Масштабирование сигнала с помощью операционного усилителя
Для измерения аналоговых величин в цифровых системах используются аналогово-цифровые преобразователи (АЦП). АЦП характеризуются такими параметрами как диапазон входных напряжений и разрядность. Конечно, это не единственные его параметры, но сейчас нас интересуют именно они.
Диапазон входных напряжений зависит от опорного напряжения АЦП и определяет границы, в пределах которых аналоговый сигнал может быть оцифрован. Разрядность АЦП определяет шаг, с которым выполняется преобразование одной выборки аналогового сигнала.
Довольно часто возникает ситуация, когда диапазон входного измеряемого напряжения, не соответствует входному диапазону АЦП. Если он больше, АЦП не сможет измерить его значения за пределами своей шкалы, если меньше, то АЦП по сути будет работать в узком диапазоне и разрешение измеряемого напряжения будет низким.
Чтобы избежать этой ситуации применяются масштабирующие схемы, которые «подгоняют» интересующий нас диапазон входных напряжений под диапазон АЦП.
Первый вариант масштабирующей схемы представляет собой делитель напряжения с повторителем. Его можно применять, когда входное измеряемое напряжение превышает диапазон АЦП и его нужно просто поделить (1). Операционный усилитель выполняет здесь роль повторителя с большим входным и маленьким выходным сопротивлением.
Выходное напряжение такой схемы вычисляется по формуле:
Uвых = Uвх*R2/(R1 + R2)
Отсюда можно выразить сопротивления делителя и задавшись значением одного из резисторов, посчитать сопротивление второго резистора
R1 = R2*(1 — (Uвых/Uвх))/ (Uвых/Uвх)
Пример:
Диапазон входных напряжений 0 — 4 В
Шкала АЦП 0 — 2.56 В
Uвых/Uвх = R2/(R1 + R2)
Uвых/Uвх = 2.56/4 = 0.64
Допустим значение R2 = 10 кОм, тогда
R1 = (R2 — 0.64*R2)/0.64 = (10 — 6.4)/0.64 = 5.625 кОм
Выбираем ближайшее значение из ряда E24 — 5.6 кОм.
Значения резисторов не следует выбирать слишком маленькими (до кОм), чтобы не нагружать выход операционного усилителя, и чтобы его выходное сопротивление не вносило лепту в резистивный делитель.
Также не следует брать их слишком большими — несколько МОм.
Второй вариант масштабирующей схемы — это неинвертирующий усилитель на операционном усилителе. Такая схема подойдет, если входной сигнал меньше диапазона АЦП и его нужно просто умножить.
Входное и выходное напряжение в данной схеме связаны соотношением:
Uвых = Uвх*(1+R1/R2)
Как видно из формулы, коэффициент усиления данной схемы не может быть меньше 1.
Задавшись одним из сопротивлений, можно рассчитать значение второго резистора:
R1 = R2*(Uвых/Uвх — 1)
Пример:
Диапазон входных напряжений 0 — 2 В
Шкала АЦП 0 — 5 В
Uвых/Uвх = 5/2 = 2.5
R1 = R2*(2.5 — 1)
Допустим R2 = 10 кОм, тогда R1 = 10 * (2.5 — 1) = 15 кОм
Значения резисторов не следует выбирать слишком маленькими (до кОм), по описанным выше причинам.
И третий вариант масштабирующей схемы на операционном усилителе выполняет усиление сигнала и смещает его.
Схему следует применять, когда интересующий нас диапазон входного сигнала начинается не с нуля и его нужно «растянуть» на всю шкалу АЦП.
Входное и выходное напряжение в данной схеме связаны следующим соотношением:
Uвых = Uвх*(1 + R3/R2 + R3/R1)-Vcc*R3/R1
где Uвх*(1 + R3/R2 + R3/R1) — усиление входного сигнала,
а Vcc*R3/R1 — смещение.
Чтобы найти значения резисторов из этого выражения, нужно задаться одним из резисторов и решить систему из двух уравнений. Одно уравнение — это соотношение для случая максимального значения входного/выходного сигнала, второе — для случая минимального значения входного/выходного сигнала.
