Измерительный усилитель

(5 ю)5 Н 03 Р 3/45 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 77 /У 1(71) Специальное конструкторское бюро поприборостроению и средствам автоматизации(54) ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ (57) Изобретение относится к измерительным устройствам, а именно к дифференциальным усилителям с регулируемым коэффициентом усиления. Цель изобретения - повышение точности коэффициента передачи при больших синфазных сигналах. Цель достигается за счет введения первого, второго, третьего и четвертого диодов 11.12, 13, и 14, а также первого и второго повторителей напряжения 15 и 16. 1 ил.(2) 45 50 55 Изобретение относится к измерительным аналоговым устройствам, конкретно к дифференциальным усилителям с регулируемым коэффициентом усиления, и может быть использовано в приборостроении и измерительной технике, например, в качестве мостового усилителя.Известен дифференциальный усилитель, называемый простейшим, выполненный на одном операционном усилителе и четырех резисторах. Одним из основных недостатков этого усилителя является низкая точность коэффициента передачи при больших синфазных сигналах, при этом относительная погрешность выходного сигнала в пересчете на один вольт синфазного сигнала при неблагоприятном разбросе сопротивлений резисторов равна Д(1)К+1 где К - коэффициент усиления;д В - максимальная относительная погрешность сопротивления резисторов (наперед заданная величина),В наиболее неблагоприятном (для усилителя) случае (при К=1), часто применяемом на практике, относительная погрешность на один вольт синфазного сигнала в известном дифференциальном усилителе согласно выражения (1) составит Наиболее близким по технической сущности к предложенному техническому решению является инструментальный измерительный усилитель, описанный практически в любом пособии по операционным усилителям, содержащий первый и второй операционные усилители, неинвертирующие входы которых являются первым и вторым входами измерительного усилителя соответственно, последовательно соединенные первый, второй и третий резисторы, при этом точка соединения первого вывода первого резистора и первого вывода второго резистора подключена к инвертирующему входу первого операционного усилителя, точка соединения второго вывода второго резистора и первого вывода третьего резистора - к инвертирующему входу второго операционного усилителя, а также третий операционный усилитель, выход которого является выходом измерительного усилителя и соединен через четвертый резистор с его инвертирующим входом, инвертирующий и неинвертирующий входы соединены 5 10 15 20 25 30 35 40 с первыми выводами пятого и шестого резисторов соответственно между неинвертирующим входом и общей шиной включен седьмой резистор, Этот усилитель на выходе содержит рассмотренный выше простейший дифференциальный усилитель, И этом усилитель имеет низкую точность коэффициента перадачи при больших синфазных сигналах, так как в нем подавление синфазного сигнала осуществляется (как и в аналоге) включенным на выходе оконечным простейшим дифференциальным усилителем. Таким образом, и для инструментального измерительного усилителя справедливы вышеприведенные формулы (1), (2).Наибольшая погрешность будет иметь место при больших синфазных сигналах (5 вольт и более), когда коэффициент К может быть принят большим единицы или в лучшем случае (при максимальном синфазном сигнале, равном 5 8) равным единице. Например, при максимальном синфазном сигнале, равном 9 В, коэффициент К не может быть принят менее 5 из условия получения выходного сигнала усилителя в целом максимальным и из условия обеспечения линейной работы предварительного парофазного каскада,В этом случае погрешность возрастает до величины 0,33 д К, Еще меньшая точность достигается в известном измерительном усилителе универсального применения, когда коэффициент К принимается равным единице, В этом случае при максимальном синфазном сигнале Осах, максимальный выходной сигнал усилителя в целом раве 2(10 - Остах.) Выражение (1), выведенное для максимального равного 10 выходногс сигнала усилителя, для последнего случая будет иметь вид Для Остах. = 9 В измерительный усилител универсального применения на основани формулы (3) будет иметь погрешность (наВ синфазного сигнала), равную