В радиотехнике часто возникает необходимость в преобразователях. Многие источники сигнала имеют токовый выход. К таким источникам относятся ЦАПы, фоторезисторы, фототранзисторы и др… Для последующих манипуляций с сигналом необходимо преобразовывать его в напряжение. Рассмотрим проверенный временем преобразователь тока в напряжение на ОУ с разными источниками сигнала.
Преобразователь тока в напряжение (или сокращенно I-U преобразователь) — это схемное решение, позволяющее преобразовывать выходной токовый сигнал источника в напряжение.
Так же его называют усилитель — преобразователь сопротивления . Такое название в технической литературе было дано за то, что простейший преобразователь тока в напряжение — это резистор.
Вся магия преобразования происходит по закону дедушки Ома. Ток i вх протекая через резистор R вызывает на нем падение напряжение U вых . Величина этого напряжения прямо пропорциональна произведению сопротивления резистора и входного тока. Пожалуй формулой все звучит даже проще:
U вых = R × i вх
Основной недостаток использования одного резистора состоит в его ненулевом сопротивлении. Это обстоятельство становится серьезной проблемой, когда источник не в состоянии обеспечить необходимый уровень напряжения на резисторе. Результатом буду просадки напряжения на выходе.
Еще больше сопротивление сказывается на работе преобразователя, если у источника тока малый выходной рабочий диапазон. К таким источникам относится, например, фотодиод. Его выходной ток составляет единицы мкА.
В случае же ЦАПа , особенно высококачественного, использование резистора для преобразования предпочтительнее. Почему и зачем читайте в статье . Это обусловлено некоторыми фазовыми проблемами схем, которые будут рассмотрены. К счастью для нас, источникам вроде фотодиода фазовые искажения безразличны.
Схема преобразователя ток-напряжение на ОУ
Схема преобразователя тока в напряжение, совсем не нова, но проверенна и безотказна. В общем виде она выглядит следующим образом:
Ток сигнала i вх втекает в инвертирующий вход. Поскольку входной ток идеального ОУ равен нулю, то весь входящий ток поступает на резистор R цепи обратной связи. Этот ток создает на резисторе падение напряжения по закону все того же Ома.
Как результат ОУ будет стараться поддерживать на сопротивлении нагрузки R Н напряжение, пропорциональное величине входного тока. Коэффициент усиления схемы в, таком случае, имеет размерность сопротивления. Что еще раз объясняет советское название усилитель-преобразователь сопротивления:
K = U вых ÷ i вх = R
Преобразователь для заземленного источника
Рассмотрим несколько схем преобразователя тока в напряжение на ОУ, подходящие для любого случая. Начнем со схемы преобразователя для фотодиода.
Направление протекания тока показано стрелкой, и для данного случая величина выходного напряжения составит:
U вых = − i вх × R
Знак минус появляется из-за выбранного направления протекания тока фотодиода. (Указано стрелкой на схеме выше)
На этой схеме так же показан дополнительный резистор в 1 МОм, с неинвертирующего(+ ) входа ОУ на землю. Схема останется работоспособной и без этого резистора, а вход операционного усилителя в таком случае заземляется напрямую.
Однако имея резистор в 1 МОм в цепи обратной связи, на каждый 1 мкА входного тока на выходе будет создан 1 Вольт напряжения. При таком коэффициенте усиления (миллион раз ) резистор желателен из-за неидеальности операционных усилителей.
Преобразователь тока в напряжение используют и с источниками сигнала, подключенными к шине питания. Такая схема часто применяется с элементами вроде фототранзисторов. Фототранзистор потребляет (пропускает ) ток, под действием внешнего источника света, положительной шины питания.
Преобразователь тока в напряжение для незаземленного источника
Такой преобразователь отличается наличием второго токочувствительного резистора в цепи прохождения сигнального тока, который заземлен. Схема симметричного преобразователя ток-напряжение это подобие дифференциального усилителя.
В следствии падения напряжения так же и на заземленном резисторе, потенциал входа ОУ падает ниже потенциала земли, а на выходе устанавливается напряжение:
U вых = −2 × i вх × R
Симметричный преобразователь тока в напряжение — пример операционной схемы, которой необходим незаземленный (плавающий ) источник сигнала. Таким источником может послужить все тот же фотодиод. При этом фотодиод может быть вынесен за пределы платы. Для еще большей минимизации помех, желательно использовать экранированный кабель, экран которого должен быть соединен с землей.
