Эталонным напряжением

В настоящее время операционные усилители, изготовляемые по интегральной технологии, являются самыми универсальными и массовыми аналоговыми устройствами. ОУ широко применяются не только в усилителях, но также в различных генераторах, преобразователях, стабилизаторах напряжения, компараторах, источниках эталонных напряжений, активных фильтрах, электронных ключах и т. д.

Преобразование аналоговых сигналов в цифровые осуществляется с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и является измерительным процессом, основанным на сравнении аналогового сигнала с эталонным напряжением, значение которого известно с высокой степенью точности (или в сравнении с набором эталонных напряжений). В результате этого непрерывное мгновенное значение напряжения сигнала заменяется ближайшим дискретным значением эталонного напряжения, т. е. происходит квантование сигнала по уровню.

В общем случае в состав АЦП входят следующие основные функциональные узлы: изменяемое по значению эталонное напряжение (или набор различных по значению эталонных напряжений), устройство сравнения напряжения сигнала с эталонными напряжениями и устройство кодирования, представляющее результат сравнения в заданном цифровом коде.

Основу пятиразрядного АЦП развертывающего действия ( 124, б) составляет цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), управляемый двоичным пятиразрядным счетчиком. В ис-'ходном положении на сигнальный вход компаратора подается аналоговый сигнал Ux, а на вход эталонных напряжений — нулевое напряжение с выхода ЦАП, вследствие чего на выходе компаратора действует напряжение логической 1. Если подается команда

В преобразователе цифра — аналог (ЦАП) каждое кодовое слово приводит в действие группу электронных ключей, которые управ-ляютсуммированием эталонных напряжений, соответствующих каждому из разрядов. В результате на выходе ЦАП воспроизводятся отсчеты в аналоговой форме. Такое декодирование является процессом, обратным происходящему в АЦП.

Питание устройства осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 в ±5% частотой 50 гц и от источника эталонных напряжений ±100 в класса точности 0,01—0,02 (типа ИЭН-2 или ИЭН-3).

Преобразование сводится к выявлению наличия или отсутствия в преобразуемом напряжении ?/вх весовых эталонных напряжений 2* U э. Если данное весовое эталонное напряжение, присутствует, то в соответствующем разряде двоичного числа Хг на выходе преобразователя формируется код единицы, если отсутствует — код нуля.

Старшие три каскада схемы, реализующей такой принцип, приведены на 3.45. Она состоит из усилителей постоянного тока У, двухпозиционных поляризованных реле Р с преобладанием к нижнему контакту и источников весовых эталонных напряжений 2'1/э. На вход усилителя старшего разряда <УП поступает разность входного напряжения С/вх и старшего эталонного напряжения 2П[/Э. Если эта разность оказывается положительной, то на выходе усилителя появляется сигнал, который приводит к срабатыванию поляризованного реле, формированию кода единицы на выходе и передаче эталонных напряжений в следующий каскад сравнения и вычитывания. Если на входе старшего каскада сравнения разность окажется отрицательной, то поляризованное реле не сработает и останется на нижнем контакте. Вследствие этого на выходе хп формируется код нуля, и весовое эталонное напряжение 2nU3 в следующий каскад сравнения не поступит. В следующем каскаде затем входное напряжение будет

Рассмотрим работу такого преобразователя несколько подробнее ( 3.48). Преобразуемое напряжение сравнивается с напряжением, вырабатываемым цифро-аналоговым преобразователем, которое представляет собой сумму эталонных напряжений, веса которых соответствуют весам разрядов двоичного числа.

Сумма эталонных напряжений подбирается,

При поступлении второго тактового импульса перебрасывается второй триггер, включается следующая весовая ветвь сетки сопротивлений ССопр и на ее выходе появляется следующее по весу эталонное напряжение t/3(n-i). Одновременно второй тактовый импульс поступает на вход клапана К\. В случае если на другом управляющем входе /G имеется сигнал со схемы сравнения (т. е. если ?/вх—?УЭП<0), то второй тактовый импульс проходит на второй вход первого триггера и возвращает его в исходное состояние, снимая напряжение с питаемой им весовой ветви. В случае если (?/вх— иэп) >0, триггер остается в переброшенном состоянии. Следовательно, при втором -такте в схеме сравнения входное напряжение сравнивается либо со вторым по весу эталонным напряжением ?/вх—?Лэ(п-п, либо с суммой весовых эталонных напряжений С/вх — [С/эп+^Лкп-п] в зависимости от результата первого сравнения. При этом снова выявляется знак разности и т. д.

Преобразование аналоговых сигналов в цифровые осуществляется с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и является измерительным процессом, основанным на сравнении аналогового сигнала с эталонным напряжением, значение которого известно с высокой степенью точности (или в сравнении с набором эталонных напряжений). В результате этого непрерывное мгновенное значение напряжения сигнала заменяется ближайшим дискретным значением эталонного напряжения, т. е. происходит квантование сигнала по уровню.

Низкочастотные напряжения малых уровней (единицы-десятки микровольт), осложненные помехами и шумами, очень часто преобразуются с помощью интегрирующих АЦП ( 125, а), в основу работы которых положено интегрирование напряжения сигнала в течение фиксированного времени ta = const и затем сравнения с эталонным напряжением.

