щем входным сигналам. В случае когда используется базовый дифференциальный усилитель, напряжение на выходе определяется уравнением (8.1) при т=1. При использовании измерительного усилителя выходное напряжение находят по уравнению (8.3).

Описанный метод измерения называется также дистанционным измерением напряжения, поскольку при нем воспринимается и регулируется иапряжение на удаленной нагрузке, а не на выходных зажимах усилителя.

8.5.2. Измерение тока и дифференциального напряжения. На

:рис. 8.9, а показана схема измерительного усилителя; здесь Изм ~ -измерительный, а On - опорный зажим. С помощью измерительно- j

?Рнс. 8.9. Схемы измерения (о) и управления (б) током при помощи

тельного усилителя.

измери-

го усилителя легко измерить напряжение на резисторе R\. Подключим входы (-I-) и (-) к Ri и измерим С/вых ламповым вольтметром, после чего вычислим падение напряжения на Ri или

Эту же схему можно использовать для определения тока в цепи. Предположим, что мы включим в цепь Ri с сонротивлением, достаточно малым, чтобы оно не влияло на работу схемы, но в то же время достаточно большим, чтобы можно было обнаружить проходящий по нему ток. Теперь, если мы знаем значение R\ и можем измерить Ei-Е2, как было показано выше, можно определить ток / из следующего уравнения:

(8.4)

Пример 8.6. Найти падение напряжения на резисторе Ri рис. 8.9,0, если а=/2 и 1/вых=10 В.

Решение. Из уравнения (8.3) следует

Увых JOB

в схеме но

= 2В.

14-2/а ~ 5

Пример 8.7. Если в примере 8.6 , = 1 кОм, то чему равен ток /?

Решение.

Ri (1 + 21а) ~ I кОм.5 1 кОм

= 2 мА.

В схеме на рис. 8.9,6 чувствительный резистор R также служит для восприятия усилителем тока нагрузки. Токи в цепях измерительного и опорного зажимов пренебрежимо малы в сравнении с током нагрузки /н, который проходит через оба резистора R и Rh и определяется уравнением

(8.5)

/ - х.. ( 1-4--?-

пример 8.8. Вычислить ток нагрузки в схеме рис. 8.9,6, если £вх= -0,1 В, а=72 и i? =100 Ом.

Решение. Из уравнения (8.5) находим 0,1В /

100 Ом

0,1В 100 Ом

= 5 мА.

Напряжение £вх управляет током в нагрузке, и мы имеем управляемый напряжением источник неизменного тока.

8.6. Основная схема мостового усилителя

8.6.1. Введение. Операционный усилитель, три резистора с равным сопротивлением и резистивный датчик образуют основную схему мостового усилителя, показанную на рис. 8.10, а. Датчик в данном случае - это любой прибор, преобразующий изменения параметров окружающей среды в изменение сопротивления. К примеру, термистор - датчик, сопротивление которого увеличивается при уменьшении температуры; резистивный фотоэлемент представляет собой датчик, сопротивление которого по мере роста освещенности падает. Для удобства анализа схемы датчик изображен как резистор R плюс изменение его сопротивления Д/?. Здесь R - значение сопротивления на требуемом опорном уровне, а ДУ? - вели- / чина изменения R.

Например, термистор имеет при опорной температуре 40 °С сопротивление /? = 5 кО.м. Пусть теперь при уменьшении температуры до 20 °С сопротивление термистора станет равным 7500 Ом; при этом изменение сопротивления А/? составит (7500-5000)= = 2500 Ом, и датчик можно представить в виде резистора с /? = 5 кОм при опорной температуре 40 °С и Д/? = 2,5 кОм при понижении температуры на 20 °С.

Чтобы мост работал, нам нужно стабильное напряжение питания моста Е, которое может быть либо переменным, либо постоянным. Простейший путь получения Е - использование делителя напряжения в цепи стабильных источников напряжения (рис. 8.10,6). После делителя включается простой повторитель напряжения. При указанных на схеме значениях сопротивлений напряжение Е можно регулировать в пределах от +5 до -5 В.

