Глава 3. Элементы схемотехники измерительных мостов переменного тока

Развитие микроэлектронной техники и технологии привело в 60-70 годы двадцатого века к созданию интегральных микросхем, как аналоговых, так и цифровых. Причем среди аналоговых микросхем особое широкое применение нашли операционные усилители (ОУ) в интегральном исполнении, имеющие очень большой коэффициент усиления и высокое входное сопротивление. Это значительно облегчило построение ЦИП, за счет лучшего согласования их основных элементов, а также расширило функциональные возможности за счет более точной реализации простейших математических операций (сложение, вычитание, компарирование, фильтрация, модуляция и демодуляция) информативных сигналов. Кроме

того новые электронные элементы позволили создать ЦИП с встроенными корректирующими нелинейность элементами.

Примером повышения метрологических характеристик простейшего делителя напряжения с емкостными входными преобразователями может служить схема, представленная на рис.3.1.

Рис.3.1. Делитель напряжения с емкостным входным преобразователем на основе ОУ

Выходной сигнал U _вых такой схемы пропорционален изменению емкости, величина которой в частном случае может быть функцией расстояния или площади перекрытия пластин конденсатора, зависящих, в свою очередь от измеряемой НЭВ.

В первом случае выходное напряжение схемы равно

U _вых = U _п , (3.1)

во втором

U _вых = , (3.2)

где - абсолютная и относительная диэлектрическая проницаемости диэлектрика конденсатора;

d, d – расстояние между обкладками конденсатора и его приращением, определяемое измеряемой НЭВ;

S, S – площадь обкладок конденсатора и ее изменение, определяемое измеряемой НЭВ.

Расширение функциональных возможностей ЦИП за счет ОУ привело к быстрому совершенствованию ЦИП. Примером использования такой функциональной возможности ОУ как сложение токов являются трансформаторные измерительные мосты переменного тока (ИМПТ), один из вариантов которых показан на рис.3.2.

Рис.3.2. Трансформаторный измерительный мост переменного тока на основе ОУ

Выходной сигнал этой схемы связан с параметрами дифференциального емкостного преобразователя следующей зависимостью

U _вых = _пит (3.3)

ЦИП в таком случае реализует функцию вычитания параметров С _X1 и C _X2,т.е. дифференциальный метод повышения точности. При этом погрешность нелинейности и температурные погрешности дифференциального входного преобразователя. Кроме описанного расширения функциональных возможностей ЦИП применение ОУ в ЦИП позволяет уменьшить влияние кабеля. Емкости кабеля в схеме на рис.3.2 включаются параллельно дифференциально соединенным полуобмоткам трансформаторам и не влияют на погрешность измерения. Ток между проводом, подсоединенным к инвертирующему входу ОУ и окружающим его экраном практически равен нулю, поскольку потенциал инвертирующего входа ОУ близок к потенциалу его неинвертирующего входа, соединенного с общей шиной.

Существенное преимущество ЦИП на ОУ по сравнению с ИМПТ на пассивных элементах (мостах или полумостах) состоит в том, что такие ЦИП являются источниками напряжения с низким выходным сопротивлением и поэтому такие измерительные схемы легко сопрягаются с последующими усилителями, фильтрами и другими электронными функциональными элементами ЦИП, поскольку их выходные сигналы снимаются относительно общей шины (корпус). Таким образом, ОУ в ЦИП позволили отказаться от применения измерительных усилителей с дифференциальными входами, ранее часто используемыми для усиления сигнала в ИМПТ, построенных на пассивных элементах.

Вывод: использование ОУ в ЦИП позволяет реализовать их в виде активных четырехполюсников, например, трансформаторных мостовых схем с емкостными входными преобразователями. При этом они могут выполнять следующие функции: зависимый источник инвертированного сигнала; зависимый источник квадратурного сигнала; развязка контуров уравновешивания, компенсация влияния импедансов подводящих проводов; компенсация подводящих проводов.

В последнее время для улучшения гальванической развязки в ЦИП их выполняют в виде двойных трансформаторных мостов, как показано в варианте схемы ИМПТ на рис.3.3.

Рис.3.3. Трансформаторная ЦИП, реализующая уравновешивающий метод преобразования

В схеме ЦИП на рис.3.3 ОУ осуществляет автокомпенсация разбаланса моста, состоящего из катушек W ₁₁- W ₁₂, W ₂₁- W ₂₂, путем подачи с выхода ОУ через резистор R компенсирующего тока i в индикаторную обмотку компаратора токов. Уравновешивание (балансировка) трансформаторного

моста может осуществляться также с помощью коммутации витков трансформатора Т1.

Рис.3.4. ЦИП дифференциального входного емкостного преобразователя с непосредственными связями, реализующие уравновешивающий метод преобразования (А1, А2 - масштабирующие ФУ; R – резистор обратной связи)

На рис.3.4. показана ЦИП на основе ОУ, служащая для работы с дифференциальным входным емкостным преобразователем.

В схеме ЦИП на рис.3.4, содержащей два ОУ - А1 и А2, а также инвертор И, использование ОУ позволяет заменить индуктивный компаратор токов преобразователями и ток-напряжение на ОУ. Выходной сигнал в этой схеме в виде угла поворота потенциометра (резистор R) связан с емкостями С_X1,С_X2 входного дифференциального преобразователя выражением

(3.4)