Uвых_макс = Uвх_макс * (1 + R3/R2 + R3/R1)-Vcc*R3/R1
Uвых_мин = Uвх_мин * (1 + R3/R2 + R3/R1)-Vcc*R3/R1
Я предпочитаю использовать для таких расчетов Маткад. Вот файл для расчета схемы масштабирующего усилителя. Версия Маткада — 14.
Пример:
Диапазон входных напряжений 2 — 4 В
Шкала АЦП 0 — 5 В
Напряжение питания Vcc 10 В
Уравнения будут выглядеть так:
5 = 4 * (1 + R3/R2 + R3/R1) — 10 *R3/R1
0 = 2 * (1 + R3/R2 + R3/R1) — 10 *R3/R1
Решение на Маткаде.
Напряжения заданы в В, сопротивления в кОм. Значение резистора R3 задаем перед расчетом равным 100 кОм, а для резисторов R1, R2 указаны начальные значения. Расчетные значения получились 200 и 100 кОм.
Коэффициент усиления данной схемы > 1 и смещение > 0. Что это значит для нас в практическом плане? С помощью этой схемы нельзя просто сместить сигнал без усиления и также нельзя просто усилить сигнал без смещения. Для получения «универсальной»схемы, способной работать с тремя описанными случаями, можно объединить две схемы.
Не устанавливая R1, R5, а R2 взяв номиналом 0 Ом, мы получим первую схему. Не устанавливая R4 и R1 — вторую. Не устанавливая R4 — третью.
Ну и на последок пару слов о выборе операционного усилителя. Если амплитуда входного или выходного сигнала близка к значениям питающего напряжения ОУ, используйте усилитель типа Rail-To-Rail. В противном случай усилитель будет входить в насыщение и искажать сигнал.
Масштабирующий усилитель — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1
Cтраница 1
Масштабирующий усилитель усиливает входные аналоговые сигналы и обеспечивает на своем выходе стандартный сигнал ( в диапазоне минус 5 — 0-плюс 5 В) независимо от диапазона входных сигналов, так как его коэффициент усиления задается программным способом по сигналам, поступающим из блока БКУ-АВ.
[1]
| Структурная схема устройства УВА. [2] |
Масштабирующий усилитель усиливает входные аналоговые сигналы и обеспечивает на своем выходе стандартный сигнал ( в диапазоне минус 5 — 0 плюс 5 В) независимо от диапазона входных сигналов, так как его коэффициент усиления задается программным способом по сигналам, поступающим из блока БКУ-АВ. [3]
| Многофункциональный измерительный преобразователь с итерационной коррекцией погрешностей ( блок Ф ( х — съемный. [4] |
Схема соответствующего многофункционального преобразователя приведена на рис. 2.19. Коэффициенты передачи масштабирующих усилителей на входе интегратора и в цепи деления МДУ равны 1 / KX I / ( AT) и KI 2 соответственно. Переключатели Si и 52 работают синхронно, занимая на каждой итерации сначала нижнее ( первый такт), а затем верхнее ( второй такт) положение.
При таком задании шага скорость убывания относительных погрешностей в режимах 1 и 4 определяется оценкой (1.85) и значениями погрешностей из табл. 1.5. Быстродействие преобразователя во всех четырех режимах практически одинаково, а требуемое число итераций равно трем-четырем.
[5]
| Программный регулятор ( а и функциональная схема системы автоматического регулирования ( б мощности электрошлаковой сварки типа СУ-264. [6] |
В качестве датчика силы сварочного тока используется устройство, состоящее из шунта или трансформатора тока и масштабирующего усилителя. Напряжение сварки снижается со скользящего токосъемника, установленного вблизи ванны и надежно контактирующего с плавящимся электродом, что позволяет устранить погрешность, вносимую падением напряжения на электроде и токоподводящих цепях. Пропорциональный мощности сварки сигнал получается путем аналогового перемножения сигналов, пропорциональных напряжению и току сварки.
