Лабораторная работа № 1 Моделирование измерительных усилителей Часть 1. Теоретические сведения по работе измерительных усилителей Во многих случаях измерения сигнала сенсора U c проходит на фоне большой помехи или большой синфазной составляющей Ес . Для её подавления применяется дифференциальное включение усилителя (рис.1). Rос Uвх1 R1 Uвых K0 Uc Uвх2 R2 Ec R3 Рис.1.Схема подключения дифференциального ОУ В этом случае измеряемый сигнал прикладывается между двумя входами. Для того, чтобы обеспечить равенство коэффициентов передачи по обоим входам ОУ (m1 = m2 ) необходимо, как известно, выполнение условий: ос / =  / . В частности, при полной симметрии схемы:  Rос = R3 R = R 2  1  Rос R3 = =m m1 = m2 = R R 1 2   Rос (U вх 2 − U вх 1 ) U вых = (+ ) R 1  Т.е. в идеальном случае синфазная составляющая в сигналах вх и вх должна подавляться. Но этого не происходит по нескольким причинам. Во-первых, сам операционный усилитель (ОУ) обладает ограниченным коэффициентом ослаблением синфазного сигнала – КОСС1. КОСС обычно задается в логарифмическом масштабе КОСС = 20lg  д,  с (1) где д - дифференциальный коэффициент усиления, K c - коэффициент передачи синфазного сигнала. Типичные величины с = 10 ÷ 10 , КООС1 = (70 ÷ 80) дБ, а для прецизионных ОУ - более 100 дБ. Кроме того, из-за ограниченной точности внешних резисторов коэффициенты передачи по входам не равны ( ≠  ) и, следовательно, синфазный сигнал «просачивается» на выход с большим значением, чем обеспечивает собственно ОУ с =  ∙    ∙ ос  ∙(  ос ) ≈ ∆  ≈ , (2) где  - относительная погрешность резистивных делителей. Суммарный коэффициент ослабления синфазного сигнала составит КОСС∑ = 20  д с с , (3) Из последней формулы следует, что теоретически подстройкой резисторов можно обеспечить сколь угодно большой КОСС. Но это будет справедливо только в локальной точке и при неизменных условиях. Дополнительные погрешности в величину δ (m) вносят также выходные сопротивления источников сигналов. Второй недостаток простого дифференциального усилителя – входное сопротивление схемы определяется не параметрами дифференциального усилителя, а номиналами входных резисторов. Следовательно, реализовать большее входное сопротивление ОУ не удается. Третий недостаток – для изменения коэффициента передачи нужно одновременно (синфазно) и точно менять отношение ос / =  / , что практически невозможно. Для устранения отмеченных недостатков применяются специализированные измерительные усилители, основной задачей которых является усиление малых сигналов на фоне весьма значительных синфазных помех. Это является главным отличием измерительных усилителей от других масштабирующих усилителей. В частности, для повышения входного сопротивления дифференциального усилителя можно применять составной дифференциальный усилитель на двух ОУ в неинвертирующем включении (рис.2). Такое включение ОУ обеспечивает, как известно, очень большое входное сопротивление. R5 R1 R2 R3 (10,1 к) (10,1 к) (1,0 м) Uвх2 K0 Rос =R4 (1,0 м) Uвых K0 Uвх1 Рис.2. Составной дифференциальный ОУ В случае выполнения условия ос / =  / = m вых = ( + 1) ∙ (вх − вх ) КОСС = 20    ≈ 20lg  ( )/(  ) (4)    (5) Например, при  ≤ 0,1% и  = 99, что соответствует номиналам, указанным на рис.2, имеем m = 100, KOCC ≥ 80 дБ. Для еще большего повышения КОСС в схеме рис.2 один из резисторов (например, R1) делается подстраиваемым. Для осуществления регулировки коэффициента передачи