Заключение
Материал подготовлен исключительно для сайта
Министерство Образования РФ
Новосибирский Государственный Технический Университет
Кафедра ССОД
Курсовой проект по дисциплине:
«СХЕМОТЕХНИКА»
Преобразователь тока в напряжение
Выполнила: Проверил:
Голдобина Елена Пасынков Ю.А.
Группа: АО-91
Факультет: АВТ
НОВОСИБИРСК-2001
1. Введение
2. Технические данные для проектирования
3. Структурная схема преобразователя
4. Уравнение преобразования
5. Анализ погрешностей
6. Принципиальная схема
7. Расчет инструментальных погрешностей
8. Заключение
9. Список используемой литературы
10. Спецификация элементов
Введение
В настоящее время существуют различные преобразователи физических величин, например: напряжения в ток, сопротивления в постоянное напряжение, частоты в напряжение.
Преобразователи одной величины в другую широко применяются в радиоэлектронике, микроэлектронике и системах сбора и обработки данных. При построении таких преобразователей используются операционные усилители. Это позволяет значительно увеличить выходное сопротивление схемы, тем самым, уменьшив влияние на работу последующих звеньев.
2. Технические данные для проектирования.
а) Основные данные
б) Дополнительные
3. Структурная схема преобразователя.
Схему преобразователя структурно можно представить в следующем виде:
2) – усилитель
I BX – входной ток
U ВЫХ – номинальное напряжение на выходе.
4. Уравнение преобразования тока в напряжение.
Сопротивление R3 равное параллельному соединению R1 и R2 включено в цепь для устранения погрешности от входных токов.
Сопротивление R кор -корректирующее – включено в схему для устранения погрешности от допусков резисторов (R кор = 10 Ом)
Выходное напряжение прямо пропорционально току, сопротивлению шунта и коэффициенту усиления масштабного усилителя:
Расчет элементов схемы:
Начальные данные:
.
Выбор операционного усилителя.
Выберем операционный усилитель с малым температурным дрейфом E см для того чтобы минимизировать погрешность от влияния дрейфа.
Возьмем ОУ 140УД21.(ТКЕ см =0,5·10 -6 В, I вх =0,5нА, ΔI вх =0,5нА, К=1000000 U вых =10,5В М сф =110 дБ).
Расчет резисторов.
Выберем шунт с номинальным напряжением U шном =30мВ.
Сопротивление шунта , следовательно входное сопротивление преобразователя равно 3 мОм, что соответствует заданным параметрам.
Напряжение на входе усилителя равно U шном. На выходе необходимо получить напряжение U вых =1В. Следовательно, коэффициент усиления с обратной связью
.
I R – ток протекающий через сопротивления R1, R2.
где, I вх_оу – входной ток операционного усилителя, К – коэффициент усиления без обратной связи.
Решая данную систему, находим значения резисторов.
R1 = 60 Ом R2 = 1900 Ом.
5. Анализ погрешностей
В данной схеме присутствует только инструментальная погрешность, так как методическая погрешность, связанная с сопротивлением источника, равна нулю (считаем, что источник идеальный, т.е. его внутреннее сопротивление равно ∞).
Поэтому рассмотрим только инструментальные погрешности:
1. Погрешность от допусков резисторов.
Данная погрешность устраняется путем ввода в систему корректирующего сопротивления, равного 10 Ом.
2 . Погрешность от ТКС резисторов
3. Погрешность от дрейфа Е см.
Влияние этой погрешности будет рассмотрено ниже.
4. Погрешность от Е см усилителя.
Эта погрешность устраняется с помощью подстроечного резистора R4.
5. Погрешность от входных токов.
Эта погрешность устраняется путем включения в преобразователь сопротивления R3, равного параллельному сопротивлению R1 и R2.
6. Погрешность от дрейфа Δ I ВХ .
Воздействие этой погрешности также рассматривается ниже.
7. Погрешность от коэффициента подавления синфазного сигнала.
Воздействие этой погрешности будет рассмотренно ниже.
7. Расчет погрешностей
Уравнение выходного напряжения:
Рассчитаем следующие погрешности:
а) Погрешность от допуска сопротивления шунта
Погрешность допуска сопротивления шунта составляет 0,05% или 15нОм.