[7]
Если емкости в каналах отсутствуют, то полное сопротивление цепи равно только активному сопротивлению дросселей в каналах, при этом устройство работает как
Другой вариант аппаратурной реализации алгоритма (2.21) приведен на рис. 2.7, б и отличается от первого варианта ( рис. 2.7, а) местом включения масштабирующего усилителя. Использование усилителя с пара-фазными выходами позволяет заменить двухвходовый дифференциальный интегратор обычным интегратором Миллера. В рассматриваемом варианте преобразователя переключатели 5t и 52 работают синхронно. [9]
При моделировании взрыва аналогом механических напряжений являются электрические напряжения, поэтому при определении числа вновь образованных трещин и нахождении проницаемости пород удобно воспользоваться электрической моделью совместно с аналоговым устройством, состоящим из интеграторов, масштабирующих усилителей и блоков нелинейности.
[10]
Ньютона (2.22) достаточно уменьшить шаг в 2 раза. Соответственно коэффициент передачи масштабирующего усилителя в преобразователе на рис. 2.7, а увеличивается, а в преобразователе на рис. 2.7, б уменьшается в 2 раза. Указанная корректировка шага не может быть произведена в преобразователе на рис. 2.6, поскольку между (2.19) и (2.22) нет требуемого соответствия. [11]
Устройство сопряжения оптической и цифровой подсистем обеспечивает дискретизацию, квантование и передачу в микроЭВМ телевизионного изображения ПЧС. Оно включает в себя масштабирующий усилитель, управляющее устройство выбора и хранения отсчетов и аналого-цифровой преобразователь. [12]
Устройство ввода аналоговых сигналов осуществляет их ввод с датчиков ЭДС и тока как низкого, так и высокого уровней, коммутацию, усиление и аналого-цифровое преобразование указанных сигналов, а также выдачу результатов преобразования в вычислительный комплекс. В состав УВА входят многодиапазонный аналого-цифровой преобразователь ( МАЦП), коммутатор аналоговых сигналов ( КАС), 
[13]
Перед началом интегрирования необходимо задать начальные условия в виде напряжения ыВых ( 0), до которого заряжается емкость интегратора. В режиме установки начальных условий переключатель SA подключает инвертирующий вход ОУ к делителю Roz, Коз. При этом схема превращается в масштабирующий усилитель, у которого входным сигналом является напряжение с движка потенциометра Roi. Это позволяет на выходе интегратора формировать напряжение начального условия в рабочем диапазоне выходных напряжений ОУ. В момент начала интегрирования переключатель подключает к входу ОУ входные резисторы и тем самым разрешает интегрирование суммы входных напряжений. На практике в качестве переключателя используют контактные группы реле или аналоговые полупроводниковые ключи. А момент начала интегрирования определяется, например, моментом нажатия на кнопку Пуск АВМ. [14]
Страницы: 1
| |||||
| | |||||
 Эта схема умножает
каждый вход с коэффициентом (коэффициент определяется схемой), а затем добавляет эти
ценности вместе. Коэффициент, который используется для умножения каждого входа, определяется отношением
резистора обратной связи к входному резистору. Например, вы можете разработать схему
это даст следующий вывод из трех входов (E1, E2, E3):Использование входных резисторов R1 для входа номер один (Е1), R2 для входа номер два (Е2), R3 для входа номер три (E3) и R4 для резистора обратной связи можно рассчитать номиналы резисторов: Можно использовать любые резисторы, обеспечивающие показанные выше коэффициенты. Если обратная связь Резистор (R4) — резистор 12 кОм, номиналы остальных резисторов будут: На рис. 3-24 представлена принципиальная схема масштабирующего усилителя с рассчитанными значениями. выше. Рис. Чтобы увидеть, даст ли схема желаемый выходной сигнал, рассчитайте токи и напряжения, как и для предыдущих цепей. С: вывод должен быть: Рассчитать ток для каждого входа: Расчет выходного напряжения: Теперь вы видели, как операционный усилитель можно использовать в схеме в качестве сумматора, суммирующий усилитель и масштабирующий усилитель. Дифференциальный усилитель (вычитатель) Дифференциальный усилитель создает выходной сигнал на основе на разнице между входными сигналами. Схема вычитателя показана на рис. 3-25. выдаст следующий результат: Рис. 3-25. — Схема вычитания. Обычно схемы дифференциальных усилителей имеют коэффициент инвертирующего входного резистора к резистору обратной связи, равному отношению неинвертирующих входных резисторов. В других слов, для рисунка 3-25: и, перевернув обе стороны: | |||||
3-24. — Масштабирующий усилитель.
