Дискретный дифференциальный усилитель
Если нужно усилить разность напряжений на выходах датчика, подойдет и простой дифференциальный усилитель, но такая схема будет иметь множество недостатков. В простейшей реализации этой схемы, приведенной на Рисунке 2, при однополярном питании напряжение VIN+ смещено на величину VREF, в типичном случае равном половине напряжения питания.
Рисунок 2. | Дискретный дифференциальный усилитель. |
Разработанный для усиления дифференциальных напряжений, операционный усилитель сам по себе имеет хороший CMRR, но все портят окружающие его схемы. Любое рассогласование сопротивлений внешних резисторов, включая несогласованность любых делителей, подключенных к VREF, ограничивает способность ОУ подавлять синфазные сигналы и, соответственно, уменьшает CMRR. Резисторы просто не могут иметь такие допуски, чтобы обеспечивать уровни CMRR, ожидаемые от ИУ.
С помощью приведенной ниже формулы можно оценить влияние допуска номиналов резисторов TR на коэффициент подавления синфазного сигнала CMRRDIFF дифференциального усилителя с коэффициентом усиления G = 1 В/В:
- Если TR = 1%, наихудшее значение CMRRDIFF будет равно 34 дБ;
- Если TR = 0.1%, наихудшее значение CMRRDIFF будет равно 54 дБ.
В этой формуле K – разброс отношений сопротивлений резисторов R1/R2 и R3/R4, который в худшем случае может составлять 4TR:
Коэффициент передачи усилителя, усиливающего дифференциальное входное напряжение, равен
Проблема заключается в том, что дифференциальное напряжение (VIN- и VIN+) включает наложенные шумы, и любое синфазное напряжение, не подавленное из-за плохого CMRR, будет усилено схемой, в результате чего выходной сигнал будет искажен шумами.
У этого простого решения есть и другие недостатки. Обычно входной импеданс операционного усилителя очень высок и находится в диапазоне от мегаом до гигаом. Однако подключение цепей обратной связи и опорного напряжения приводит к снижению и разбалансу импеданса, в результате чего увеличивается нагрузка датчика и уменьшается точность измерений. Если такая схема будет усиливать слабый сигнал датчика, низкая точность усиления при наличии шумов сделает ее непригодной для целей измерения.
Бумага, 105 год
Человечество давно искало материал, на котором можно было бы хранить информацию. Вспомним хотя бы первые наскальные рисунки и надписи. Со временем в обращении появились папирус, пергамент и даже береста. Но бумага в том варианте, в котором мы сегодня ее знаем, появилась намного позже. Да, в Китае делали нечто похожее еще в древности, но этот материал был непрактичным. Пеньковая бумага быстро намокала, бамбуковая — была тяжелой, а шелковая – очень уж дорогой.
Бумага в современном нашем понимании, как считается, была изобретена китайским вельможей династии Хань. Звали его Цай Лунь. Император приказал сановникам навести, наконец, порядок в производстве бумаги. А помогли в решении этой задачи осы.
Цай Лунь подметил, что эти насекомые изготавливают свои гнезда из весьма практичного материала. Он оказался и легким, и прочным, и влагоустойчивым, к тому же еще и светлым. Китаец выяснил и состав материала – это была древесина, чьи растительные волокна были обработаны слюной ос. Она и обеспечивала защиту от влаги.
Наблюдательный и усидчивый Цай Лунь осуществил сотни опытов, в результате найдя возможность получения аналогичной смеси. В ее основе лежала кора тутового дерева, конопляное лыко, ветошь, волокна шелковицы и древесная зола. Всю эту смесь надо было замешать с водой. Полученную кашицу Цай Лунь раскладывал и высушивал на солнце. Оставалось только разгладить ткань с помощью камней.
Корпусы операционных усилителей
Операционные усилители размещаются в контейнерах, называемых корпусами. Четыре наиболее распространенных типов корпусов это: ТО-5 (корпус транзисторного типа), DIP (плоский корпус с двухрядным расположением выводов), мини — DIP и плоский корпус с планарными выводами.
Штырьки корпуса операционного усилителя используются в качестве выводов, с их помощью операционный усилитель соединяется с остальной схемой. Операционные усилители либо непосредственно припаиваются к монтажной плате, либо вставляются в колодку, которая припаяна к плате. Если операционный усилитель вставлен в колодку, его легко можно извлечь при помощи специального пинцета, предназначенного для этих целей.
