Воротников С.А. - Информационные устройства робототехнических систем (960722), страница 17
Текст из файла (страница 17)
е. приведение его к стандартному уровню. Исходя из этого основным требованием к ИУ является точность. Для ее обеспечения необходимо выполнение следующих условий: коэффициент усиления по напряжению должен иметь постоянное значение К~, не зависящее от частоты и фазы входного сигнала; бесконечно большой коэффициент ослабления синфазного сигнала ~ос.сф * равенство нулю входного и выходного напряжений смещения, а также выходного импеданса. Указаниыс условия требуют применения комплексных схемотехнических решений. Как правило, ИУ строится на базе прецизионного ОУ и содержит нс менее трех каскадов усиления, каждый из которых решает собственную задачу ~рис, 2.15).
ОУ имеет два входа — инвсртирующий и неинвертирующий — и один выход, напряжение на котором синфазно с напряжением на неинвсртирующем входе. Рис. 2Л5. Схема трехкаскадного ОУ: 1 — дифференциальный каскад; 2 — каскад усиления; 3 — согласующий каскад Первый каскад всегда представляет собой Дифференциальный усилитель. Простейший дифференциальный усилитель включает активную схему с двумя симметричными плечами, питание которой осуществляется генератором тока ГТ ~ем. рис. 2.15).
Входным сигналом Уа„является разность напряжений на входах Вх1 и Вх2 схемы, выходным У~,„— разность напряжений на выходах Вых~ и Вых2. Напряжения с Вых1 и Вых2 поступают на второй каскад, состоящий из инвертора и эмиттерного повторителя. Назначение этого каскада — преобразование двухфазного сигнала с дифференциального у~и~и~е~я в однофазныи. Сиг~~л с Вь1х2 инвертируется и ~ычитаетс~ из 2.3.
Измерительные усилители сигнала с Вых!. Третий каскад используется для усиления сигнала и содержит эмитгсрный повторитель, снижающий выходное сопротивление усилителя. Для повышения Хц в схеме ОУ могут быть дополнитсльные каскады усиления. ИУ является достаточно сложным прибором, его функционирование описывается большим числом параметров, Приведем важнейшие из них и в скобках укажем диапазоны изменения их числовых значений: з коэффициент усиления К~ (от 10 до 10 ); коэффициент ослаблсния синфазных напряжений К, ф (от 60 до 120 дБ); напряжение смещения Усь„характеризующее несимметричность входного каскада и равное напряжению, которое надо подать па усилитель, чтобы сигнал на его выходе обратился в нуль (от 10 до 10 мВ); входное (диффсренциальное) сопротивление Н,„, равное отношению изменения дифференциального напряжения на входах ИУ к изменению а 9 входного тока (от 10 до 10 Ом); частота единичного усиления ~,1, определяющая полосу пропускания 5 8 ИУ, когда коэффициент К~— - 1 (от 10 до 10 Гц); выходное сопротивление Л„~„.
' В настоящее время промышленно выпускают усилители самого разного назначения. Все их условно можно подразделить на четыре группы. К первой относятся усилители общего применения, используемые в бытовой аппаратуре, звукозаписывающих устройствах и др. Вторую группу составляют 6 прецизионные усилители (Ус < 0,1 мВ; Ку > 10 ); как правило, их включают в измерительные цепи датчиков. Третью группу образуют быстродействующие усилители, у которых скорость нарастания напряжения У~~ > > 100 В/мкс; обычно их применяют в видеоустройствах.
Наконец, к четвертой группс относятся усилители с особыми режимами мощности: микромощныс, с током потребления менее 10 мкА, и мощные, с током нагрузки до 1А. Первые, как правило, используют в бортовых приборах, вторые — в усилителях мощности. При расчете схем ИУ применяют модель идеального ОУ, для которого характерны следующие допущения: Кц = па низких частотах, причем с ростом частоты уменьшение К нс должно превышать 20 дБ/дск (рис. 2.16, а); Н,„=; Ю„„„=О.
На практике эти значения недостижимы, однако для большинства режимов работы усилителей указанные допущсния выполняются с приемлемой точностью. Так, вносимые ИУ погрешности, по крайней мере, на два порядка ниже погрешностей ЧЭ и измерительной схемы. 83 2.3. Измерительные уеилиаели АЧХ трехкаскадного ОУ имеет три излома на разных частотах среза (см. рис. 2.16, а). После первого на низшей частоте среза АЧХ имеет наклон 20 дБ/дек, после второго — 40 дБ/дек, после третьего — - 60 дБ/дек.
Соответственно фаза выходного сигнала после первого каскада отстает от фазы входного сигнала на 90, после второго — на 180, после третьего — на 270 . Условием устойчивости ОУ с отрицательной обрагпой связью является отс1аванис по фазе не более чем на 120 . Поскольку АЧХ имеет три излома, то для обеспечения устойчивости ОУ требуется два корректирующих ИС-звена.
В современных ОУ используется внутренняя частотная коррекция, а также внутренняя защита от перегрузок по выходу. Наиболее распространены три схемы ИУ: простая дифференциальная, дифференциальная с буферными каскадами и прецизионная. Самой известной является простая дифференциальная схема ИУ (рис. 2.17, а). Она является базовой для мостовых измерительных схем. Для обеспечения одинакового усиления по прямому и инверсному входам схема содержит делитель напряжения _#_3И4на прямом входе, выбираемый из условия К~ /Л2 - — — Н3/Я4.
