Нормирующий усилитель схема. Нормирующий усилитель: схема и принцип работы для согласования сигналов

alexxlabСхем
Что такое нормирующий усилитель. Как работает схема нормирующего усилителя. Для чего применяется нормирование сигналов в измерительных системах. Какие существуют варианты схем нормирующих усилителей.

Что такое нормирующий усилитель и зачем он нужен

Нормирующий усилитель — это электронное устройство, которое преобразует входной сигнал произвольного уровня в стандартный выходной сигнал заданного диапазона. Основные задачи нормирующего усилителя:

  • Согласование уровней сигналов от различных датчиков с входным диапазоном АЦП или других измерительных приборов
  • Усиление слабых сигналов до стандартного уровня
  • Ослабление сильных сигналов до требуемого диапазона
  • Фильтрация помех и шумов входного сигнала
  • Линеаризация характеристик нелинейных датчиков

Применение нормирующих усилителей позволяет унифицировать измерительные системы и использовать стандартные АЦП и другие приборы с различными типами датчиков. Это упрощает обработку сигналов и повышает точность измерений.


Принцип работы нормирующего усилителя

Типовая схема нормирующего усилителя включает следующие основные функциональные блоки:

  • Входной усилитель с регулируемым коэффициентом усиления
  • Фильтр нижних частот для подавления помех
  • Схема смещения нуля для установки требуемого диапазона выходного сигнала
  • Выходной буферный каскад

Входной усилитель усиливает слабый сигнал датчика до необходимого уровня. Коэффициент усиления может регулироваться в широких пределах. Фильтр подавляет высокочастотные помехи. Схема смещения позволяет сместить сигнал в нужный диапазон напряжений. Выходной буфер обеспечивает требуемую нагрузочную способность.

Варианты схем нормирующих усилителей

Существует несколько базовых схем построения нормирующих усилителей:

1. На основе операционного усилителя

Простейшая схема на одном ОУ позволяет усилить сигнал и сместить его в нужный диапазон. Коэффициент усиления задается резисторами обратной связи. Недостатком является отсутствие фильтрации помех.

2. Дифференциальный усилитель

Обеспечивает лучшее подавление синфазных помех. Строится на двух или четырех ОУ. Позволяет работать с дифференциальными датчиками, например тензорезисторами.


3. С активным фильтром

Содержит активный фильтр нижних частот на отдельном ОУ для эффективного подавления высокочастотных помех. Обеспечивает высокое качество выходного сигнала.

Применение нормирующих усилителей

Нормирующие усилители широко применяются в следующих областях:

  • Системы сбора данных и АЦП
  • Измерительное оборудование
  • Автоматизированные системы управления
  • Медицинская техника
  • Аудиотехника

Они позволяют стандартизировать сигналы от разнообразных датчиков температуры, давления, деформации, вибрации и других физических величин.

Преимущества использования нормирующих усилителей

Применение нормирующих усилителей дает следующие преимущества:

  • Повышение точности измерений за счет оптимального использования динамического диапазона АЦП
  • Улучшение помехоустойчивости измерительной системы
  • Возможность подключения датчиков с разными выходными сигналами к стандартным измерительным приборам
  • Упрощение обработки и анализа измеренных данных
  • Снижение стоимости измерительной системы за счет применения стандартных АЦП

Это делает нормирующие усилители важным элементом современных измерительных и управляющих систем.


Характеристики и параметры нормирующих усилителей

При выборе нормирующего усилителя следует учитывать следующие основные параметры:

  • Диапазон входных и выходных сигналов
  • Погрешность преобразования
  • Нелинейность
  • Температурный дрейф
  • Частотный диапазон
  • Уровень шумов
  • Время установления выходного сигнала

Выбор конкретной модели зависит от требований к точности измерений, типа датчиков, условий эксплуатации и других факторов.

Заключение

Нормирующие усилители являются важным связующим звеном между датчиками и измерительными приборами. Они позволяют согласовать сигналы различных уровней, отфильтровать помехи и привести сигнал к стандартному виду. Это упрощает построение измерительных систем и повышает их точность. При правильном выборе нормирующего усилителя можно значительно улучшить характеристики измерительного тракта.


НОРМИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ


Чувствительность усилителей мощности, как правило, около 1 В. Выходное же напряжение большинства источников сигнала — от 250 мВ до 775 мВ (ОдБ). Поэтому для раскачки сигнала либо используют отдельный

нормирующий усилитель, либо совмещают его функции с усилителем темброблока. Как показывает практика, большинство аудиофилов слушает музыку с крайним подъемом как высоких, так и низких частот. При полном исключении темброблока из тракта обработки сигнала, без нормирующего усилителя не обойтись.

