книги / Основные узлы цифровых измерительных устройств

где Roc, Ri - резисторы в обратной связи и на входе ОУ.

Для регулировки выходного напряжения ИОН в него вводятся регулировки, например, с помощью делителей напряжения на резисторах [7, с. 183-184].

Большие коэффициенты стабилизации напряжения при малом RBbIXпозволяют получить вторичные источники электропитания в виде стабилизаторов [7 с. 308 - 314]. По принципу работы это система регулирования, в которой изменения выход­ ного напряжения передаются на регулирующий элемент РЭ таким образом, что в ре­ зультате уменьшается изменение выходного напряжения. Используются две основ­ ные функциональные схемы таких стабилизаторов: параллельная и последователь­ ная (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Параллельный и последовательный компенсационный стабилизаторы

В параллельном стабилизаторе изменения 1н будут сопровождаться противопо­ ложным изменением тока 1р РЭ, удерживая постоянным напряжение на резисторе R0. В последовательном стабилизаторе выходное напряжение стабилизируется пу­ тём изменения напряжения на РЭ.

Численные значения Кст стабилизаторов на дискретных элементах лежат в пре­ делах 200-1000, a RBbCXдесятые и сотые доли Ома. Интегральные схемы стабилиза­ торов имеют выигрыш по массогабаритным, стоимостным и качественным показа­ телям (ИС серии 142).

Использование импульсных (ключевых) стабилизаторов в ЦИУ должно выпол­ няться с учётом того, что их регуляторы являются источниками мощной широкопо­ лосной помехи, влияющей на точностные характеристики других блоков, защита от которой сопряжена с большими трудностями в виде дополнительных конструктор­ ских и схемных решений.

Однополярный ИОН на ОУ, позволяющий исключить влияние источника пита­ ния (стабилитрон не подключён к блоку питания), использует положительную об­ ратную связь (ПОС) [8, с. 183] (рис. 2.4), резисторы R1} R2. Коэффициент передачи

по цепи обратной связи Pno.rlVtRi+ï^) должен быть меньше единицы для исключе­ ния самовозбуждения усилителя, a uBbIX= UCT(1 - рпос)- Ток стабилитрона определяет

резистор R3: 1ст= PnocUcr/RlO - Рпос).

Второй диод обеспечивает надёжный запуск ИОН при включении питания. Дрейфовые характеристики данного ИОН определяются стабилитроном. Для полу­ чения температурного дрейфа меньше, чем обуславливает стабилитрон, в схему включается компенсирующая схема [8, с. 183-184], позволяющая в диапазоне тем­ ператур минус 55-125 °С обеспечить стабильность uBbUt с погрешностью 0,1 %.

Рис. 2.4. ИОН с использованием ПОС

Также появились ИОН, называемые "стабилитрон с напряжением запрещенной зоны" (или "ибэ-стабилитрон") [9, с. 353 - 360]. В них генерируется напряжение с температурным коэффициентом, положительным и равным по абсолютной величи­ не отрицательному температурному коэффициенту напряжения ибэ биполярного транзистора^БПТ). При их сложении получается напряжение с нулевым температур­ ным коэффициентом. Схема ИОН с напряжением запрещенной зоны (НЗЗ) приведе­ на на рис. 2.5 [9].

Резистор R определяет величину напряжения, которая складывается с Ибэ и име­ ет положительный температурный коэффициент. Подбирая R, получают нулевой ре­ зультирующий температурный коэффициент, что наблюдается, если суммарное на­ пряжение равно напряжению запрещенной зоны кремния при температуре 0 К (при­ мерно 1,22 В).

На рис. 2.$ показана схема ИОН, позволяющая также снимать напряжение, со­ ответствующее температуре стабилитрона с НЗЗ [9].

