Мостові схеми

Лабораторна робота № 7

Розрахунок параметрів мостової схеми

Завдання до роботи: вивчити роботу диференційних підсилювачів та використання разом із ними мостових схем, освоїти методику розрахунку параметрів мостових схем.

Прилади і матеріали: електронно-обчислювальна машина.

Диференційні підсилювачі

«Диференційні» чи «вимірювальні» підсилювачі промисловість випускає сьогодні у вигляді мініатюрних інтегральних схем. Основна їх функція – це формування вихідного сигналу, пропорційного до різниці напруг на двох його входах

. (7.1)

Коефіцієнт підсилення K у них звичайно порядку 100–1000, чутливість – декілька мікровольт. Синфазні завади, котрі одночасно поступають на входи, послаблюються на 100–120 дБ.

Фірма Analog Device, наприклад, випускає диференційні підсилювачі AD8129, AD8350-20, AD8351 і AD8390 в корпусах типу SO-8, MSOP-10, LFCSP-16, QSOP-epad-16 з шириною частотної смуги відповідно 200; 700; 3000 і 60 МГц (на рівні –3 дБ), з густиною власного шуму відповідно 4, 5; 1, 7; 2, 7 і 8 нВ/Гц^1/2, котрі можуть живитися від напруги 5-10 В і 10-24 В (AD8390).

Мостові схеми

Диференційні підсилювачі часто використовують при роботі з так званими «мостовими схемами», котрі називають ще «мостами Уїнстона». Їх застосовують тоді, коли під дією змін в контрольованому об’єкті чи процесі чутливий елемент змінює свою електропровідність, ємність чи індуктивність чи в загальному випадку – свій електричний імпеданс. Принципова електрична схема моста Уїнстона показана на рис.7.1. Тут U _оп – стабілізоване джерело опорної (еталонної) напруги. Імпеданси Z ₁, Z ₂, Z ₃, Z ₄ можуть бути активними, реактивними чи комплексними. Розрахунок показує, що диференційна напруга на виході моста

. (7.2)

Вона рівна нулеві, якщо міст «збалансований», тобто коли виконується співвідношення

. (7.3)

При зміні імпедансу будь-якого з плечей моста його баланс порушується, і на виході з’являється різниця напруг. На практиці найчастіше змінюється лише один імпеданс – імпеданс чутливого елементу.

Рис. 7.1. Принципова електрична схема моста Уїнстона

Для компенсації впливу таких зовнішніх факторів, як температура, тиск, сторонні електричні чи магнітні поля часто використовують 2 однакових чутливих елементи, котрі симетрично вмикають у різні плечі моста (наприклад, Z ₁ і Z ₃). Один з них «слідкує» за контрольованим об’єктом чи процесом, а другий ізольований від нього. Тоді усі сторонні зовнішні фактори однаково впливають на обидва чутливих елементи і не приводять до розбалансування моста. Однаково реагувати на зміни зовнішніх факторів повинні також імпеданси Z ₂ і Z ₄. З цією метою їх звичайно роблять ідентичними. Розбалансування моста і вихідна напруга U _диф визначаються в такому випадку лише змінами в контрольованому об’єкті чи процесі.

Щоб підвищити лінійність і точність сенсора, нерідко використовують автоматичне нуль-балансування моста (рис.7.2).

Рис. 7.2. Принцип автоматичного нуль-балансування моста: ДП – диференційний підсилювач; Рг – регулятор

Напруга з виходу диференційного підсилювача ДП подається на регулятор Рг, котрий в залежності від знаку цієї напруги може змінювати величину імпедансу Z ₂ в той чи інший бік. Лише коли міст повністю збалансований, напруга на виході підсилювача рівна нулеві, і імпеданс Z ₂ перестає змінюватися. Регулятор Рг видає на свій вихід величину зміни імпедансу Z ₂, котра пропорційна до зміни імпедансу чутливого елементу Z ₁.

Завдяки автоматичному нуль-балансуванню чутливий елемент весь час працює при незмінній напрузі, і жодних нелінійностей, зв’язаних зі зміною напруги на ньому, не виникає. До складу регульованого імпедансу Z ₂ може входити, наприклад, польовий транзистор, опір котрого змінюється при зміні потенціалу на «затворі». Регулятор може бути також оптоелектронним (тоді до його складу входить світлодіод, а до складу імпедансу Z ₂ – фоторезистор) чи, скажімо, магнітним (тоді до складу його регулятора входить котушка підмагнічування, а до складу імпедансу Z ₂ – котушка індуктивності, намотана на той же магнітопровід).

У радіосенсорах широко використовують сьогодні промислові інтегральні підсилювачі високої, проміжної і низької частоти. Вони бувають вузькосмуговими («резонансні», налаштовані на яку-небудь одну частоту) і широкосмуговими. У широкосмугових підсилювачах коефіцієнт підсилення залишається приблизно постійним у доволі широкому діапазоні частот. Випускаються також мікросхеми, в котрих сформований навіть цілий радіотракт (ПВЧ, перетворювач частоти, ППЧ, демодулятор і ПНЧ).