Виды и обозначения на схеме
С развитием электросхемотехники операционные усилители постоянно совершенствуются и появляются новые модели.
Классификация по сферам применения:
- Индустриальные — дешевый вариант.
- Презиционные (точная измерительная аппаратура).
- Электрометрические (малое значение Iвх).
- Микромощные (потребление малого I питания).
- Программируемые (токи задаются при помощи I внешнего).
- Мощные или сильноточные (отдача большего значения I потребителю).
- Низковольтные (работают при U<3 В).
- Высоковольтные (рассчитаны на высокие значения U).
- Быстродействующие (высокая скорость нарастания и частота усиления).
- С низким уровнем шума.
- Звуковой тип (низкий коэффициент гармоник).
- Для двухполярного и однополярного типа электрического питания.
- Разностные (способны измерять низкие U при высоких помехах). Применяются в шунтах.
- Усилительные каскады готового типа.
- Специализированные.
По входным сигналам ОУ делятся на 2 типа:
- С 2 входами.
- С 3 входами. 3 вход применяется для расширения функциональных возможностей. Обладает внутренней ООС.
Схема операционного усилителя достаточно сложная, и не имеет смысла его изготавливать, а радиолюбителю нужно только знать правильную схему включения операционного усилителя, но для этого следует понимать расшифровку его выводов.
Основные обозначения выводов ИМС:
- V+ — неинвертирующий вход.
- V- — инвертирующий вход.
- Vout — выход.Vs+ (Vdd, Vcc, Vcc+) — плюсовая клемма ИП.
- Vs- (Vss, Vee, Vcc-) — минус ИП.
Практически в любом ОУ присутствуют 5 выводов. Однако в некоторых разновидностях может отсутствовать V-. Существуют модели, которые обладают дополнительными выводами, которые расширяют возможности ОУ.
Выводы для питания необязательно обозначать, т.к. это увеличивает читабельность схемы. Вывод питания от положительной клеммы или полюса ИП располагают вверху схемы.
Параметры дифференциального усилителя
Как известно из предыдущей статьи дифференциальный усилитель имеет ряд специфических параметров:
- дифференциальный коэффициент усиления
- коэффициент усиления синфазного сигнала, который возникает из-за несогласованности резисторов
- коэффициент усиления синфазного сигнала, который обусловлен значением коэффициента ослабления синфазного сигнала операционного усилителя (КОСС.ОУ)
Тогда общий КОСС всей схемы будет иметь вид
Входное сопротивление дифференциального усилителя состоит из суммы сопротивлений по двум входным каналам. Для входа UBX1, составит
Для входа UBX2, входное сопротивление составит
Выходное сопротивление дифференциального усилителя рассчитывается так же как и выходные сопротивления инвертирующего и неинвертирующего усилителя
где RBbIX.ОУ – выходное сопротивление ОУ,
КОУ – коэффициент усиления ОУ.
Таким образом, простейший дифференциальный усилитель на ОУ имеет очень простое схемное решение однако и его параметры, в частности, входное сопротивление, очень мало (порядка единиц – десятков кОм), поэтому данная схема находит применение в схемах где точность и влияние выходного сопротивления не играют большой роли. Большее распространение получили дифференциальные усилители, состоящие из нескольких ОУ, которые за свои высокие параметры называют инструментальными или измерительные усилители.
6.
Мышеловка
Мышеловка тогда и сейчас.
Грызуны донимали человечество с незапамятных времен. Неудивительно, что долгие годы борьбы с мышами и крысами привели к созданию мышеловки. Это произошло в 1898 году, и с тех пор конструкция и материалы изготовления особо не изменились. Правда появились более гуманные варианты традиционной мышеловки, которые не убивают мышь, а лишь удерживают. Однако, большинство людей, опробовав их, приходят к мнению, что они не эффективны.
Как бы там ни было, по данным исследований, именно мышеловка в классическом понимании является наиболее гуманным способом убийства грызуна. Наверное именно поэтому мы используем это приспособление уже более 120 лет.