вводится дополнительный регулируемый резистор R5. Тогда вых = ( + 1 +  ос  ) ∙ (вх − вх ) (6) и возможна регулировка усиления с помощью только одного резистора R5. Однако, и в составном ОУ КОСС будет определяться все теми же четырьмя резисторами. Более высокий КОСС обеспечивает схема измерительного (инструментального) усилителя на 3-х ОУ (рис.3): на входе включены повторители D1 и D 2 , а на выходе дифференциальный каскад D 3 с коэффициентом передачи  =  / . Входное сопротивление определяется повторителями D1 и D2 и поэтому очень велико по обоим входам (вх ≈ с ), где с - сопротивление синфазному сигналу. Тем самым исключается влияние выходных сопротивлений источников сигналов. Коэффициент подавления синфазного сигнала будет определяться только выходным дифференциальным каскадом и не будет зависеть от входных каскадов. Проанализируем коэффициент передачи в инструментальном усилителе: 1. Учитывая, что д → 0, имеем  = вх ,  = вх . 2. Соответственно потенциалы точек С и D могут быть рассчитаны исходя из того, что по ним идет один и тот же ток I0 ( вх (ОУ) ≪  ). Тогда U С = U A + I 0 R U = U − I R B 0  D  I = U A − U B  0 αR  0 ≤ α ≤ 1 (7) U вых = (U D − U C ) ⋅ m (8) В свою очередь, Решая (7) и (8), получим:  2 U вых = (U вх 1 − U вх 2 ) ⋅ m1 +  .  α (9) Таким образом, коэффициент передачи меняется одним резистором  одновременно по двум входам. При интегральном исполнении характеристики D1 и D2 оказываются в значительной степени коррелированными, что улучшает параметры измерительного усилителя – уменьшает суммарное напряжение смещения нуля см и шумы ОУ, стабилизируется отношение и, в целом, увеличивается стабильность коэффициента передачи. При этом КОСС значительно возрастает и составит КОСС ≈ 20  д = 20  с  ∙( /) ( )  (10) Измерительный усилитель выпускается, в основном, в двух модификациях: • С выносным резистором  (рис. 3), в котором имеются выводы для подключения внешнего переменного резистора . Но температурный коэффициент сопротивления (ТКС) внутреннего и внешнего резисторов оказываются разными и, следовательно, в диапазоне температур меняется величина и общий коэффициент передачи. • Со встроенными наборами резисторов  (рис.4). Замыкая нужную точку делителя с помощью внешней перемычки, реализуем стандартный набор стабильных коэффициентов передачи K = 1, 10 , 100 , 1000 . Разумеется, при применении внешнего регулировочного резистора и некотором ухудшении стабильности можно реализовать и промежуточные коэффициенты усиления. Типичные параметры для инструментального усилителя: Rвх = (1 ÷ 10 ) ГОм ; KOCC ≥ (100 ) дБ (при КД≥100); U cм 0 ≤ 0.1 мB ; TK (U см 0 ) = (5 ÷ 10) мкВ/ 0 C , частота единичного усиления f Т ≥ (10 − 20) МГц, коэффициент нелинейных искажений (КНИ) не более 0,005 % (при K = 1 ). По своим характеристикам лучшие современные интегральные инструментальные усилители приближаются к устройствам метрологического уровня. В Таблице1 приведены параметры некоторых интегральных инструментальных усилителей. 0,35 AD 625 1-104 0,05 1 15 0,05 AD 8255 5 0,15 2 - 0,1 K=5 INA 116 1-103 1 0,4 25 фА 0,02 INA 118 1-104 0,12 20 5 0,2 INA 217 1-103 2 20 - 0,5 MAX 4197 100 0,2 2 - MAX 4199 10 0,3 3 - MAX 4461 1,10, 100 0,3 1,5 LT 1167 1-104 0,2 0,3 0,35 0,08 LT 2053 1-103 0,02 0,05 - 0,01 0,05 5 20 1,5 2 - PGA 204 PGA207 1,10, 102, 103 1,2, 5,10 2 (К=103) 0,3 ±2,5±6 0,6 1 25 (К=103) 5 ±6±18 5 2 1,2 3 1 1 0,4 1 90/0 Гц (K=10) 105/0 (K=10) 70/60 Гц 80/10 кГц 106/0 (К=100) 110/0 (К=10) 70/0 (К=1) 86/0 (К=100) 76/0 (К=10) 90/0 (К=1) 88/0 (К=1) 90/0 (К=1) 900 (К=5) 7 (К=103) 7 (К=103) 80 (К=100) 3,1/ K=100 45 K=10 25 K=100 12 K=103 0,2 K=103 0,05 110/0 (К=100) 1 К=103 0,7 0,05 80/0 (К=1) 600 K=10 - 0,05 K=100 45 K=10 0,6 0,8 0,9 - ±1,7±18 ±4,5±18 ±1,4±18 ±4,5±18 2,77,5 2,77,5 2,95,2 ±2,3±18 2,710 3,4 0,06 4 1,4 2 1,3 1 1,3 4,5 ±4,5±18 6,5 6 ±4,5±18 13,5 7 1. 