Многоцелевая дифференцирующая схема

Дифференцирующая схема-это устройство, которое вырабатывает выходное напряжение, пропорциональное производной или мгновенной скорости изменения входного сигнала. В большинстве применений, где встречается дифференцирующая схема, она подключается к выходу прибора, который воспринимает сигнал от источника. Например, физиолог для выделения артериальных колебаний животного может использовать датчик давления. Этот сигнал можно подать на дифференцирующую схему для получения сигнала dp/dt. Бывает также, что инженеру нужно получить информацию об ускорении и скорости из эксперимента, в котором сигнал о положении объекта вырабатывается потенциометром. Из физики известно, что при движении вдоль некоторой оси (обозначаемой через х) скорость представляет собой первую производную положения, а ускорение - это первая производная по времени от скорости, т. е. вторая производная по времени от положения. Таким образом, V=dx/dt и A = dvldt. Если мы пропустим сигнал положения, вырабатываемый потенциометром, через дифференци-

Г.,.,ЮОпФ 2 -Н(-° с;

бОкОм

J3 41

JIumoHUi-1

220мкФ

Рис. 22.6. Практическая дифференцирующая схема на операционных усилителях

Перечень элементов схемы- если не оговорено противное, все резисторы углеродистые с номинальной мощностью 0,25 Вт и точностью 5%. Можно использовать резисторы более высоких классов точности, но это не намного улучшит характеристики устройства; i?r - потенциометр с линейным изменением сопротивления, смонтированный на передней-панели, Лз, - подстроечные потенциометры, смонтированные на передней панели, рабочее напряжение всех конденсаторов 25 В или более, Ci-Сз - дисковые типа NPO; Ci -дисковый типа NPO или миларовый пленочный; Сь, Са - миларовые пленочные; Ci, Cs - электролитические; У], Уг - ИС типа 741 в миниатюрном корпусе типа DIP; Уз -ИС типа 1458 в миниатюрном корпусе типа DIP; /г - телефонные гнезда; 5i- поворотный типа SP/6I, S2 - шарнирный рычажный типа DPST; модуль EFP фирмы Vector; перфорированная плата 3677-2DP фирмы Vector.

рующую схему, то получим сигнал скорости, и если его пропустить через вторую дифференцирующую схему, то мы получим сигнал ускорения. На рис. 22.6 показана дифференцирующая схема с разными постоянными времени, что позволяет осуществить дифференцирование большого числа различных сигналов.

В этой книге и в большинстве других книг по операционным усилителям вы встретите основную дифференцирующую схему на операционных усилителях, в которой используется инвертирующий вход усилителя. Такая схема хорошо работает в устройствах с фиксированной постоянной времени, но в устройстве с несколькими постоянными времени ее характеристики сильно ухудшаются.

В первом варианте этой схемы, которая разрабатывалась для одного физиолога, я обнаружил, что схема имеет тенденцию к самовозбуждению при некоторых положениях потенциометра Ri. Это происходило тогда, когда использовалась классическая дифференцирующая схема на операционном усилителе с инвертирующим входом. По-видимому, фазовый сдвиг RC-цепи и фазовый сдвиг на 180°, присущий инвертирующему входу, в совокупности приводят к тому, что на некоторых частотах в пределах частотного диапазона операционного усилителя-полный фазовый сдвиг получается равным 360°. Классический способ борьбы с этим явлением состоит в том, чтобы включить последовательно с входным конденсатором резистор, сопротивление которого достаточно велико. Оказывается, однако, что такой способ хорош только в том случае, если диапазон значений сопротивления Ri невелик. Если же значение емкости на входе меняется, то опять-таки возникает самовозбуждение.

Единственный эффективный способ обеспечения работы в нескольких диапазонах - это использование усилителя с единичным усилением и неинвертирующим входом, показанного на схеме. Благодаря этому усилителю самовозбуждение устраняется при любых положениях переключателя диапазонов и при любых значениях сопротивления Ri.

Собственно дифференцирующая схема -это RC-neub, Ci- Сб и Ri. Другие каскады (У1 и У2) являются развязывающими, предназначенными для обеспечения устойчивой работы. Кроме того, имеется каскад управления чувствительностью (УЗА) и выходной буферный каскад, в котором осуществляется управление положением (постоянной составляющей) выходного сигнала.

Все ИС, используемые в этой схеме, представляют собой операционные усилители типа 741, по крайней мере устройства класса 741 (т. е. ИС типа 1458). Они вполне подходят для тех диапазонов постоянных времени, которые уста-навливаются переключателем Si. Использование устройств с большой скоростью нарастания импульсной характеристики только услож-

няет дело. Они в большей степени склонны к самовозбуждению, так как имеют гораздо большее значение произведения коэффициента усиления на ширину полосы пропускания. Это способствует возникновению тех явлений, из-за которых мы отказались от инвертирующего входа в дифференцирующих схемах.

Заметим, что коэффициент усиления прибора невелик и регулируется всего лишь в диапазоне от О до 5. Причина этого состоит в том, что входные сигналы, как правило, имеют высокий уровень, так как они вырабатываются другими приборами. Фактически большинство приборов имеет диапазон выходных сигналов от О до 1 В или О до 10 В. Поскольку дифференцирующая схема обычно ставится на выходе такого прибора, то большого усиления от нее не требуется. В действительности слишком большое усиление может привести к неприятностям при работе с входными колебаниями, имеющими крутые фронты.

Постоянная времени ./?С-цепи, задаваемая переключателем Si, имеет следующие значения:

Положение T~RG

переключателя Si

1 50 мкс

2 100 мкс

3 500 мкс

4 1 мс

5 10 мс

6 100 мс

(в последнем положении переключателя Т максимально; по сравнению с ним значения Г для остальных положений практически равны нулю).

Имейте в виду, что эти значения только номинальные, реальные значения могут быть другими из-за разброса действительных значений емкости. Обычно емкость наугад взятых конденсаторов лежит в пределах ±10% номинала, а для некоторых из них отклонение может достигать dz20%. Далее, емкость конденсаторов Ci и Сз принята равной 47 и 470 пФ, потому что эти значения являются стандартными, и такие конденсаторы легко достать. Для того чтобы диапазоны действительно согласовывались с градуировкой, попытайтесь достать конденсаторы с номиналами 50 и 500 пФ.

Во всяком случае, если в вашем распоряжении имеется хороший прибор для измерения емкости или LC-moct Уитстона (с этой целью можно обратиться в какое-нибудь техническое учебное заведение), то вы можете реализовать гораздо более точные значения постоянной времени. Для этого надо вручную отобрать конденсаторы из группы с соответствующим номиналом. Между прочим, для большинства экспериментов не страшно, если действительная постоянная времени несколько отличается от номинальной.