Инструментальный усилитель на ОУ. Принцип работы
Есть изобретения, которые гениальны в своей простоте. Инструментальный усилитель является одним из них. Он работает также как и дифференциальный усилитель, но свободен от его недостатков, сохраняя при этом простоту схемы.
Название инструментальный усилитель происходит от английского Instrumentation Amplifier. В отечественной литературе его также именуют измерительный усилитель.
Инструментальный усилитель широко используются в различных измерительных устройствах из-за нескольких очень полезных свойств, которых другие усилители не имеют.
Самым большим плюсом является возможность регулировки усиления при помощи всего одного резистора! Просто используя один обычный потенциометр (желательно с логарифмической характеристикой), можно быстро изменять коэффициент усиления в зависимости от потребности.
Кроме того, инструментальные усилители легко «скрещиваются» с цифровыми системами, давая поразительные возможности. Примером такого симбиоза аналоговой и цифровой техники являются усилители с программно регулируемым коэффициентом усиления. Существуют интегрированные инструментальные усилители с интерфейсом I2C или SPI, которые можно легко комбинировать с любым микроконтроллером.
Идя дальше по этому пути, мы можем построить инструментальный прибор, который будет автоматически изменять усиление и диапазоны, чтобы всегда иметь наилучшее разрешение при измерении.
Еще одним преимуществом инструментального усилителя является его высокое входное сопротивление, так как сигналы мы подаем прямо на входы микросхем, не обременяя их дополнительными резисторами. Данный вид усилителя также имеет очень хороший коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR), то есть хорошо подавляет общий сигнал, усиливая только разницу между входными сигналами.
Давайте посмотрим схему инструментального усилителя. Состоит она из трех операционных усилителей и семи резисторов.
Потенциометр RP регулирует усиление. Чем больше его сопротивление, тем усиление меньше. Если из схемы убрать этот резистор, оставив разрыв в цепи, то усиление составит 1 (тогда входные усилители станут обычными повторителями напряжения), а работа системы будет ограничиваться только вычитанием входных сигналов.
Как это работает? Обратите внимание, что резисторы R1-RP-R1 образуют делитель напряжения. Что мы можем сказать об этом и что мы можем считать само собой разумеющимся?. Начнем с напоминания себе первого фундаментального правила, которое уже неоднократно цитировалось при обсуждении других схем на операционных усилителях:
Начнем с напоминания себе первого фундаментального правила, которое уже неоднократно цитировалось при обсуждении других схем на операционных усилителях:
Таким образом, если напряжения на входах равны, то напряжение на одной ножке RP равно напряжению U1, а на второй равно U2. Посчитав разницу напряжений U1 и U2 мы узнаем, какое падение напряжения происходит на резисторе RP.
Далее, из закона Ома вычислим, какой ток течет через него.
Теперь вспомним еще одно правило:
Таким образом, ток, протекающий через RP течет также через оба резистора R1, в результате чего очевидно возникновение напряжения на их ножках, в соответствии с законом Ома.
Выполнив несколько простых вычислений, мы можем узнать выходные напряжения верхнего и нижнего операционного усилителя. А что с правой стороной схемы? Это обычный дифференциальный усилитель.
Мы можем добавить дополнительную регулировку усиления, как и в дифференциальном усилителе, незначительно изменив схему и добавив резисторы R2 и R3. Таким образом, мы получаем дополнительный множитель или делитель, в зависимости от того, что нам нужно.
Хотя на схеме видно три операционных усилителя, на практике инструментальный усилитель не строят из традиционных операционных усилителей и резисторов. Существуют готовые микросхемы, у которых все это уже есть внутри, кроме, конечно, переменного резистора RP. Интеграция всех элементов в одном корпусе имеет дополнительное преимущество – монолитный чип является, безусловно, более стабильным в температурном плане. Кроме того, сопротивления резисторов в чипе гораздо точнее обычных резисторов.
И в заключении приведем некоторые модели микросхем инструментального усилителя:
- AD8221 — хорошие параметры за низкую цену
- AD8222 — два инструментальных усилителя в одном корпусе
- AD8226 — с малым потреблением тока
- AD8220 — вход JFET
- AD8228 — хорошая регулировка усиления
- AD8295 — два дополнительных прецизионных операционных усилителя
- AD8429 — низкий уровень шума
Источник
3.
