Рис. 11.30. Применение измерительного усилителя типа LH0036 для усиления

сигналов мостового тензодатчика. ТД] - действующий тензодатчик; ТДг - температурио-коыпенсациониый теизодатчнк; 7,=7?2=%д, = ТД,=350 Ом. Д =1 Ом, u=0.7l4 в от u-u. t/gыx=

fcc-

уставки'). Измерительные усилители должны быть спроектированы так, чтобы Rbx было высоким, ошибки из-за напряжения сдвига были малыми и КОСС был очень высоким при всех значениях устанавливаемого общего коэффициента усиления. Для некоторых измерительных усилителей в настоящее время характерно цифровое управление коэффициентом усиления.

11.5. ИЗОЛИРУЮЩИЕ УСИЛИТЕЛИ

Изолирующие усилители представляют собой специальный тип усилителей, выпускаемых только в гибридном исполнении, хотя в них могут быть использованы полупроводниковые ИС ОУ и измерительные усилители. Они обеспечивают почти полную изоляцию между входом и выходом. Имеется много разных разработок, но во всех них для изоляции входа от выхода используют трансформаторную или оптическую связь.

Для непосредственного включения в электронные регуляторы.- Прим. ред.

Помимо того изолирующие усилители широко применяются для контроля технологических процессов, таких, как электрометаллургические и т. п. Особое место они занимают в искро-взрывобезопасной аппаратуре для химических производств. - Лрклг. ред.

Изолирующие усилители обеспечивают: изоляцию между входом и выходом по постоянному току при допустимых уровнях синфазных напряжений от 2000 до 7500 В, КОСС обычно более 100 дБ, а типичные значения входных полных сопротивлений лежат между 10* и 10 Ом. Изолирующие усилители, как правило, имеют довольно узкую полосу пропускания, изменяющуюся от 0-500 Гц до 0-3 кГц для усилителей с трансформаторной связью и до О-15 кГц для усилителей с оптической связью. Изолирующие усилители с оптической связью обычно уступают в линейности изолирующим усилителям с трансформаторной связью.

Главные применения изолирующих усилителей составляют устройства непрерывного медицинского контроля. Здесь малые сигналы скрыты в существенно больших, и утечка по постоянному току может иметь фатальные последствия: приходится изолировать опасное высоковольтное оборудование от чувствительных АЦТ и вычислительных устройств. Кроме того, характерны длинные двухпроводные линии для контроля датчиков, но не допускается общая земля вследствие появления земляных контуров: требуется управлять электрическим оборудованием, создающим помехи, таким, как электродвигратели \

11.5.1. ПРИНЦИП РАБОТЫ

Типичный изолирующий усилитель, показанный на рис. 11.31,6, представляет собой систему со сложными связями. Основная мощность подводится к выходной части усилителя. Осциллятор (генератор), работающий на частоте гораздо более высокой, чем максимальная частота входного сигнала усилителя, обеспечивает опорный сигнал для демодулятора, сигнал несущей частоты для модулятора и напряжение переменнного тока на входе выпрямителя и источника питания изолированной части.

Входной источник питания представляет собой плавающий источник напряжения питания входной схемы усилителя и часто выдает добавочную мощность для питания дополнительных входных цепей. В качестве входного усилителя обычно используется полностью укомплектованный высококачественный измерительный усилитель, хотя может быть использован и одиночный ОУ. Входная сторона изолирующего усилителя обычно снабжена одним или двумя выводами для установки коэффи-

Рис. 11.31. Изолирующий усилитель.

о - символическое изображение. Обозначение выводов: /--Ь ип- ~~ ип ~ Щ^

точка вспомогательного источника питания, 4 - инвертирующий вход, 5 - неинвертирующий вход, 6 -экран. 7 -установка коэффициента усиления, в -общая точка входного усилителя; б - блок-схема изолирующего усилителя с трансформаторной связью. У, - входной усилитель, - выходной усилитель, Uопорное напряжение демодуля тора; генератор с частотой feH 3 дБ усилителя.

Рис. )).32. Применение изолирующего усилителя для непрерывной кардиографии плода, fi-схема подсоединения, t/-сигнал сердца матери (тип. 1 мВ), С/-сигнал сердца плода (тп. 50 мкВ, С/,,-подавляемое синфазное напряжение (от 1 до 100 мВ). tgix подается на монитор сердца плода. Разделение сигналов обеспечивается за счет высокого ана-чення КОСС. t/pj, не может пройти через изоляцию. Пациентка защищена от напряжений земляного контура и оборудования; б - эквивалентная схема.