Рис. 2.6. ИОН с НЗЗ и температурным датчиком

VT 1 ,2 - согласованная пара транзисторов, заснёт обратной связи работающая при соотношении коллекторных токов 10 : 1. Разность напряжений U63, равная In kT/qlnlO (формула Эберса-Молла: к - постоянная Больцмана, Т - температура),

делает ток 1э2 пропорциональным температуре (разность напряжений приложена к резистору R1), что обуславливает пропорциональность между 1к1 и температурой. Напряжение на резисторе R2 складывается с напряжением U63i, создавая стабильное опорное напряжение и0 с нулевым температурным коэффициентом на базах транзи­ сторов VT 1,2,

Зачастую необходимо иметь двухполярные ИОН. ТакойГ источник с малым Квых представлен на рис. 2.7 [8, с. 184-185]. Ток стабилитрона задаётся транзистор­ ными генераторами тока. При идентичности характеристик транзисторов рпр и прп выполняется условие Ii = Ь = 1W R3. Реальное соотношение h ф 12 не влияет на ра­ боту схемы вследствие наличия отрицательной обратной связи в схемах на ОУ Здесь I = UCT/(R1+ R2); uBblxi - IR2; ивых2 = -IRj. Изменяя отношение RI/R2, можно по­ лучить изменение выходного напряжения от нуля до UCT» но всегда сохраняется разность иВЫХ1иВых2 = UCT. При этом 1ст « иЭб1,2^ з . В схеме имеется почти полная компенсация положительного температурного дрейфа иот отрицательным дрейфом 1СТ. Так как стабилитрон не подключен непосредственно к источникам питания, то исключается влияние на ивых помех, имеющихся даже на общей шине в приборе.

Температурно-стабилизированные ИОН могут использовать термостатирование, в том числе на уровне полупроводникового кристалла (серия ИС LM199): ТКНС = 0,00002 %/°С или 2- 10'7/°С, мощность нагревателя 0,25 Вт, время разо!рева 3 с.

ИС ИОН без термостатирования - это REF10KM, REF 101КМ(ТКНС = КГ3*б/°С), а также ИС МАХ671, AD2710, AD2712, LTZ1000, причём для последней ИС ТКНС = 0,05-10'Vc. Перечисленные ИОН без термостатирования - специаль­ ные стабилитроны (с захороненным слоем), что обеспечивает намного меньшей шум, чем у остальных ИОН.

Следует отметить такой элемент, как баистор, состоящий из диода и резистора, температурные зависимости характеристик которых обеспечивают температурную стабилизацию рабочей точки (напр., КЖ102А, Б). Он рассчитан на эксплуатацию в диапазоне температур минус 60-125 °С на корпусе. Схема и характеристика баистора показаны на рис. 2.9, а в качестве электрических параметров можно привести [10] следующие:

R общий AUSR=(32-48) % при ДТ = (25-100) °С;

R s= (0,26-0,41) Ом при Т = 25 °С;

Rs= (0,24-0,67) Ом при Т = 100 °С.

Рис. 2.9. Схема и характеристики баистора

3. ВХОДНЫЕ ДЕЛИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ И АТТЕНЮАТОРЫ

На входе ЦИУ зачастую применяются входные делители напряжения, аттенюа­ торы и входные усилители. Они позволяют соответственно изменить напряжение входного сигнала до уровня, необходимого для последующей обработки.

Входное сопротивление RBXлюбого измерителя уменьшает измеряемое напря­ жение при его подключении к источнику сигнала (методическая погрешность). Этот факт отражается законом Ома для полной цепи. Допустимое значение данной мето­ дической погрешности должно быть увязано с числом уровней квантования Nmax для устройств, обрабатывающих входное напряжение. При условии, что относительная методическая погрешность результата измерения бвх, связанная с конечным значе­ нием RBX, не должна превышать относительного значения кванта (100/ N ^ ), относи­ тельная методическая погрешность 6ПХопределяется [6] как

gВХ « ю ои^ - ,5

Квх

где RBblx - выходное сопротивление источника сигнала.

Таким образом, высокая разрешающая способность цифровых вольтметров требует высокого входного сопротивления. Указанное относится к основному диа­ пазону измерения. На диапазонах с более высокой чувствительностью, где часто применяется предварительный усилитель с последовательной ООС, RBXуменьшает­ ся во столько раз, во сколько увеличивается чувствительность [6, с. 148-152]. Для

усилителя с ООС известны формулы (коэффициент усиления, входное сопротивление)

Коос = j + RM.ooc = + PК); K OOCR„.OOC= KR = const,

где К к R - коэффициент усиления и входное сопротивление без цепи ООС; Р - ко­ эффициент передачи цепи ООС.

