, що у дільники R3, R4 тa R7, R8 включено конденсатори С3, С4 відповідно, які з'єднують резистори R3 та R8 з корпусом вимірювального підсилювача. 3 UA 101749 C2 4 UA 101749 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5