Высокую степень стабильности напряжения питания можно получить только при использовании активных схем стабилизации. На 137, б приведена принципиальная схема стабилизатора напряжения, выполненного на основе операционного усилителя А. Операционный усилитель работает в режиме повторителя, охваченного 100 %-ной отрицательной обратной связью и повторяющего на. сопротивлении нагрузки Кя с высокой степенью точности эталонное напряжение ?ат. Принцип работы стабилизатора сводится к следующему. Напряжение на выходе f/CTa6 сравнивается (в операционном усилителе, включенном по дифференциальной схеме) с эталонным напряжением ?вт :

Функциональная схема стабилизатора такого типа, основанного на широтно-импульсной модуляции (ШИМ), приведена на 137, в. Так же как и в непрерывном стабилизаторе, напряжение на сопротивлении нагрузки ?/Стаб сравнивается с эталонным напряжением ?эт. Разностный сигнал усиливается и поступает на широтно-импульсный модулятор ШИМ, управляя длительностью формируемых им импульсов тимп = var ( 137, г). Если напряжение на выходе увеличивается, то длительность импульсов уменьшается, и наоборот. С выхода модулятора импульсы подаются на запертые транзисторы VT1, VT2, открывая их на время, равное длительности управляющих импульсов. Транзисторы, таким образом, работают в ключевом режиме, подключая сопротивление нагрузки к источнику питания лишь на некоторое время. Чтобы в сопротивлении нагрузки ток был постоянным, ставится П-образный Сф/,фСф — фильтр нижних частот. Поскольку частота следования импульсов обычно велика (десятки килогерц), то фильтрация не вызывает каких-либо особых затруднений. К- п. д. стабилизаторов, работающих в режиме переключения, может доходить до 99 %.

Падение напряжения на этом резисторе t/y = IRa сравнивается с эталонным напряжением ?эт и стабилизатор, изменяя сопротивление транзисторов VT1, VT2 стремится сравнять напряжение Uу с эталонным ?эт. Поскольку ?эт = const и R3 = = const, ток в резисторе ^э (и, следовательно, в сопротивлении нагрузки) стремится к заданному значению, т. е. / -*• const. Недостаток рассмотренного стабилизатора тока непрерывного действия — низкий к. п. д. Поэтому для стабилизации больших токов используют стабилизаторы ключевого действия с широтно-импульсной модуляцией (рис, 138, б), которые выполняются на основе ключевых стабилизаторов напряжения и работают по рассмотренному выше принципу.

. Структурные схемы компенсационных стабилизаторов напряжения и тока приведены соответственно на VIII.2, а и б. Принцип pa-1 боты стабилизатора напряжения ( VIII.2, а) следующий. Пусть напряжение UBX возросло, тогда на измерительный элемент 2 поступает повышенное выходное напряжение ?/вых или его часть. Измерительный элемент автоматически сравнивает напряжение (У„ых с эталонным напряжением [7ЭТ (источник эталонного напряжения помещается в измерительном элементе) и вырабатывает управляющее напряжение (сигнал рассогласования) Uy = 1/вых — (/эт. Управляющее напряжение через усилительный элемент 3 (который не является принципиально необходимым) изменяет режим работы регулирующего элемента 1 так, что напряжение ?/ВЫх стремится достичь первоначальной величины (или весьма близкой к ней).

поле возбуждения машины. Напряжение Е\ является эталонным напряжением, с которым сравнивается величина е2. Напряжение постоянного тока е% получается в результате выпрямления, фильтрации и т. д. напряжения на нагрузке es, которое требуется поддерживать неизменным. Изменение сопротивления нагрузки Zg вызывает соответствующие изменения напряжений еа и е2. Если величина Ei + e2 оказывается отличной от нуля, то результирующее поле эталонной обмотки и обмотки обратной связи вызывает изменение тока /5, которое приводит к очень большим изменениям напряжения et, а следовательно, и возбуждения генератора, работающего на нагрузку. В результате напряжение на нагрузке е& приводится к своему первоначальному значению. Заметим, что переменные, соответствующие части схемы NI слева от пунктирной линии, являются величинами (напряжениями и токами) переменного тока, за исключением переменных на выходных зажимах четырехполюсника А.

Выявление наличия весовых эталонных уровней проводится последовательно, поэтапно, начиная со старшего, путем сравнения и вычитания. На первом этапе преобразуемое напряжение сравнивается со старшим эталонным напряжением. Если преобразуемое напряжение превышает эталонное или равно ему, то в старший разряд двоичного числа на выход выдается код единицы и определяется разность (?/вх — 2nVa). Если преобразуемое напряжение оказывается меньше, то в старший разряд двоичного числа на выход выдается код нуля, разность при этом не определяется.

На втором этапе полученная'разность (?/вх — 2nU3), если хп=\ (или полное входное напряжение ?/вх, если лг„ = 0), сравнивается со следующим весовым эталонным напряжением. И вновь, если (?/вх — 2П?/Э) ^2"-Ч7э (или t/BX^2n-1L'3 при х„ = 0), то в следующем xn_i разряде двоичного числа на выходе формируется код единицы и определяется разность (t/BX—2™[/3)— 2n~lUa. Если (f/EX—2nt/D) оказывается меныпе>

сравнении с эталонным напряжением

сравниваться только со следующим весовым эталонным напряжением и т. д.