Масштабирующие преобразователи тока и напряжения на ОУ.

 

На входе цифрового прибора обычно включаются измерительные устройства, осуществляющие преобразование измеренной величины в сигнал, удобный для моделирования его АЦП. Как правило, это осуществляют ИП.

В качестве выходного сигнала выбирают U постоянного тока с достаточно высоким уровнем (до 5 В). В ЦИП для измерения I используют ОУ, включаемые, как правило, по инвертирующей схеме.

В ОУ имеется инвертирующий и не инвертирующий входы.

Для идеального ОУ входные токи I_ВХ+=I_ВХ−=0, а U_{СМ 0}=0, R_ВЫХ=0, R_{ВХ ДИФ}=∞. В этих условиях ток источника сигнала: может протекать только через R_ОС, создавая на нём падение напряжения.

Коэффициент усиления для идеального ОУ: К₀=∞

Падение напряжения на резисторе обратной связи:

U_{R ОС}=I_ОС·R_ОС=−I_C·R_ОС=−(U_C/R₁+I_C)·R_ОС

U_ВЫХ=U_Rос=−(U_C/R₁+I_C)·R_ОС

К=U_ВЫХ/U_C=−R_ОС/(R₁+R_C)

Для идеального ОУ коэффициент усиления определяется соотношением резисторов R_ОС и R₁ (R_C→0). В реальной схеме погрешность инверсного усилителя определяется наличием U_{СМ 0}, а также конечным значением К₀ (когда обратной связи нет). С учётом этих факторов выходное напряжение инверсного усилителя равно

U_ВЫХ+δU=−(R_ОС/R₁)[U_C+(I_ВХ·R₂)−U_{CM 0}−I_ВХ(R₁//R_OC)]·[(R_OC+R₁)/R_OC]·[1/(1+1/βK₀)]

Уменьшить погрешность можно за счёт применения усилителя с меньшими входными токами и с повышенным К, а также за счёт уменьшения R₁, R₂, R_ОС. При выполнении равенства

R₂=R₁//R_OC

Входное сопротивление инверсного практически равно R₁, поэтому при проектировании принимают R₁=0. Измеряемый ток протекает через R_OC, и напряжение выходного усилителя: U_ВЫХ=−I_ВХ·R_OC. Нижний предел измеряемого тока ограничивается наличием тока смещения.

При работе системы тока R_C>>R_OC, поэтому (R_OC+R₂)/R_C≈1, т.е. погрешность из-за U_СМ мала. При измерении малых токов U_{R OC} должно быть достаточно велико, и шумовые токи могут внести заметные погрешности в выходной сигнал. Поэтому // R_OC включают конденсатор (чтобы уменьшить уровень высокочастотного шума).

Для постоянных цифровых вольтметров с высокоомным входом применяется не инвертирующий усилитель.