На верхних диапазонах (относительно основного) применяется входной дели­ тель напряжения (ДН), определяющий входное сопротивление устройства. Вариант схемы многодиапазонного входного устройства показан на рис. 3.1.

На диапазонах "10-1000" переключатель SW1 в нижнем положении и RBXопре­ деляется ДН R1-R4. К выходу ДН1 подключён усилитель с ООС. При РК » 1 мож­ но считать, что Кобс = î/р- Так как переключатель SW3 находится в верхнем поло­ жении, то р = 1 и Коос = 1. Только при Rw ooc » (Ra + R3 + R») можно считать, что

RBXone не влияет на величину входного сопротивления всего устройства.

На диапазонах "0,1; 1" делитель R1-R4 отключается переключателем SW1 (SW2 в верхнем положении), и входное сопротивление устройства равно RBX0осПоложение переключателя SW3 определяет значение коэффициента P (Р = 1 или Р = R6/(R5T + RÔ) <1), что изменяет как коэффициент усиления входного сигна­ ла, так и входное сопротивление устройства.

Rs

R6

Рис. 3.1. Входное устройство с диапазонами выше и ниже основного Для входных делителей напряжения разработаны специальные гибридные ИС

типа ДНМ [6] с номинальным значением коэффициента деления 1, 10, 100, 1000 и общим сопротивлением 10 МОм ± кОм. Погрешность коэффициента деления не бо­ лее 0,01-0,002 %, а температурный коэффициент отношения не более 2-10"4 %/°С. В корпусе ИС также находятся подстроечные резисторы, позволяющие подгонять ко­ эффициент деления с погрешностью до 0,001 % (см. табл. 3.1). Пример расчёта входного многодиапазонного устройства дан в [11, с. 182-184].

Более подробный материал по построению ослабителей приведён в [12, с. 60-62].

4.КОММУТАТОРЫ

Внастоящее время в ЦИУ широко используются электронные ключи различно­ го функционального состава. Их основа - полевые транзисторы (ПТ), имеющие ма­ лое время переключения (доли наносекунды), в них отсутствует эффект накопления избыточных зарядов в структуре с последующим медленным рассасыванием. Для ключей разработаны специальные транзисторы с уменьшенным сопротивлением участка "сток-исток'' гси во включённом состоянии. Условно ключи можно разделить на логические (передающие на выход низкий или высокий уровень сигнала) и ана­ логовые (передающие на выход уровень входного напряжения). Простейший анало­ говый ключ можно представить схемой (рис. 4.1) на ПТ с каналом n-типа (индуци­ рованным затвором, с обогащением).

выход

и упр

ISBЛ

O BJ L

Изи

Рис. 4.1. Двунаправленный аналоговый ключ

При иупр < 0, ПТ закрыт и гС11« ЮГОм. При Uynp = 15 В ПТ открывается и гси « 25 Ом. Максимальное значение входного напряжения не более 10 В, иначе иупр = 15 В не смо­ жет удерживать ПТ в открытом состоянии. Если -10 < ивх < 0, необходимо иметь иупр, изменяющееся от минус 15 В до нуля. Резистор R„, который выбирается в диа­ пазоне 10-100 кОм, уменьшает уровень входного сигнала на выходе из-за паразит­ ного прохождения через межэлектродные ёмкости ПТ. Чрезмерно малое значение R„ ведёт к нелинейности амплитудной характеристики (АХ) ключа в динамическом диапазоне (ДЦ) (R„ соизмеримо с гсн, которое может несколько меняться в ДЦ).

Аналоговый ключ может быть построен на ПТ с р-п-переходом (канал п-типа) (рис. 4.2). В схеме необходимо не допускать появления тока затвора. При отрица­ тельном входном напряжении для удержания ПТ в закрытом состоянии управляю­