Если обратиться к кривым равной громкости (рис.1) [1, 2], учитывающим физиологическую особенность нашего слуха, то легко заметить, что для уровня 30 дБ (средний уровень шума в жилом помещении) в области НЧ кривая имеет подъем 6 дБ/окт начиная с 250 Гц, а с частоты 100 Гц крутизна наклона увеличивается до 12 дБ/окт. Подъем на частоте 30 Гц достигает 40…45 дБ. Отсюда ясно, что обеспечить требуемую АЧХ при малой громкости с помощью простых регуляторов тембра практически невозможно, да это и неудобно.

Правильно спроектированный тон-компенсированный регулятор громкости упрощает управление усилителем, позволяет исключить темброб-лок из тракта обработки сигнала, а также — существенно улучшить субьек-тивно воспринимаемую звуковую картину, особенно при низких уровнях громкости. При расчетах тонкомпенсированно-го регулятора за максимальный уровень громкости обычно принимают уровень 80 фон. Учитывая, что минимальный уровень шума в помещении составляет порядка 30 фон, диапазон регулирования громкости должен быть не менее 50…60 дБ. При расчете исходят из того, что на максимальной громкости АЧХ усилителя должна быть сбалансирована с учетом имеющихся громкоговорителей и акустических свойств помещения. Поэтому, чтобы получить скорректированные АЧХ регулятора на разных уровнях громкости, необходимо провести горизонтальную прямую через точку, соответствующую частоте 1 кГц на кривой, равной громкости 80 фон (рис.

2), и измерить расстояние от нее до кривой требуемой громкости в децибелах для всех контрольных частот [2]. При этом легко заметить, что в наибольшей коррекции нуждается область НЧ. Требуемый подъем на частоте 50 Гц составляет, например, для громкости 40 фон 22 дБ. К сожалению, характеристики кривых равной громкости, приводимые в разных источниках [1…4], значительно разнятся.

Вниманию радиолюбителей предлагается нормирующий усилитель, совмещенный с тонкомпенсированным регулятором громкости и «мягким» ограничителем сигнала (рис.3). На схеме в обозначениях элементов первого канала (А1) указана первая цифра «1».

За основу регулятора громкости взят регулятор из [5], практическая схема которого приведена на рис.4 [6].

Данный регулятор требует применения переменного резистора группы В, т. е. с обратно-логарифмической характеристикой. Прослушивание фонограмм с использованием этого регулятора выявило следующие недостатки:
— слишком ранний и чрезмерный подъем ВЧ-составляющих;
— слишком ранний подъем НЧ-составляющих с последующим перегибом АЧХ, что приводит к бубнящему, «бочкообразному» звучанию.

Это подтверждают и характеристики, снятые с помощью программы Elektronics Workbench (EWB), разработанной канадской фирмой interaktive Image Technologies. Демонстрационную версию этой программы можно получить по Internet, обратившись на Web-страницу http:// www.interactive.com или на фирму-разработчик по электронной почте: [email protected]

Чтобы сохранить наклон АЧХ в области НЧ 12 дБ/окт (без заметного пе-региба в обратную сторону), в предлагаемом усилителе частота среза НЧ-фильтра регулятора громкости R3-С2 (рис 3) выбрана около 30 Гц. В исходном варианте частота среза равна 50 Гц Несколько уменьшена и емкость конденсатора ВЧ-коррекции СЗ. Дополнительный подьем на частотах ниже 100 Гц обеспечивает конденсатор С1, его емкость увеличена, чтобы уменьшить дополнительный подъем.

С помощью переключателя S1 предусмотрена возможность отключения тонкоррекции, поскольку ее использование, как указывается в [7], в ряде случаев связано с определенными проблемами:

— при данном положении регулятора заранее не известно, какой в действительности окажется субъективная громкость;
— любая коррекция АЧХ вносит в исходный сигнал определенные фазовые искажения;
— многие музыкальные инструменты при исполнении на них громких и тихих пассажей издают звуки с разной тембровой окраской.

Подбором резистора R5 добиваются минимального изменения громкости при переключениях. Для упрощения коммутации переключатель S1. 1 можно исключить, что практически не ухудшает работу регулятора. Нормирующий усилитель выполнен на малошумящем операционном усилителе К544УД2. С целью повышения нагрузочной способности и снижения искажений, выходной каскад операционного усилителя переведен в режим класса А с помощью генератора тока на транзисторе VT1. В цепи обратной связи включен регулятор баланса R2. Этот резистор может быть группы А или С.

Коэффициент усиления (около 4,5) зависит от номинала резистора R6. Конденсатор С4 служит для исключения постоянной составляющей на входе ОУ и уменьшает шорохи при нарушении подвижного контакта регулятора.

На рис.5 показана типичная осциллограмма выходного напряжения усилителя мощности при перегрузке. На его вход подаются одновременно два сигнала — с частотами 150 Гц и 10 кГц, причем уровень сигнала частотой 10 кГц на 20 дБ (в 10 раз) ниже, что соответствует соотношению уровней в реальном сигнале. Как видно из осциллограммы, на вершине суммарного сигнала происходит «плоское» ограничение, т.е. полное замещение сигналов продуктами искажений — гармониками высших порядков. В [8] указано, что для исключения таких искажений и приближения к искажениям ламповых усилителей применяют «мягкие» ограничители сигналов.