Другими словами
R шреал – реальное сопротивление шунта.
U хреал – напряжение на выходе усилителя при R ш = R шреал
б) Погрешность от ТКС резисторов:
Выберем резисторы R1,R2 из серии С2-29В.
У данного типа резисторов
погрешность d 1 от ТКС R 2
погрешность d 2 от ТКС R 1
в) Погрешность от ТКЕ СМ
г) Погрешность от ΔI BX .
д) Погрешностьот коэффициента подавления синфазного сигнала.
Общая погрешность
Это значение удовлетворяет заданной погрешности. Следовательно подтверждается правильность выбора операционного усилителя с малым дрейфом смещения нуля.
8. Заключение.
Данная схема преобразователя напряжения в ток достаточно проста, но в то же время обеспечивает необходимую точность преобразования (погрешность преобразования не более 0,05) . Данные качества позволяют широко использовать эту схему в измерительных системах и системах обработки сигналов.
9. Список используемой литературы:
1. Конспект лекций Пасынкова Ю.А.по схемотехнике за 2001 год.
2. Хоровиц П., Хилл У. ”Искусство схемотехники”
3. Кунов В.М. Операционные усилители. Справочник. Новосибирск, 1992.
11. Технические характеристики элементов.
Обозначениена схеме |
Типэлемента |
Количество |
Примечание |
Опер. усилитель |
|||
U ВЫХ = 10,5 В, ТКЕ СМ = 0,5 мкВ/К |
|||
Резисторы |
|||
Прецизионные, ТКС = |
|||
подстроечный |
|||
корректировка нуля |
|||
На рис. 4.8 показан простой вариант преобразователя напряжения в ток всего на одном ОУ. Благодаря действию обратной связи входное напряжение и падение напряжения на резисторе равны. Через нагрузку течет тот же самый ток, что и через резистор поэтому . Ток в нагрузке не зависит от при условии, что ОУ работает в линейном режиме (не насыщается).
Коэффициенты преобразования.
Входное сопротивление.
Для инвертирующего преобразователя:
Для неинвертирующего преобразователя:
где - входное сопротивление для синфазного сигнала ОУ А.
Выходное сопротивление инвертирующего и неинвертирующего преобразователей:
Рис. 4.8. Два варианта схем ПНТ.
Выходной ток смещения инвертирующего и неинвертирующего преобразователей:
где - входное напряжение смещения ОУ, - входной ток смещения ОУ.
Максимальный выходной ток ограничивается напряжением питания ОУ и импедансом нагрузки.
Для инвертирующей схемы:
Для неинвертирующей схемы:
где - выходное напряжение насыщения ОУ.
Максимальный выходной ток может ограничиваться и встроенной защитой самого ОУ. В этом случае для увеличения тока к выходу ОУ можно подключить усилитель мощности (ряс. 4.9).
Неинвертирующая схема на рис. 4.8 имеет высокое входное сопротивление, так как входной сигнал подается непосредственно на вход ОУ. Входное сопротивление инвертирующей схемы равно сопротивлению резистора которое может быть сравнительно небольшим. Кроме того, в инвертирующей схеме источник управляющего напряжения должен обеспечивать и весь выходной ток. Для получения большого коэффициента
преобразования при сохранении приемлемого сопротивления резистора в цепь обратной связи можно включить делитель (рис. 4.9). У этого способа есть недостаток - уменьшается коэффициент передачи цепи обратной связи, а это снижает линейность и точность преобразования, а также уменьшает выходное сопротивление.
Выходное сопротивление в этом случае равно:
т.е. уменьшается в раз.
При работе на большую индуктивную нагрузку (например, обмотку реле или двигателя) позаботьтесь о том, чтобы не превысить допустимые параметры ОУ из-за возникновения больших обратных ЭДС. Для защиты ОУ и других элементов включаются дополнительные диоды. Кроме того, при индуктивной нагрузке возникают проблемы с устойчивостью схемы. Индуктивность в цепи обратной связи добавляет лишний полюс в частотной характеристике, что может вызвать неустойчивость и привести к самовозбуждению устройства. Для борьбы с этим включаются корректирующие конденсатор и резистор, показанные на рис. 4.9.
Включение еще одного ОУ превращает исходную схему в ПНТ с дифференциальным входом (рис. 4.10).