Дверная ручка
Эволюция дверной ручки.
Дверные ручки были запатентованы довольно поздно, в 1878 году. До появления ручек люди пользовались засовами и крючками, однако они позволяли запирать дверь только изнутри. Появление дверных ручек позволило людям захлопывать двери и в то же время оставлять незапертыми. С их появлением практически отпала необходимость в хранение ценных вещей в сундуках или шкафах с замками. Стоит отметить, что изобретение 1878 года было настолько удачным, что за 140 лет практически не изменилось. Да, за это время немного поменялась форма и материалы изготовления, но комплектующие и механизм остались теми же.
Эволюция инструментального усилителя
Будь то хирургический инструмент для коррекции зрения или заводской пресс, инструментальные усилители предлагают отличный способ усиления микровольтовых сигналов датчиков с одновременным подавлением больших синфазных сигналов
Раньше термин «инструментальный усилитель» (ИУ) часто использовался неправильно, указывая на область применения, а не на архитектуру устройства. ИУ относят к операционным усилителям (ОУ), поскольку они основаны на той же архитектуре, однако ИУ – это специализированная версия операционного усилителя. Особенностью ИУ является высокое дифференциальное усиление, необходимое для усиления сигналов датчиков микровольтовой амплитуды с одновременным подавлением больших синфазных сигналов, уровень которых может достигать нескольких вольт
Это важно, поскольку изменение выходного сигнала напряжения или тока некоторых датчиков относительно мало, и это небольшое изменение надо измерить с высокой точностью
Давайте рассмотрим несколько приложений, для которых создаются и в которых используются ИУ. Например, это может быть хирургический инструмент для коррекции зрения, движение которого задается шаговыми двигателями на основании сигналов, получаемых от датчиков. Высокая точность здесь имеет решающее значение, и при этом остальное оборудование операционной не должно искажать сигналы датчиков, чтобы не привести к непоправимым последствиям.
Другим примером могут служить промышленные прессы. Для придания металлу нужной формы такие машины прикладывают усилия в тысячи фунтов. Эти прессы конструируются таким образом, чтобы при обнаружении в рабочей зоне руки человека они немедленно останавливались
В данном случае очень важно, чтобы электрические помехи от другого заводского оборудования не могли нарушить работу системы защиты
В обоих перечисленных случаях сигнал датчика свой первый шаг совершает через инструментальный усилитель. Слабый сигнал датчика должен быть точно усилен, независимо от окружающих условий. Инструментальные усилители разработаны именно для этого – точно усиливать слабые сигналы в условиях окружающей среды, зашумленной электрическими помехами.
Но высокое дифференциальное усиление – не единственный параметр, делающий ИУ высокоэффективным устройством. Для увеличения времени автономной работы от батареи важна низкая мощность потребления. Низкое рабочее напряжение позволяет использовать глубоко разряженную батарею, что также увеличивает время ее использования. Широкий диапазон входных напряжений обеспечивает совместимость с бóльшим числом датчиков. И, наконец, согласование входного импеданса упрощает их подключение.
3.5 Аналого-цифровой преобразователь
3.5.1 Общие сведения
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Полученный код в виде отсчетов можно сохранить, обработать, вычислить преобразование Фурье, тем самым получить спектр измеряемого сигнала.
Любой АЦП является измерительным устройством, в котором происходит сравнение с опорным напряжением. Сравнение происходит в двоичной системе счисления.
Последние десятилетия обусловлены широким внедрением в производство средств микроэлектроники и вычислительной техники, обмен информацией с которыми обеспечивается линейными аналоговыми и цифровыми преобразователями (АЦП и ЦАП).
Современный этап характеризуется АЦП и ЦАП обладающими высокими эксплуатационными параметрами: быстродействием, малыми погрешностями, многоразрядностью. Включение АЦП в устройства сильно упростило внедрение их в приборы и установки, используемые как в научных исследованиях, так и в промышленности и дало возможность быстрого обмена информацией между аналоговыми и цифровыми устройствами.
Микроконтроллера ADUC842, на основе которого выполнен стенд LESO1, включает в себя высококачественный мультиплексируемый АЦП с 8-мю каналами.