Такой ограничитель в описываемом усилителе выполнен на двух транзисторах — VT2, VT3 (аналог стабистора), включенных в диагональ моста. Порог ограничения определяется напряжением стабилизации аналога (около 1,3 В) и падением напряжения на двух диодах моста. При необходимости уменьшить уровень ограничения на 0,6 В, достаточно заменить аналог стабистора диодом, а при необходимости увеличить порог необходимо последовательно со «стабистором» включить необходимое количество диодов.

На рис.6…8 показаны осциллограммы комбинации сигналов (150 Гц+10 кГц) на выходе ограничителя. На рис.6 — схема без резистора R13 и конденсатора С5, на рис.7 — без конденсатора С5. Подбором соотношения резисторов R12/R13 в пределах 4. .6 можно подобрать оптимальный режим мягкого ограничения. Введение конденсатора С5 уменьшает ограничение высших частот.

В усилителе мощности необходимо установить такой максимальный коэффициент усиления, при котором еще не происходит ограничения. При питании обоих каналов усилителя от одного источника, это необходимо сделать с учетом «просадки» напряжения питания под нагрузкой в обоих каналах одновременно. При этом УМЗЧ получает как бы дополнительный запас по перегрузочной способности. Более совершенный вариант регулятора громкости представлен на рис.9. Для дополнительного подъема средних частот введен фильтр ВЧ C2-R5, с выхода которого через резистор R6 сигнал объединяется с сигналами, поступающими через резистор R7 с фильтра НЧ (R4-C3) и через резистор R8 с движка регулятора. Цепочка R3-C4 служит для дополнительного подъема в области ВЧ. Подбором резистора R8 добиваются оптимального подьема средних частот на минимальной громкости. Характеристики регулятора приведены на рис.10.

Радиолюбительские схемы / Усилители, УНЧ, аудио

Другие страницы сайта


Пишите письма

На главную

Усилители, УНЧ, аудио

Нормирующий усилитель НУ — Тензо-М

Описание

Усилители могут использоваться при построении АСУТП на предприятиях или для организации учета материалопоков. Примером экономичного решения весоизмерительной системы может служить установленный на три точки бункер, под одну опору которого установлен тензодатчик, с подключенным к нему нормирующим усилителем. Сигнал с НУ может быть заведен на технологический контроллер или самописец. Другим вариантом применения НУ может служить система измерения быстроменяющихся нагрузок при испытании реактивных двигателей или определения крутящего момента у двигателей внутреннего сгорания.

Модельный ряд

Модель Описание
НУ-010DC 1 канал, выход 0…10В, гальваническая развязка, питание пост. 18..36 В, 0.2А, корпус IP65
НУ-420-1 1 канал, выход 4…20мА, питание пост. 18..36 В, 0.2А, корпус IP65
СНУ4-010 4 входа, суммирующий, выход 0…10В, питание 2х12В, 0.2А, корпус IP65

Технические характеристики

 

Параметр мин. тип. макс.
 Количество подключаемых датчиков (R=350 Ом)

 1

 

4* 
 Потребляемый ток, мА 

 40

 

200 
Рабочий коэффициент передачи (РКП)   датчи-ка, мВ/В

0,5

 

2
Сопротивление нагрузки, Ом                      

400
Суммарная погрешность в рабочем диапазоне температур, %

 0,05. .. 0,1
Рабочий диапазон температур, °С 

 -30… +60
Допустимый температурный диапазон, °С

 -40… +85
Габаритные размеры корпуса (без учёта гермовводов), мм      

125 х 78 х 58
Степень защиты оболочкой по ГОСТ 14254-96

IP65

 

Блоки питания для НУ

Нормирующий усилитель может поставляться в комплекте с блоком питания. Блок питания выполнен в пластмассовом корпусе с возможностью крепления на DIN-рейку.

 

Модель Выход
БП220-24/12х2 24В, 0.2А

 

Производитель оставляет за собой право изменять технические характеристики с целью улучшения качества продукции без предварительного уведомления потребителя.

Комплектация

Стандартная комплектация

  • Нормирующий усилитель
  • Гарантийный срок 12 мес.

Дополнительная комплектация

  • Блок питания 24В

 

Поддержка

Дополнительная информация

Каталог весоизмерительных преобразователей

Документация

Часто задаваемые вопросы (FAQ). Весовые терминалы

Как мне нормализовать выход в этой схеме?

JavaScript отключен. Для лучшего опыта, пожалуйста, включите JavaScript в вашем браузере, прежде чем продолжить.

Статус
Эта старая тема закрыта. Если вы хотите повторно открыть эту тему, свяжитесь с модератором, нажав кнопку «Пожаловаться».

Перейти к последнему

#1