Для плавающих источников управляющих напряжений применяются схемы, приведенные на рис. 4.11, причем достоинство схем б) и в) состоит в том, что они отдают ток в заземленную нагрузку. Из-за действия обратной связи падение напряжения на резисторе равно входному напряжению Ток, протекающий через резистор должен течь и через нагрузку, что приводит к желаемому результату.
Выходное сопротивление для схемы а):
а для схем б) и в):
Общее смещение, приведенное к входу, для схем а), б) и в):
где - коэффициент усиления ОУ А,
КОСС - коэффициент ослабления синфазного сигнала ОУ А, - входное напряжение смещения ОУ А, - входной ток смещения ОУ А.
Выходное напряжение для схем а), б) и в):
Рис. 4.9. Применение усилителя мощности и делителя в цепи обратной связи.
Если схема а) имеет плавающие источники литания, то можно подключить точку Р к общему проводу для того, чтобы заземлить входной сигнал и нагрузку.
Сопротивление утечки между плавающими зажимами источника сигнала и землей не влияет на работу схемы в). Однако оно сказывается на работе схем а) и б), так как по сопротивлениям утечки отводится часть выходного тока от токозадающего резистора
В измерительных схемах сигналы постоянного тока часто используются в качестве аналоговых представлений физических измерений, таких как температура, давление, поток, вес и движение. Чаще всего сигналам постоянного тока отдается предпочтение по сравнению с сигналами постоянного напряжения , поскольку сигналы тока точно равны по величине во всем контуре схемы, несущей ток от источника (измерительного устройства) до нагрузки (индикатор, устройство записи или контроллер), тогда как сигналы напряжения в аналогичной схеме могут изменяться от одного конца к другому из-за резистивных потерь проводников. Кроме того, приборы для измерения тока обычно имеют низкие импедансы (в том время как приборы для измерения напряжения имеют высокие импедансы), что дает инструментам измерения тока бо́льшую устойчивость к электрическим помехам.
Чтобы использовать ток как аналоговое представление физической величины, мы должны иметь какой-то способ генерации точной величины тока в сигнальной схеме. Но как мы создадим точный токовый сигнал, когда не можем знать сопротивление контура? Ответ заключается в использовании усилителя, предназначенного для поддержания тока на заданном значении, прикладывая столько много или столько мало напряжения, сколько необходимо для цепи нагрузки, чтобы поддерживать это заданное значение тока. Такой усилитель выполняет функцию источника тока . Операционный усилитель с отрицательной обратной связью является идеальным кандидатом на такую задачу:
Предполагается, что входное напряжение этой схемы исходит от какого-либо устройства физического преобразователя / усилительного устройства, откалиброванного для получения 1 вольта для 0% при физическом измерении и 5 вольт для 100% при физическом измерении. Стандартный диапазон аналогового токового сигнала составляет от 4 мА до 20 мА, что означает от 0% до 100% диапазона измерений, соответственно. При входе 5 вольт резистор (точный) 250 Ом будет иметь приложенное к нему напряжение 5 вольт, что приведет к току 20 мА в схеме большого контура (с R нагр). Не имеет значения, чему равно сопротивление R нагр, и чему равно сопротивление проводов в этом большом контуре, если операционный усилитель имеет напряжение питания, достаточно высокое для выдачи напряжения, которое необходимо для получения 20 мА, протекающих через R нагр. Резистор 250 Ом устанавливает соотношение между входным напряжением и выходным током, в этом случае создавая равнозначность 1-5 В на входе / 4-20 мА на выходе. Если бы мы преобразовывали входной сигнал 1-5 вольт и выходной сигнал 10-50 мА (более старый, устаревший измерительный стандарт промышленности), вместо этого мы использовали бы точный резистор 100 Ом.
Другим названием этой схемы является «усилитель крутизны ». В электронике крутизна представляет собой математический коэффициент, равный изменению тока, деленному на изменение напряжения (ΔI/ΔV), и измеряется в сименсах (См), в тех же единицах, что используются для выражения проводимости (математически, величина, обратная сопротивлению: ток/напряжение). В данной схеме коэффициент крутизны фиксируется величиной резистора 250 Ом, что дает линейную связь выходной_ток/входное_напряжение.