д В. Пр д К = 0,14 Осщах = 9 В полная погрешност измерительного усилителя универсальноп применения составит 0,9, что свидетель ствует о его низкой точности. Целью изобретения является повыше ние точности коэффициента передачи пр больших синфазных сигналах,Это достигается тем, что в измери тельный усилитель, содержащий первыйвторой операционные усилители, неинвер55 тирующие входы которых являются первым и вторым входами измерительного усилителя соответственно, последовательно соединенные первый, второй и третий резисторы, при этом точка соединения первого вывода первого резистора и первого вывода второго резистора подключена к инвертирующему входу первого операционного усилителя, точка соединения второго вывода второго резистора и первого вывода и третьего резистора - к инвертирующему входу второго операционного усилителя, а также третий операционный усилитель, выход которого является выходом измерительного усилителя и через четвертый резистор соединен с его инвертирующим входом, инвертирующий и неинвертирующий входы - соединены с первыми выводами пятого и шестого резисторов соответственно, а между неинвертирующим входом и общей шиной включен седьмой резистор, введены первый и второй повторители напряжения, первый, второй, третий и четвертый диоды, при этом выход первого операционного усилителя соединен через первый прямосмещенный диод с его инвертирующим входом, а через обратносмещенный второй диод - со вторым выводом первого резистора и с входом первого повторителя напряжения, выход которого соединен со вторым выводом пятого резистора, выход второго операционного усилителя соединен через третий прямосмещенный диод с его инвертирующим входом, а через четвертый обратносмещенный диод - со вторым выводом третьего резистора и с входом второго повторителя напряжения, выход которого соединен со вторым выводом шестого резистора.Изобретение иллюстрируется приведенным на чертеже примером.Усилитель содержит первый - седьмой 1-7 резисторы, при этом второй резистор 2 является подстроечным, первый 8, второй 9, третий 10 операционные усилители, первый, второй, третий, четвертый диоды соответственно 11 - 14, первый 15 и второй 16 повторители напряжения. первый 17 и второй 18 входные выводы, выходной вывод 20. Отсчет сигналов производится относительно общей шины 20, Первый 17 и второй 18 входные выводы соединены с неинвертирующими входами первого 8 и второго 9 операционных усилителей соответственно. На операционном усилителе 10 и резисторах 4 - 7 собран оконечный каскад усиления, представляющий собой простой дифференциальный усилитель, На операционном усилителе 8, резисторах 1, 2, диодах 11. 12 собран первый прецизионный однополупе 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 риодный выпрямитель - усилитель, На операционном усилителе 9, резисторах 2, 3, диодах 13, 14 собран второй прецизионный однополупериодный выпрямитель-усилитель. Включение всех диодов может быть одновременно изменено на противоположное (в случае необходимости работы с синфазными сигналами преимущественно отрицательной полярности), Отметим, что резистор 2 входит как в первый, так и во второй прецизионные выпрямители, Для дальнейшего рассмотрения сопротивления того или иного резистора будем обозначать буквой В с индексом, соответствующим порядковому номеру этого резистора на чертеже, Например, сопротивление резистора 1 будет равно В 1.Усилитель работает следующим образом.Для определенности принимают О 1О 2, В этом случае выпрямитель на операционном усилителе 8 работает в режиме фиксации. Диод 11 открыт, на входе операционного усилителя 8 действуют одинаковые сигналы величиной О 1 и на выходе сигнал величиной О 1+Од, где Од - падение напряжения на диоде 11, Таким образом, напряжение О 1 повторяется на инвертирующем входе операционного усилителя 8, Это напряжение через резистор 1 подается (практически без ослабления) на вход первого повторителя напряжения 15, служащего для согласования сопротивлений резисторов, включенных на входе (резистор 1) и выходе (резистор 5) повторителя 15. Второй выпрямитель (на операционном усилителе 9) работает в режиме выпрямления с одновременным усилением, при этом открытдиод 14. Усилениедифференциального сигнала (О 1 - О 2) происходит с коэффициенВзтом - ( - + 1), что