Блок АЦП представляет собой 8 -канальный 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь с быстродействием 2.4 мксек и однополярным питанием. Блок включает 13-канальный мультиплексор, встроенный источник опорного напряжения, систему калибровки и собственно преобразователь последовательного типа. Блок управляется через три регистра специальных функций.
Преобразователь воспринимает входные аналоговые сигналы в диапазоне от 0 до +Uоп. Может использоваться опорное напряжение +Uоп., формируемое встроенным источником, либо подаваемое от внешнего источника. Встроенный источник опорного напряжения представляет собой прецизионную схему с низким дрейфом, откалиброванную на напряжение 2,5В.
АЦП микроконвертора ADUC842 построен по архитектуре последовательного приближения. В АЦП последовательного приближения выходные данные, соответствующие дискретному входному сигналу, формируются в конце соответствующего интервала преобразования.
Среднее потребление тока блоком АЦП примерно равно 1,6 мА при напряжении питания микроконтроллера 5 В. АЦП можно установить в режим передачи данных по каналу прямого доступа к памяти (ПДП, DMA – direct memory access), когда блок повторяет циклы преобразования и посылает выборки во внешнюю память данных, минуя процессор. Об этом режиме работы АЦП будет сказано в пятой главе. Микроконвертер ADuC842 поставляется с заводскими калибровочными коэффициентами, которые загружаются автоматически после включения питания и обеспечивают оптимальную работу устройства. Блок АЦП содержит внутренние регистры калибровок смещения (ADCOFSL, ADCOFSH) и усиления (ADCGAINL, ADCGAINH), причем программная процедура калибровки пользователя подавляет заводские установки. Это дает возможность минимизировать ошибки в конечной системе.
Результат преобразования сигнала записывается как 12-битный код. Этот результат записывается в регистры ADCDATAL и ADCDATAH. Причем, младшие 8 бит записываются в регистр ADCDATAL, а старшие 4 бита в младшие 4 бита регистра ADCDATAH. В старшие 4 бита регистра ADCDATAH записывается номер канала АЦП для дальнейшего их различения при необходимости.
3.5.2 Передаточная функция АЦП
В диапазоне входных напряжений АЦП от 0 до +Uоп. смена кодов происходит посередине очередного приращения, равного младшему значащему разряду LSB (1/2 LSB, 3/2 LSB, 5/2 LSB,…, (LS-3/2 ) LSB). Как уже было сказано, 1 LSB = Uоп./2N =(2,5 В)/212 = 610 мкВ. Таким образом, цифровой код представляет собой нормализованное отношение аналогового сигнала к опорному сигналу. Идеализированная передаточная характеристика показана на рисунке 3.16.
Как видно из рисунка 3.16, на самом деле передаточная характеристика АЦП состоит из ступеней, но при рассмотрении смещения, усиления и линейности АЦП мы рассматриваем линию, соединяющую средние точки этих отрезков.
Суперклей
Когда в 1942 году американский химик Гарри Кувер создал вещество, которое позже будет названо «суперклеем», он на самом деле экспериментировал с новыми материалами для прицелов в боевом оружии. Однако вещество из-за излишней клейкости было забраковано.
В 1951 году американские исследователи во время поисков термостойкого покрытия для кабин истребителей случайно обнаружили свойство цианоакрилата прочно склеивать различные поверхности. В 1955 году разработка была запатентована, а в продажу поступила в 1959 году.
Суперклей долгое время присутствовал в различных американских ток-шоу, где выяснялись его все новые и новые потрясающие свойства.
Цианокрилатный клей мог склеивать любые поверхности, даже если они не были предварительно зачищены должным образом. Основная проблема этого клея состоит не в том, чтобы намертво склеить детали, а в том, чтобы их потом разъединить.
5.
Очки
История появления очков.
Некое подобие очков существовало уже в 1290 году. Однако для того, чтобы заставить этот аксессуар удобно держаться на лице, потребовалось почти 400 лет. Только в 1700 году изобретатели наконец придумали, как заставить аксессуар удобно держаться на лице. Достичь этого удалось с помощью изогнутых дужек.
Позднее Бенджамин Франклин изобрел бифокальные линзы, позволяющие хорошо видеть объекты вблизи и на расстоянии. Сейчас очки превратились в настоящий культ, изменились материалы из которых изготавливаются оправы и линзы, но основная идея аксессуара и конструкция осталась прежней.