8.6.2. Работа схемы. Ранее мы предположили, что три согласованных резистора на рис. 8.10, а имеют сопротивление, равное сопротивлению датчика при опорных условиях. К сожалению, так случается редко. Более практичная мостовая схема показана на рис. 8.10,6. Здесь требуется согласование только двух резисторов Ri. Подстроечный резистор i? составлен из последовательно соединенных постоянного и переменного резисторов (причины этого те же, что и рассмотренные в разд. 8.2). Методика подстройки R аналогична описанной в разд. 8.2, однако, как показано ниже, для мостовой схемы она несколько видоизменяется.

Процедура настройки нуля

1. Поместите схему, собранную по рис. 8.10, е, в окружающую среду с опорными условиями. Например, если R - термистор, рассмотренный в разд. 8.6.1, поместите схему при температуре 40 °С так, чтобы 7? 5000 Ом.

ЮкОм ЮкОм ЮкОм

п - с

Рис. 8.10. Основная (а) и практическая (е) схемы мостового усилите пя и н дорогой источник напряжения Е с низким выходным сопротивлен;

2. Подстройте R таким образом, чтобы С/вых = 0. При этом R €удет точно равно опорному значению R.

3. Желательно задать возможно большее значение Е. Типичным является значение £ от 5 до 15 В. Теперь мост откалиброван, и выходное напряжение будет пропорционально изменению сопротивления датчика AR. Значение СУвых можно вычислить по следующей формуле:

(8.6)

Ri + R-

Знак минус означает, что С/вых уменьшается (движется в отрицательном направлении) при увеличении AR.

8.6.3. Термометр на ИМС. Схему на рис. 8.10, в можно использовать как термометр. Предположим, что у нас есть термистор, работающий в качестве датчика температуры, а схема настроена на нуль; с помощью калиброванного измерительного прибора можно легко измерить температуру, как будет показано в следующем примере.

Пример 8.9. В схеме по рис. 8.10, в /?, = 10 кОм, R=5 кОм при 100°С и £=-15 В. Найдите значения иых при следующих температурах: а) 100°С <;==5 кОм); б) 50 С {R=7,5 кОм, Д/?=2,5 кОм), в) 0°С (Л=10 кОм, AR = = 5 кОм) и г) 120 °С {R=A кОм, AR--1 кОм).

Решение. Из уравнения (8.6) находим /вы. = -(-15Б)

&R

10кОм+5кОм

вых 15 кОм

1 кОм

Сведем данные, полученные при решснш! задачи, в таблицу:

Пример 8.10. Пользуясь результатами примера 8.9, показать, каким образом можно откалибровать вольтметр с пределами от -5 до Н-5 В как термометр, показывающий температуру в градусах Цельсия.

Решение. Решение примера показано на рис. 8.11. Вольтметр с такой шкалой можно подключить к схеме по рис. 8.10, в для отсчета показаний t/вых.

Рис. 8.11. Решение примера 8.10.

8.7. Расширение возможностей мостового усилителя

8.7.1. Заземленный датчик. В некоторых случаях может возникнуть необходимость в датчике, подключенном одним выводом к земле. Стандартный способ включения такого датчика показан на рис. 8.12, а. Следует отметить, что Свых при увеличении сопротивления датчика будет иметь ту же полярность, что и £. Резистор R сделан подстроечным, и его сопротивление устанавливают равным сопротивлению R датчика в соответствии с процедурой настройки нуля, приведенной в разд. 8.6.2.

8.7.2. Датчики больших токов. Если ток, необходимый для работы датчика, превышает нагрузочную способность (шкалу тока) ОУ (5 мА), используют схему рис. 8.12,6. Ток в датчик поступает от источника £. Сопротивления резисторов mR достаточно велики, с тем чтобы токи через них были равны -I мА (типичное значение этих сопротивлений- 10 кОм). Ток в датчике и выходное напряжение можно определить, пользуясь выражениями, приведенными на рис. 8.12,6. Если ток датчика очень мал (в случае высо-коомных датчиков), то можно использовать ту же схему, за исключением того, что сопротивление резисторов mR берут меньше, чем R, чтобы выходной ток ОУ остался ~ 1 мА.