циента усиления и нуля сдвига выходного сигнала. Вся входная схема обычно экранируется.

Выход входного усилителя модулируется модулятором. Модуляция может быть амплитудной (AM), широтно-импульсной (ШИМ) или модуляцией интенсивности света светодиода. Демодулятор извлекает информацию из модулированной несущей

Полученный сигнал затем фильтруется и подается через буфер-и-ный усилитель на выход.

Изолирующие усилители могут быть использованы в качестве высококачественных измерительных или изолирующих усилителей. На рис. 11.32 иллюстрируется применение изолирующих усилителей в биомедицинском оборудовании. Высокое значение КОСС у усилителя позволяет отделить сигналы низкого напряжения сердца зародыша от сигналов большей амплитуды, сопровождающие биение сердца матери, и 60 Гц шума (помехи), снимаемого с кожи матери. Изоляция гарантирует, что ни о.аин хорошо заземленный предмет медицинской обстановки из нержавеющей стали не создаст опасности для пациента при выходе оборудования из строя.

1. Линейные интегральные схемы специализированных типов разрабатываются в тех случаях, когда интегральная технология позволяет реализовать заданные функции, и при условии, если на них существует достаточный спрос.

2. Компараторы представляют собой специализированные схемы, разработанные для применения в тех случаях, когда требуется, чтобы выходной сигнал изменялся скачкообразно (переключался с одного значения на другое) в ответ на превышение одним входным сигналом другого,

3. Токоразностные усилители работают иначе, чем обычные ОУ, хотя могут выполнять многие их функции при условии, что приемлема меньшая точность. Токоразностные усилители разработаны для работы с одним источником питания.

4. Таймеры типа 555 очень полезны при создании генераторов средней точности и импульсных генераторов. Таймер 555 не является в строгом смысле линейной схемой, но на его примере наглядно видны способы использования компараторов в качестве детекторов уровня. Пример с импульсным источником питания показывает, как таймер 555 может применяться в больших системах.

5. Измерительный усилитель представляет собой весьма высококачественный усилитель специального назначения, состоящий обычно из нескольких ОУ. Измерительный усилитель должен обладать очень высокими входным сопротивлением. КОСС и стабильностью. Простота использования представляет важный фактор, определяющий сбыт измерительных усилителей.

6 Изолирующий усилитель может рассматриваться как измерительный усилитель сверхвысокого качества. Они имеют исключительно высокие КОСС, входное сопротивление, стабильность, а также изоляиию входа от выхода по постоянному току. Изолирующие усилители представляют собой достаточно сложные системы, включающие модуляцию несущей входным сигналом и демодуляцию в выходной части. Изолирующие свойства достигаются здесь за счет трансформаторной или оптической связи входного сигнала с выходным. Изолирующие усилители с оптической связью имеют более широкую полосу пропускания по сравнению с теми, которые имеют трансформаторную связь. Однако их линейность хуже. В области биомедицинских измерений изолирующие усилители могут служить реальным средством технической безопасности.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

п.). Изложите два условия, которым должны удовлетворять подлежащие разработке в интегральном исполнении специализированные схемы. 11.2. Укажите основное назначение компаратора.

11.3. Объясните цель введения гистерезиса в компаратор.

11.4. Укажите недостаток, возникающий при введении гистерезиса в компа-атор.

1.5. Вычислите значения R\ п Яг в схеме рис. 11.2, имея в виду, что t/вто = = +4 В и Vmq = -4 В, +U = ±15 В и /J = /J = 0,1 мА.

11.6. Вычислите значения. Ry, % з- 4 Я' схемы рис. 11.3, если заданы ± {/ = 15 В, = 15 В, f/cr. = 4,7 В при /д^ = 5 мА, С/э нас Г, = 0.2 В С/бэ г. = 0,8 Б, 213 г, = 40. Положите / = 0,1 мА, /3x0 = 8 В, С/нто = 4 В, / = 3 мА.

11.7. Рассчитайте компонеиты для компаратора с окном по схеме рис. II.4, имея в виду, что J7bto = 4,8 В, Umq = 2,4 В. Положите Uon = 5 В, /дел = = 0,2 мА.

11.8. Что должно быть сделано в схеме рис. 11.5 для того, чтобы t/вых = - -\-U было условием негодности, а t/выя = -U годности?