Резюме
- В промышленности токовые сигналы постоянного тока часто используются вместо сигналов постоянного напряжения как аналоговые представления физических величин. Ток в последовательной цепи абсолютно одинаков во всех точках этой схемы независимо от сопротивления проводов, тогда как напряжение в аналогичной схеме может изменяться от одного конца к другому из-за сопротивления проводов, что делает токовые сигналы более точными для передачи сигнала от «передающего» прибора до «принимающего» прибора.
- Сигналы напряжения относительно легко получить непосредственно на устройствах преобразователей, тогда как точные токовые сигналы нет. Для «преобразования» сигнала напряжения в токовый сигнал можно довольно просто использовать операционные усилители. В этом режиме операционный усилитель буде выводить любое напряжение, необходимое для поддержания тока через сигнальную цепь в правильном значении.
На рис.1.2 приведена основная инвертирующая схема включения ОУ.
Рис.1.2. Основная инвертирующая схема включения ОУ
Выход ОУ соединен с инвертирующим входом сопротивлением обратной связи R ОС . Сигнал подается на инвертирующий вход через сопротивление R 1 . Исходя из свойств ОУ (бесконечный коэффициент усиления), делаем вывод, что при конечном напряжении на выходе разность потенциалов в трчках А и В равна нулю. Т.к. потенциал точки В равен нулю (соединение с землей), то и потенциал точки А тоже равен нулю. Этот факт дает основание считать точку А кажущейся землей, поскольку прямого соединения с землей эта точка не имеет.
Отсюда следует, что ток во
входной цепи определяется только
сопротивлением R
1
:
i
=
u
ВХ
/
R
1
.
Из-за бесконечного входного сопротивления
ОУ на вход усилителя ток не ответвляется
и полностью протекает по сопротивлению
ОС R
ОС
.
Отсюда:
.
Подставив сюда значение тока, получим:
.
Следовательно, коэффициент усиления:
(1.1)
Входное сопротивление каскада равно R 1 .
1.1. Суммирующий усилитель
Наличие точки кажущейся земли позволяет строить при помощи ОУ суммирующие усилители (рис.1.3).
Рис.1.3. Суммирующий усилитель
Вследствие того, что потенциал в точке А равен нулю, входные токи не влияют друг на друга и определяются только параметрами входных цепей:
Эти токи суммируются в цепи
обратной связи:
.
Подставим значения токов:
,
отсюда:
(1.2)
Изменяя значения сопротивлений, можно задавать весовые коэффициенты, с которыми суммируются входные напряжения. В частности, при равенстве всех сопротивлений получаем чистую сумму входных напряжений.
1.4. Основная неинвертирующая схема включения оу
На рис.1.4. приведена основная неинвертирующая схема включения ОУ.
Рис.1.4. Основная неинвертирующая схема включения ОУ
Исходя из тех же предпосылок, что и в предыдущих случаях, проведем анализ работы данной схемы.
1)
.
3)
.
4) Приравнивая токи, получаем:
.
5) Отсюда окончательно получаем коэффициент усиления:
. (1.3)
Как видно из (1.3), коэффициент усиления неинвертирующего усиления не может быть меньше единицы.
1.5. Повторитель
Частным случаем неинвертирующего усилителя является повторитель (рис.1.5).
Рис.1.5. Повторитель на ОУ
Коэффициент передачи такого каскада равен единице. Он обладает очень высоким входным и низким выходным сопротивлением. Такие свойства позволяют применять его в качестве буферного каскада, чтобы исключить влияние одной части большой схемы на другую.
1.6. Преобразователь тока в напряжение
Простейшим преобразователем ток-напряжение является, как известно, резистор. Ему, однако, присущ недостаток, заключающийся в том, что для подключаемого источника тока его входное сопротивление не равно нулю (напомним, что для источника тока нормальным является режим короткого замыкания, поскольку источник тока имеет большое выходное сопротивление, которое должно быть намного больше сопротивления нагрузки). Схема, приведенная на рис.1.6, свободна от указанного недостатка и обеспечивает точное преобразование тока в напряжение:
u 2 = −R i 1 . (1.4)
Точка А имеет квазинулевой потенциал, поэтому входное сопротивление устройства равно нулю, а токi 1 протекает по резисторуR , обеспечивая выходное напряжение (1.4).
Рис.1.6. Преобразователь тока в напряжение