Инструментальные усилители на базе трех ОУ
Классический инструментальный усилитель на базе трех ОУ (рис. 1) обеспечивает великолепное подавление синфазного сигнала и точную установку дифференциального коэффициента усиления посредством одного резистора. В основе данной архитектуры лежит двухкаскадная конфигурация: первый каскад обеспечивает единичное усиление синфазного сигнала и все (или почти все) дифференциальное усиление, а второй каскад обеспечивает единичное (или малое) дифференциальное усиление и все подавление синфазного сигнала (рис. 2).
Выходной сигнал большинства современных низковольтных усилителей имеет размах, равный напряжению питания (выход rail-to-rail), однако для входных сигналов это не обязательно так. Рассмотрим, тем не менее, работающий от одного источника питания (VCC) инструментальный усилитель на базе трех ОУ с чрезвычайно высоким коэффициентом усиления и входом и выходом rail-torail, аналогичный изображенному на рис. 1.
Чтобы VOUT1 и VOUT2 не достигали уровней шин питания, необходимо обеспечить выполнение следующего неравенства:
Зачастую в схемах устанавливается VREF = 0 (для однополярных входных сигналов) или VREF = VCC/2 (для биполярных входных сигналов).
При VREF = 0 неравенство принимает следующий вид:
При VREF = VCC/2 неравенство принимает следующий вид:
Следствия из этих соотношений лучше всего пояснить на графике (рис. 3).
Серыми областями на рис. 3 обозначен диапазон синфазных входных напряжений (относительно дифференциальных входных напряжений), в котором выходы усилителей на рис. 1 (A1, A2) не будут насыщаться до уровней шин питания. Этот диапазон зависит от VOUT и VREF. Поскольку разность VOUT–VREF — это просто усиленное дифференциальное входное напряжение, допустимый диапазон синфазных входных напряжений меняется в зависимости от дифференциального входного напряжения.
На практике, разумеется, лучше всего по максимуму использовать усиление цепи, то есть максимальное выходное напряжение (VOUT) должно достигаться при максимальном расчетном дифференциальном напряжении на входе. Черными областями на рис. 4 обозначен диапазон синфазных входных напряжений, при которых инструментальный усилитель усиливает максимальное дифференциальное входное напряжение (то есть при максимальном дифференциальном входном напряжении), так что VOUT = 0 или VOUT = VCC.
Как можно видеть, в обоих случаях синфазное входное напряжение существенно ограничено. В частности:
Если требуется полностью усилить однополярный дифференциальный входной сигнал (устанавливая VREF = 0 и получая диапазон выходных напряжений от 0 до VCC), наряду с сигналом должно присутствовать синфазное напряжение, равное 1/2VCC. При любом другом синфазном напряжении размах выходного напряжения не достигнет VCC (максимальное дифференциальное входное напряжение уменьшится). Для биполярных дифференциальных входных сигналов (VREF = 1/2VCC) соответствующий диапазон синфазных напряжений, в котором можно достичь размаха выходного напряжения от 0 до VCC, составляет всего от 1/4VCC до 3/4VCC.
В обоих случаях, если бы синфазное напряжение равнялось напряжению «земли» (0 В) или было близким к нему, то усилитель потерял бы способность усиливать дифференциальные напряжения. Поэтому, предполагая, что (желательные) дифференциальные входные напряжения не связаны с (нежелательными) синфазными входными напряжениями, можно заключить, что черные области представляют минимальные и максимальные расчетные значения VCM, при которых сохраняется весь диапазон VOUT. За пределами этой области некоторые сочетания VDIFF и VCM могут привести к недопустимым значениям VCM
Обратите внимание, что в случае, изображенном на рис. 4a, если требуется изменение VCM во всем диапазоне, допуск по синфазному входному напряжению равен нулю
Проще говоря, синфазные изменения входного сигнала недопустимы.
В силу вышесказанного инструментальные усилители на базе трех ОУ находят лишь ограниченное применение в системах с одним источником питания. В продолжение беседы нелишним будет ответить на два вопроса:
- Что произойдет, если внутренние усилители (A1 и A2) насытятся до уровней шин питания?
- Каковы следствия для архитектур с диапазоном входных напряжений, меньшим напряжения питания (не rail-to-rail)?