3 ИОУ в корпусе. 2. 3 широкополосных ИОУ в корпусе. 3. ИОУ с фиксированным усилением. 4. Предусмотрен режим ожидания с малым энергопотреблением. 6. ИОУ с программируемым усилением. 7. Широкополосный ИОУ с ПТ-входом. 12 0,1 Примечания. 5. ОУ типа ПКД (3 кГц). Примечание 25 Iп [мА] 2,5 Eп [В] Iвх [нА] 0,2 Скорость Нарастания [B/мкс] ТК(Uсм0) [мкВ/С] 1-103 Полоса пропускани я [кГц] Uсм0 [мВ] AD 623 КОСС [дБ]/на Гц Модель Усиление Погрешнос ть Усиления Таблица 1. Параметры интегральных инструментальных усилителей Часть 2. Моделирование измерительных операционных усилителей 2.1 Оценка характеристик измерительного усилителя на одном ОУ (ИОУ-1) в динамическом режиме 1. Откройте файл demonstration.ms10 (рис. 1). XSC1 V1 15 V R3 V3 -15 V Ext T rig + 500kΩ _ B A + R1 _ + _ U1 10kΩ R2 10kΩ OPAMP_5T_VIRTUAL R4 500kΩ V2 100 Hz 1V Рис.1 Схема моделирования ИОУ на одном усилителе для оценки характеристик в динамическом режиме. Схема ИОУ-1 на 5-ти выводном ОУ, приведенная на рис.1, предназначена для оценки влияния синфазной составляющей на выходное напряжение дифференциального каскада в динамическом режиме. Для большей наглядности дифференциальный сигнал в данном случае отсутствует. Диф. каскад выполнен на ОУ U1. Коэффициент передачи схемы  = ос /1 = 3 /2 (номинальное значение) задается резисторами R1-R4, питание ОУ обеспечивают источники постоянного напряжения V1,V2. Синфазная составляющая вырабатывается генератором прямоугольных импульсов V3. Осциллограф XSC1 предназначен для просмотра результатов моделирования. 2. Запустите моделирование и уясните работу схемы. Зафиксируйте осциллограмму выходного сигнала при δm=0 и оцените по осциллограмме КС. 2.2 Исследование работы ИОУ-1 в статическом режиме 1. Откройте файл dif.ms10 (рис.2). V1 15 V V2 15 V R3 500kΩ J1 Key = 1 R8 50Ω R1 U1 10kΩ R2 J2 10kΩ V3 10mV Key = 1 R4 500kΩ OPAMP_5T_VIRTUAL + -0.486 V U2 DC 10MOhm - V4 2V Рис.2 Схема моделирования ИОУ на одном усилителе для оценки характеристик в статическом режиме. Схема, приведенная на рис.2, была получена из предыдущей схемы путем добавления источника дифференциального сигнала (источник постоянного напряжения V3) с конечным внутренним сопротивлением, представленным в виде управляемого резистора R5 (величина сопротивления устанавливается источником V6), а также добавлением ключей J1, J2, предназначенных для изменения полярности сигнала на входах дифференциального усилителя. 2. Запустите моделирование и уясните работу схемы. 3. Рассчитайте и измените параметры схемы (рис.2) в соответствии с данными, приведенными в табл.1. для вашего варианта. Откройте окно свойств ОУ, установите и зафиксируйте его параметры. Таблица 1. Параметры моделирования ИОУ-1 Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Амплитуда вх. диф. сигнала UД=V3, [мВ] 15 5 10 15 15 10 15 5 10 15 KД 55 50 60 65 75 75 80 85 100 90 R3=R4 [кОм] 550 600 650 700 750 800 750 850 900 650 2.5 1.0 1.5 -2.0 -2.5 2.0 2.5 -1.0 -2.5 -2,0 0,10 0,05 0,04 0,06 0,05 0,07 0,08 0,05 0,03 0,09 10 15 