Коэффициент усилсния ~/вых . ~2 / ~1 — 1+ ~ЧЯКи) Функция преобразования в этом случае аппроксимируется зависимостью вида Увых =- ((/вх2 — Пвх|)К2/Л~, Бажнейглим свойством дифференциальной схемы является значительное умсньшснис уровня паводок, действующих на все плечи моста и поступающих затем на оба входа усилителя в одной фазе. Эти наводки получили название синфазныс помехи, Степень ослабления такого сигнала определяется коэффициентом К „ф.
Пусть усилитель среднего класса К140 УД7 имеет дифференциальную схему включения, а напряжение сетевой наводки У равно уровгпо полезного сигнала: 0 = У = 10 мВ. Тогда выходное напряжение от измеряемого сигнала Увых и помехи (/вых сф при К/ —— 10 (например, при Р1 = 1 кОм, К2 = 10 кОм) и паспортном значении К,ф — — 80 дБ оставят Увых = ЮК2/К1 = 100 мВ; У,ы„„1, — — И В2ЩК „. „; ) = 10 мкВ.
Таим образом, выходной сигнал от помехи ослаблен в 1000 раз. Недостатком рос"гой дифференциальной схемы является низкое входное сопротивление ри дифференциальном и синфазном сигналах: ~вх.диф ~1 + ~3 /~вх.сф % + /~2)(/~3 + /~4) Ж + ~2 + /~3 + ~4) 153 Рис. 2.17. Простой дифференциальный усилитель ~а), усилитель с буферными каскадами ~6) и прецизионный усилитель для мостовой измерительной схемы (6) Для получения высокого входного напряжения, а также увеличения коэффициента усиления использукп схему усилителя с буферными каскадами, которая представляет собой двухкаскадный ИУ ~рис..
2,17, 6). Высокое К „„ф обеспечивается использованием одноименных (прямых) входов усилителей. При этом входное сопротивление не зависит от козффициента усиления. Первый каскад усиливает дифференциальный сигнал в Я+В2+ +Кз)~ К~ раз при единичном усилении синфазной составляющей, второй— Я+ В2+ Кз)К5 В К5 / К~ раз. Суммарный Кц,с = . Обычно он задается од- Кф4 2З. Излюрительиые усилители ним резистором В! и достигает 10000. Для обеспечения максимального К„,ф выбирают К4В7 = К5йб (в расчетах полагают К2 — — Кз, К~ — — Кб, К~ — — Юу), Пусть все резисторы, кроме первого, одного номинала: Ю; = 25 кОм ~где с = 2, 3, ..., 7), а й1 = КН; = 50 Ом, где К вЂ” коэффициент, Тогда К = !/500.
Напряжение У,„,„= (1+ 2/К)(У„„2 — У,„1) и, следовательно, К~„, — — 1001. Если резистор И! отсутствует (К = ), К~се —— 1, Прецизионные ИУ„как правило„используют с конкретными измерительными схемами. Такой подход обеспечивает очень низкий уровень температурного дрейфа и шума. Примсром ИУ для мостовых схем является однокристальный программируемый усилитель АО 624 фирмы Апа!оя 0енсев (США), представленный на рис. 2.17, в.
Схема имеет следующие характеристики: диапазон рабочих температур — 40 ... + 40 С; максимальный входной сигнал 10 мВ, максимальное выходное напряжение 1 В, полоса частот сигнала 1О Гц. Мост предварительно сбалансирован, и напряжение смещения з усилителя при 20 С равно нулю. Выпускают четыре модели усилителя АО 624, отличающиеся допустимым уровнем погрешностей. Так, самая точная модель АХ) 6240 обладает суммарной погрешностью (включающей нелинейность, температурный дрейф и шум) в рабочем диапазоне не выше 0„0015 %.
Примеры промышленных ИУ приведены в табл. 2.8. Таблииа 2.8 Технические характеристики промышленных ИУ " Температурный коэффициент напряжения смещения. Итак, мы рассмотрели основные элементы и принципы построения информационных устройств для робототехнических и мехатронных систем. Использование соответствующих ЧЗ, измерительных схем и усилителей позволяет строить эффективные датчики, которые широко применяются в устройствах автоматики, станках, а также в средствах измерения и неразрушающего контроля.
2. З~~~~~~ль~ лйфор~~оцоониыт сис~~1е.ч Контрольные вопросы 1. Какой тип гензорезисторов обладает наибольшей чувствительностью? 2. Как обеспечить инвариантность чувствительности пьсзозлектричсского элемента к его размерам? 3. Что такое сечение Кюри? 4. Какой из преобразователей являегся геператорным — лампа накаливания, фотодиод или тснзорезистор? 5. Что такое дйаграмма направленности светодиода? б. Зачем используется дифференциальное включение преобразователей? 7. Линсйна ли потснциометрическая схема? 8 Каково условие равновесия мостовой схемы? 9.
Сколько корректирующих звеньев содержит трехкаскадный усилитель? Ю. Что такое синфазная помеха? З.КИНЕСТЕТИЧЕСКИЕДАТЧИКИ В робототсхнике и мсхатронике наибольшее распространение получили кинестетические датчики. Решение любых задач, связанных с контролем линейных и угловых параметров перемещения, обеспечением заданной скорости движении, невозможно без датчиков этого типа. В настоящее время свыше 70 % информационных устройств промышленного производства реализуют кипестетические функции. Кинестетические сенсоры по типу входного воздействия подразделяют на три группы: .1) дагчики положения и перемещения; 2) датчики скорости; 3) датчики усилий и акселерометры.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