11.9. Сформулируйте основное преимущество ЦАП, выполненного по схеме R2.R по отношению к ЦАП со взвешенными резисторами.

11.10. Изложите основные преимущества и недостатки паралллельных АЦП,

11.11. Почему АЦП с двойным наклоном ие требуют точного генератора временных интервалов?

11.12. Опишите кратко своими словами принцип работы АЦП с двойным наклоном.

11.13. Укажите основное назначение ЦАП в АЦП с последовательной аппроксимацией.

11.14. Перечислите четыре применения аналоговых ключей.

11.15. Изложите основные недостатки и преимущества, которые имеют по отношению друг к другу конденсаторные схемы установки коэффициента усиления, приведенные на рис. 11.15, а и 11.15, е.

11.16. Сформулируйте основные преимущества и недостатки токоразностных усилителей по отношению к обычным ОУ.

11.17. Вычислите значения компонент для инвертирующего усилителя на рис. 11.18, с, если кк=15 В, К = 20, h = 30 мкА, /? = 10 кОм, f =

= 300 Гц и t/вых. пт = V2t/KK.

11.18. Рассчитайте компоненты для неинвертрующего усилителя иа рис. 11.18,6, если t/кк = Ю В, h = 50 мкА, /С = 12, /? = 5 кОм, t/вых = = V2t/KK и f = 60 Гц.

11.19. Вычислите значения Ra и Rb для схемы 555 в режиме генератора. Пусть fren = 20 кГц, относительная длительность импульсов D = 80 % и С; = 0,001 мкФ.

11.20. Вычислите значения емкости Ст для схемы 555. работающей в режиме одновибратора, если Ra = 5,5 кОм и / мп = 3 мс.

11.21. Каким должно быть it =с мин для мультивибратора, если /огр. ми., в примере 11.9 выбран равным 0,4/имп?

11.22. Вычислите значение е\ = 62 для мостовой схемы на рис. 11.23, если R = 2 кОм, Л/? = 10 Ом и fj; = 10 В.

11.23. В схеме на рис. 11.25 Rx = R[ = Ro. с = о. с = ЮО кОм и R = Rt = = 50 кОм. Определите значение Rs, если К - 40.

11.24. Пусть в схеме на рис. 11.26 /?, =/?, =/?о с = о. с =00 кОм. Рассчитайте значение /?у при /( = 20 и /?2 = 20 кОм.

11.25. Сформулируйте назначение защиты входа.

11.26. Перечислите четыре основных применения изолирующих усилителей.

11.27. Каким образом входной сигнал связан с выходом в изолирующем усилителе?

Если вы не можете ответить на некоторые вопросы, то просмотрите еще раз соответствующие разделы.

Рис. 11.33. Операционный усилитель ixA741 в схеме компаратора с низким

коэффициентом усиления. Rl= o.c/Vc- RcHM= i o.c/(i+ o.c)- 2 = (11ас-1Ст)/(СИД-/Ст): СИД-све-тсизлучающий диод; t/j , - инвертируемый вкод; u - ненивертируемый вход.

10 ом-

Рис. 11.34. Схема для испытания ТТЛ-вентиля. I-проверка минимального напряжения Г . u соответствует , логической

емы прн 1 на ее выходе; u соответствует максимальному напряжению ло-вческого О иа входе; б - проверка максимального напряжения О . оп2 СТвует t/gj,m макс логической схемы при О на ее выходе;

минимальному напряжению логической *1 на входе.

соответ-

П = 25 кОм

а

Рис. 11.35. Триггер Шмитта.

й-схема триггера Шмитта. (/6X0= + </[( 2 + з)/(1 + 2 + з)]- fhto

[г/е^!+2)] +ЭКнас ril б - регулируемый источник напряжения постоянного

тока (к п. 26).

Цель работы. После выполнения этой работы студент должен уметь включить ОУ в режиме компаратора - триггера Шмитта и компаратора с окном. Он также должен быть способен применить токоразностный усилител!, в качестве инвертирующего и неинвертирующего усилителя, а таймер 555 как мультивибратор и одновибратор.

