Измерительные усилители

Чтобы измерить напряжение на выходе маломощного источника сигнала (датчика) и при этом не внести заметной погрешности, нужно использовать такую электронную схему, выходное напряжение которой пропорционально напряжению источника сигнала от датчика.

Эта задача решается с помощью измерительных усилителей, которые строятся на основе операционных усилителей (ОУ) с отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению. На рис. 3.2, а приведена схема измерительного усилителя, построенного на неинвертирующем ОУ, которая имеет большое входное и малое выходное сопротивления, а также обеспечивает усиление сигнала от датчика в К раз (К = R₂/R₁). Если выходное сопротивление датчика сигнала превышает 50 кОм, то можно использовать ОУ с полевыми транзисторами на входе.

Рис. 3.2. Измерительные усилители на неинвертирующих ОУ:

а – измерительный усилитель с усилением сигнала датчика;

б – электрометрический усилитель (буфер – повторитель напряжения)

В промышленных измерительных системах датчик сигнала располагается на некотором расстоянии от измерительного усилителя. Основным источником помех в таких системах являются электрические и магнитные наводки. Различают помехи поперечного и продольного вида. Поперечные помехи действуют между входными зажимами усилителя, так же, как и входной сигнал. Продольные помехи действуют между землей и входными зажимами усилителя.

Высокоомная входная линия связи очень чувствительна к емкостным наводкам. Такая линия, как правило, экранируется. Емкость экранированного кабеля имеет величину порядка 30 пФ/м. Увеличение длины кабеля приводит к большой емкостной нагрузке источника сигнала относительно общей шины (корпуса) и снижению верхней граничной частоты. Например, при внутреннем сопротивлении источника сигнала 1 ГОм и емкости кабеля 100 пФ/м верхняя граничная частота измеряемого сигнала равна 1, 6 Гц [10]. Другой проблемой в этом случае является изменение величины этой емкости во времени, вызванные, например, перемещениями. Это может привести к возникновению шумового напряжения. Если на проводник подано напряжение 10 В, то из-за колебаний величины емкости порядка 1% получаются скачки напряжения до 100 мВ. Для преодоления этих трудностей используют электрометрический усилитель (буфер – повторитель напряжения на ОУ), причем экран соединяют не с корпусом, а с выходом усилителя, как показано на рис. 3.2, б. Разность потенциалов между внутренним проводником и экраном снижается до напряжения смещения ОУ. При этом также значительно уменьшаются емкостные шумы.

Для низкоомных источников сигнала (например, термопара) можно применять инвертирующий усилитель, включенный по схеме рис. 3.3, б, потому что его низкое входное сопротивление, равное R₁, не вызывает появление погрешностей. Механизм действия продольной помехи показан на рис. 3.3, а. Здесь в качестве источника сигнала использована термопара, соединенная с ОУ двухпроводной линией. Неинвертирующий вход ОУ соединен с корпусом усилителя и со средней точкой источника питания. Термопара и усилитель через сопротивления Z₁ и Z₂ имеют паразитную обратную связь с землей.

Рис. 3.3. Измерительный усилитель на основе инвертирующего ОУ: а – механизм действия продольной помехи; б – вариант