аналогично для обычногоВ 2неинвертирующего усилителя за исключением знака, Усиленное напряжение с общей точки резистора 3 и диода 14 поступает на вход второго повторителя напряжения 16, который в данном режиме работы является излишним, Он необходим при О 2О 1, Как было показано выше, коэффициент усиления выходного каскада целесообразно принять равным единице, что достигается следующими соотношениями между сопротивлениями резисторов;В 5= В 4; Вб= В 7,С учетом этого передаточная зависимостьусилителя будет иметь вид;ОЗ = -(О 1 - О 2) ( - ; + 1)ВЗВ 2(5) На входах первой ступени усиления (парофазный каскад действует на синфазный сигнал величиной; На выходе же первой ступени усиления (навыходе оконченого каскада) синфазный сигнал становится равным Ос= 0,5 О 1 + О 2 -(О 1 - О 2) -=ВЗВ 2(6) Анализ выражения (6) показывает, что синфазный сигнал на входе оконченого каскада Ос меньше синфазного сигнала Ос на входе устройства в целом и при определенном соотношении величин может быть даже равен нулю. Это одна из причин повышения точности в предложенном измерительном усилителе. Однако, при О 1=О 2 упомянутого выше снижения синфазного сигнала не происходит. Основная же причина повышения точности в предложенном измерительном усилителе состоит в том, что в нем даже при больших синфазных сигналах от 5 до 10 В на входе оконченого каскада максимальное напряжение будет не менее 10 В, А это, в свою очередь позволяет использовать максимально выход устройства в целом, т.е. иметь Овыхлпах. = 10 В и при этом можно пользоваться для расчета погрешности формулой (1), которая при К=1 превращается в выражение (2), Отсюда следует, что даже при Ос = 9 В погрешность предложенного усилителя определяется равенством (2) и равна 0,2 д В, Погрешность же прототипа определяется равенством (3), а при заданныхусловиях, как показано выше, равнад Р. Таким образом, при синфазном сигнале 9 В п римен ение предложен ного измерител ьного усилителя позволяет повысить точность в 5 раз, а при Ос = 9,5 В даже в 10 раз, что нетрудно доказать. Повышение точности предложенного измерительного усилителя при больших синфазных сигналах есть не что иное, как повышение точности коэффициента передачи, С этим связан техникоэкономический эффект применения предложенного устройства, Конкретные 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 значения полученной зкономии определяются спецификой конкретных случаев применения,Приведенные вышетеоретическиесоотношения были подтверждены экспериментально, при этом предложенный измерительный усилитель показал надежную работу,Формула изобретения Измерительный усилитель, содержащий первый и второй операционные усилители, неинвертирующие входы которых являются первым и вторым входами измерительного усилителя соответственно, последовательно соединенные первый, второй и третий резисторы, при этом точка соединения первого вывода первого резистора и первого вывода второго резистора подключена к инвертирующему входу первого операционного усилителя, точка соединения второго вывода второго резистора и первого вывода третьего резистора - к инвертирующему входу второго операционного усилителя, а также третий операционный усилитель, выход которого является выходом измерительного усилителя и через четвертый резистор соединен с его инвертирующим входом, инвертирующий и неинвертирующий входы соединены с первыми выводами пятого и шестого резисторов соответственно, а между неинвертирующим входом и общей шиной включен седьмой резистор, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности коэффициента передачи при больших синфазных сигналах, введены первый и второй повторители напряжения, первый, второй, третий и четвертый диоды, при этом выход первого операционного усилителя соединен через первый прямосмещенный диод с его инвертирующим входом, а через обратносмещенный второй диод - с вторым выводом первого резистора и с входом первого повторителя напряжения, выход которого сое. динен с вторым выводом четвертогс резистора, выход второго операционногс усилителя соединен через третий прямо смещенный диод с его инвертирующим вхо. дом, а через четвертый обратносмещенный диод - с вторым выводом третьего резисто ра и с входом второго повторителя напряже. ния, выход которого соединен с вторы выводом шестого оезистора,