Суммирующий, масштабирующий и усредняющий усилитель
Наиболее полезной из схем операционных усилителей, используемых в аналоговых компьютерах, является схема суммирующего усилителя. Эта схема может использоваться для добавления сигналов переменного или постоянного тока.
Эта схема обеспечивает выходное напряжение, пропорциональное или равное алгебраической сумме двух или более входных напряжений, каждое из которых умножается на постоянный коэффициент усиления. Трехвходовая суммирующая схема показана на рис. 36.1 (а).
Используя виртуальную эквивалентную схему, как показано на рис. 36.1 (b), выходное напряжение может быть задано через входы как Одним из преимуществ инвертирующих смесителей на операционных усилителях является отсутствие взаимодействия между входами. Инвертирующий вход представляет собой виртуальную землю. Это предотвращает появление одного входного сигнала на других входах.
Схема, показанная на рис. 36.1 (а), может использоваться как суммирующий усилитель , масштабирующий усилитель или усредняющий усилитель .
Уравнение (36.2) показывает, что выходное напряжение равно отрицательной сумме всех входных напряжений, поэтому схема действует как суммирующий усилитель.
Если каждое входное напряжение усиливается с разным коэффициентом, т. е. взвешивается по-разному на выходе, схема становится масштабирующим или взвешенным усилителем .
Выходное напряжение масштабирующего усилителя определяется уравнением (36.1) где
Схема, показанная на рис. 36.1 (а), может использоваться как схема усреднения , которая дает выходное напряжение, равное среднему значению всех входных напряжений. Модификация, необходимая в схеме, заключается в выравнивании всех входных резисторов R 1 , R 2 и R 3 , то есть R 1 = R 2 = R 3 = R (скажем) и создание. выигрыш равен единице по количеству входов, т. е. = R f /R = 1/n , где ii — количество входов.
Например, для трех входов выходное напряжение,
Суммирующая или усредняющая схема усилителя (рис. 36.2) может быть выполнена в неинвертирующей конфигурации путем подбора соответствующих номиналов резисторов, т.
е. R f и R 1 .
Используя теорему суперпозиции, напряжение V 1 на неинвертирующем выводе равно
Следовательно, выходное напряжение равно
Уравнение (36.5) показывает, что выход напряжение равно произведению среднего все входные напряжения и коэффициент усиления схемы (1 + R ф /R 1 ). Поэтому его называют усредняющим усилителем.
Коэффициент усиления (1 + R f /R 1 ) может быть установлен на любое значение в соответствии с потребностями приложения. Для единичного усиления, т. е. когда (1 + R f /R 1 ) = 1, схема выдаст среднее значение для всех входов.
Если коэффициент усиления схемы (т. е. 1 + R f /R 1 ) сделать равным количеству входов, выходное напряжение станет равным сумме всех входных напряжений
Следовательно, схема называется неинвертирующим суммирующим усилителем .
Суммирующий усилитель в дифференциальной конфигурации: Суммирующий усилитель с четырьмя входами (рис. 36.3) может быть сконструирован с использованием базового дифференциального усилителя, показанного на рис. резистор R.
Выход схемы можно определить с помощью теоремы суперпозиции. Например, для определения выходного напряжения за счет V a , уменьшите все остальные входные напряжения V b , V c и V d до нуля, как показано на рис. 36.4. На самом деле, эта схема представляет собой инвертирующий усилитель, в котором инвертирующий входной контакт подключен к виртуальной земле (т. е. V 2 = 0).
Таким образом, выходное напряжение, В out a = -R/R V a = -V a
Аналогично, выходное напряжение, обусловленное V b отдельно, В 901 40 из б = -V б
Теперь, если входные напряжения V a , V b и V d равны нулю, схема, показанная на рис.