20 25 30 1 0,5 2 1,5 1 1,0 2,0 1,5 2,0 2,5 0,1 0,05 0,02 0,1 0,05 0,5 0,4 0,3 0,3 0,2 0,2 0,3 0,2 0,3 0,5 80 85 75 80 70 85 80 80 70 85 5 4 3 -5 -4 -3 5 4 3 -4 Напряжение синфаз. сигнала V4=ЕС0, [В] Величина сопротивления датчика, N = R8/R1 Входные токи ОУ [нА] Разность вх. токов ОУ, [нА] Напряжение смещен. UСМ01= V7, [мВ] КОСС1 (ОУ), [дБ] δR2×10-3 1) Определите сопротивление резисторов R1, R2, необходимое для обеспечения заданного коэффициента дифференциального усиления д = 2) → ଵ = ଶ = ଷ д Рассчитайте величину внутреннего сопротивления датчика напряжения ோఴ ோభ 4. ଷ ସ = ଵ ଶ = → ଼ = ଵ ∙  Зафиксируйте исходное выходное напряжение сбалансированного ИОУ-1 при отсутствии синфазного и дифференциального сигналов (δm=0, V3=0, V4=0). Подайте на входы дифференциального каскада синфазный сигнал ЕС0. Запишите значение напряжения на выходе. Теперь, используя полученные данные, найдите КОСС ИОУ-1 для вашего случая. Объясните полученный результат. 5. Оцените влияние внутреннего сопротивления источника сигнала R8. При нулевом синфазном сигнале зафиксируйте значения Uвых для разных значений сопротивления R8. Данные необходимо занести в таблицу 2. Таблица 2. Влияние сопротивления датчика на ИОУ-1 R8 = 0 R8 = R8 nom R8 = 0,5R3 R8=R3 Uвых, В 6. Исследуйте влияние изменении синфазного сигнала V4 на выходное напряжение при отклонении резистора R2 от номинала на величину ±δR. Напряжение синфазного сигнала Ec=V4 должно изменяться в пределах (− ÷ 2 ). Величины Ec0 и δR указаны для вашего варианта в табл.1. Данные измерений необходимо занести в таблицу 3. Таблица 3. Результаты исследования КОСС ИОУ-1 Вариант 7. Uвх=V3, мВ 1 R2=R2 min UД 2 R2=R2 nom UД 3 R2=R2 max UД 4 R2=R2 max ±UД Для точных Uвых, В (V4=-Ec) измерений и Uвых, В (V4=0) подавления Uвых, В (V4=2*Ec) КОСС, дБ Кс аддитивных погрешностей рекомендуется производить два последовательных измерения, при которых производится переполюсовка сигнала на входах диф. каскада. Полученные данные складываются по модулю и делятся на два, тем самым, исключая влияние синфазной составляющей. В нашем случае переполюсовка осуществляется с помощью ключей J1, J2. Произведите измерения согласно этому способу для варианта 4 таблице 3. 8. Рассчитайте и внесите в таблицу 3 значения Кс и КОСС. вых = д ∙ д + ௖ ∙ ௖ ௖ = → КОСС = 20  д  с вых − д ∙ д ௖ 2.3 Исследование работы инструментального усилителя на 2-х ОУ (ИОУ-2) в статическом режиме 1. Откройте схему dif_2.ms10 (рис.5). R5 4.5kΩ V1 15 V V2 15 V R3 R1 R2 R4 500kΩ 10kΩ 10kΩ 500kΩ U2 U1 J1 OPAMP_5T_VIRTUAL Key = 1 J2 R8 50Ω OPAMP_5T_VIRTUAL + Key = 1 -2.568 V3 U3 DC 10MOhm - V4 10mV V 2V Рис.6 Схема моделирования инструментального усилителя на 2-х ОУ. На рис.6 представлена схема ИОУ-2, выполненная на 2-х ОУ (U1,U2). Назначение элементов схемы аналогично схеме, приведенной на рис.2. Схема ИОУ-2 в отличии от ИОУ-1 обладает большим входным сопротивлением, а регулировка коэффициента усиления осуществляется резистором R5. 2. Запустите моделирование и уясните работу схемы. 3. Рассчитайте и измените параметры схемы ИОУ-2 в соответствии с дополнительными параметрами, приведенными в таблице 4. Остальные параметры должны соответствовать таблице 1. Таблица 4. Дополнительные параметры к ИОУ-2 Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 m 5 7 8 6 5 4 8 7 6 5 КОСС2 (дБ) 85 75 80 70 85 80 80 70 85 80 UСМ02 (мВ) 0,5 0,3 0,4 0,2 0,3 0,2 0,3 0.5 0,5 0,4 1) Определите сопротивление резистора R5 д =  + 1 + 4.  +   →  =  +  д −  − 1 Оцените влияние внутреннего сопротивления источника сигнала R8 на выходной сигнал. Данные занесите в таблицу 5. Сравните результаты с результатами, полученными для ИОУ-1. Таблица 5. Влияние сопротивления датчика на ИОУ-2 R8 = 0 R8 = R8 nom R8 = 0,5R1 R8=R1 Uвых, В 5. Исследуйте влияние изменений синфазного сигнала V4 на выходное напряжение ИОУ-2 при отклонении резистора R2 от номинала на величину ±δR2. По результатам моделирования ИОУ-2 заполните таблицу 6. Таблица 6. Результаты исследования КОСС ИОУ-2 Вариант Uвх=V4, (мВ) 1 R2=R2 min Uд 2 R2=R2 nom Uд 3 R2=R2 max Uд 4 R2=R2 max ±Uд Uвых, (V4=-Ec) Uвых, (V4=0) Uвых, (V4=2×Ec) Кс КОСС, дБ 2.4. Исследование работы инструментального усилителя на 3-х ОУ (ИОУ-3) в статическом режиме 1. Откройте схему iou.ms10 (рис.6). J1 U1 Key = 1 R1 R3 10kΩ 500kΩ OPAMP_5T_VIRTUAL R6 R5 5kΩ R8 50Ω U3 10kΩ R7 R2 10kΩ 9.9kΩ OPAMP_5T_VIRTUAL R4 500kΩ U2 J2 + - V3 5mV Key = 1 1.270 V U4 DC 10MOhm OPAMP_5T_VIRTUAL V4 2V Рис.7 Схема моделирования инструментального усилителя на 3 ОУ. На рис.7 представлена схема ИОУ-3, выполненная на 3-х ОУ (U1, U2, U3). Входные каскады (U1, U2) работают в режиме повторителей, а выходной каскад (U3) в режиме диф. усилителя с фиксированным коэффициентом передачи. Схема обладает большим входным сопротивлением, а регулировка коэффициента усиления осуществляется резистором R5. Назначение остальных элементов схемы аналогичны схеме, приведенной на рис.2. 2. Запустите моделирование и уясните работу схемы. 3. Рассчитайте и измените параметры схемы ИОУ-3 в соответствии с дополнительными данными, приведенными в табл. 7. Остальные параметры должны соответствовать табл. 1 и табл. 3 Таблица 7. Дополнительные параметры к ИОУ-3 Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 R6=R7 [кОм] 20 10 15 10 20 15 20 10 15 10 КOCC3 (дБ) 80 85 70 80 80 75 70 80 75 85 Uсм3 (мВ) 0,5 0,4 0,5 0,3 0,2 0,3 0.4 0,5 0,6 0,7 1) Определите величину резистора R1. Принять отношение  / =   =  / 2) Рассчитайте сопротивление резистора R5, задающего Kд 2 д =  ∙ 1 +   = 4. → ∙  = 2 д −1  Оцените влияние внутреннего сопротивления источника сигнала R8 на выходной сигнал. Данные занесите в таблицу 8. Сравните результаты с результатами, полученными для предыдущих схем. Таблица 8. Влияние сопротивления датчика на ИОУ-3 R8 = 0 R8 = R8 nom R8 = 0,5R6 R8=R6 Uвых, В 5. Исследуйте влияние изменений синфазного сигнала V4 на выходное напряжение ИОУ-3 при отклонении резистора R2 от номинала на величину ±δR2. По результатам моделирования ИОУ-3 заполните таблицу 9. Таблица 9. Результаты исследования КОСС ИОУ-3 Вариант Uвх=V4, (мВ) 1 R2=R2 min Uд 2 R2=R2 nom Uд 3 R2=R2 max Uд 4 R2=R2 max ±Uд Uвых, (V4=-Ec) Uвых, (V4=0) Uвых, (V4=2×Ec) Кс КОСС, дБ Объясните полученные результаты и сравните их с результатами, полученными для ИОУ-1 и ИОУ-2 Содержание отчета • схемы моделирования, • расчет параметров схем моделирования, • результаты моделирования (осциллограммы, таблицы и графики), • сопоставление результатов моделирования с теорией. Контрольные вопросы 1. Функциональные схемы измерительных усилителей. 2. Достоинства и недостатки различных типов измерительных усилителей. 3. Основные соотношения для различных типов измерительных усилителей. 4. Каким образом можно увеличить КОСС измерительных усилителей? 5. Каким образом можно исключить влияние синфазных составляющих на результат измерения?