Оборудование. 1. Два ОУ ixA741 или аналогичные им (дополнительно компаратор LM311). 2. Осциллограф общего назначения. 3. Токоразностный усилитель МС3401 фирмы Motorola или его аналог. 4. Ключевой транзистор п - р - п 2N2396A или аналогичный. 5. Макетная плата, например SK-IO фирмы EL Instruments, смонтированная на шасси. 6. Источник питания по стоянпого тока ±15 В. 7. Регулируемый источник питания 5 В. 8. Генератор звуковых частот. 9 .Два потенциометра по 10 кОм и один 25 кОм. 10. Набор резисторов ±2 %. И. Набор металлоплеиочных конденсаторов. 12. ТТЛ-вентили НЕ-И по вашему (или руководителя) выбору. 13. Стабилитрон с Ucr = 4,7 В. 14. Светодиод. 15. Два диода IN914 или их аналоги.

Порядок выполнения работы. 1. Испытание ТТЛ-вентиля, (а) Соедините цА741 по схеме компаратора, как показано на рис. 11.33, с коэффициентом усиления 200 (с точностью ±0,5 %). Установите о. с = 1 МОм и 1ст - 1 мА. (б) Присоедините оба входа к земле и установите нуль сдвига, (в) Примите,

70 Ом

(!)СИД

Рис. 11.36. Компаратор с окном.

что включение светового диода означает признак негоден , а отключение годен . Соедините компаратор с вентилем, как показано на рис. 11.34. Это будет проверкой того, что £/вых имеет минимально высокий или максимально низкий уровень.

Замечание. При этих измерениях не меняйте положение потенциометра установки нуля сдвига.

2. Триггер Шмитта. (а) Соберите триггер Шмитта, как показано на рис. 1J .35. Рассчитайте значения У?], R- R и R, имея в виду, что Uqt:q = 6 В и [7X0 = = 2 В. Положите /д, = = 1 мА. Используйте значения Ro.c, Ri и сим, установленные при выполнении п. 1. Не смещайте потенциометр установки нуля сдвига, (б) Подсоедините ко входу напряжение постоящгого тока с движка потенциометра. Определите выходное напряжение, при котором Uex проходит значения Umo и Ubto- (в) Подсоедините генератор сигналов (генератор звуковой частоты) с t/вым = 10 В (амплитудное значение к триггеру Шмитта. Наблюдайте за его выходом при f 1 кГц.

3. Компаратор с окном, (а) Соберите компаратор с окном по схеме рис. 11.36 из двух компараторов, соединив их так же, как в п. 1. (б) Используя регулируемый источник напряжения постоянного тока, ранее описанный в п. 2, меняйте входное напряжение. Отметьте изменения выходного напряжения в момент, когда Ubx проходит через значения (7вто и Umo.

4. Токоразностный усилитель, (а) Соедините МС3401 по схеме инвертирующего усилителя, как показано на рис. 11.37, а. Установите Д = 50 мкА, К = \0, вих. уст = 0,5(7кк. (б) Измерьте Ко. с при fex = 1 кГц и ивых. уст. (в) Соедините MC340I по схеме неинвертирующего усилителя, как показано на рнс. 11.37, б. Установите h == 50 мкА, Ко. с = 20, Г/ых. уст = 0,5(/кк. (г) Из- ерьте Ко. с при вх = 1 кГц.

5. Таймер 555. (а) Соедините таймер 555 по схеме мультвибратора, как показано на рис. 11.38,0. Установите частоту автоколебаний /ген = 1 кГц, относительную длительность D = 60 %. Измерьте U, 4 и /ген- (б) Отключите на-лряжение f/кк с вывода 4 (возврат) и заземлите вывод 4. Изучите работу

/?ц=10иОм

Рис. 11.37. Токоразностный усилитель, а-инвертирующий усилитель. 3=(i/ij-0,7 В) з^ /?о. с = (/кК~- )/з. /?,=/?о p/Kq с- б -неинвертирующий усилитель. /?3 = (t/i<;[<;-0,7 В) , о. j.=

йвтогенератора при заземлеьном выводе 4. (в) Присоедините движок потенциометра к выводу управление , как показано на рис. 11.38, а (справа)-Изучите изменения, вносимые в генерацию при изменении управляющего напряжения, (г) Включите таймер 555 по схеме одновибратора, как показано на рис. 11.38,6. Т\ предназначен для запуска триггера. Задайте Гимп = 0,6 мс. (д) Присоедините источник сигнала переменного тока ко входу Т\. Пусть Ubx = 1,5 В (амплитудное значение) и / = 1 кГц. Изучите выход и измерьте длительность импульсов, (е) Изменяйте напряжение управления, как это ука--зано в п. 5в. Изучите изменения мп с изменением напряжения управления.