более 8 В постоянного или переменного тока (имеется в виду среднеквадратическое значение переменного тока). Если приложенные напряжения окажутся более высокими, то произойдет перегрев, который выведет датчик из строя (что происходит чаще всего) или его свойства так изменятся, что данные об измеряемых параметрах сильно исказятся.

Для защиты от перенапряжения чаще всего используют два метода. Один из них состоит в том, что на выходе источника напряжения возбуждения ставится высоковаттный зенеровский диод, а другой основан на использовании кремниевого управляемого вентиля (КУВ). Последний метод более подробно обсуждается в главе, посвященной источникам питания, а первый использован в проекте предусилителя датчика, схема которого приведена на рис. 22.9, а.

Пример. Усилитель сигналов мостового дачтика предназначен для создания выходного напряжения, пропорционального значению измеряемого датчиком параметра. Более того, выходное напряжение должно быть таким, чтобы его легко воспринимал оператор, не прибегая к специальной шкале измерения.

Давайте разработаем усилитель сигналов мостового датчика с выходом, представленным в цифровом коде, для измерения давлений жидкости до +100 тор. Для простоты воспользуемся интегральной схемой трехвыводного стабилизатора напряжения, с помощью которой получим потенциал возбуждения, равный +5 В постоянного тока. В качестве датчика возь-мем устройство типа Statham Р 23. Его сопротивление со стороны выхода составляет 200 Ом, а масштабный коэффициент (W) равен 50 мкВ/В/см рт.ст., или 5 мкВ/В/тор. Определим, каким должен быть коэффициент усиления дифференциального усилителя постоянного тока для того, чтобы выходное напряжение лежало в пределах, удобных для считывания.

В связи с тем что диапазон изменения сигнала лежит в пределах от О до 100 тор, желательно, чтобы выходное напряжение лежало в пределах от О до 100 мВ, от О до 1 В или от О до 10 В; тогда его можно будет считывать прямо с цифрового вольтметра, подключенного к выходу. Благодаря этому цифровые значения, характеризующие давление и выходное напряжение усилителя, будут совпадать, и человек сможет считывать такие показания без большого умственного напряжения. Нам нужно изучить доступные для нас цифровые вольтметры и свойства операционных усилителей и выбрать подходящий диапазон из трех возможных. Диапазон 100 мВ слишком мал, потому что существует всего несколько цифровых вольтметров, приспособленных для такого диапазона. Тем самым сужается круг нашего выбора устройства для отображения выходного напряжения, а это может привести к увеличению расходов. Кроме того, работа в таком диапазоне требует использования высококачественного операционного усилителя, иначе показания, соот-

ветствующие небольшим значениям давления, будут искажены шумовыми потенциалами и смещениями самого операционного усилителя. Диапазон 10 В подходит больше, но здесь придется столкнуться с проблемами питания. В типичном операционном усилителе для того, чтобы получить на выходе напряжение + 10 В, неискаженное из-за нарушения линейности, необходим источник питания ± 15 В. Для этого диапазона выпускается тоже всего несколько цифровых вольтметров, а кроме того, требуется значительное усиление, осуществить которое не так-та просто.

Больше всего нам подходит диапазон 1 В (1000 мВ), так как" существует большое число цифровых вольтметров, работающих в диапазоне от О до 1999 мВ и обеспечивающих точность 2V2. З/г и 4V2 цифры. Стоят они недорого. Кроме того, использование уровня 1000 мВ на выходе позволяет делать коэффициент усиления порядка сотен, а не тысяч. Последнее обстоятельство облегчает отладку схемы, так как в этом случае ошибки схемы не оказывают такого сильного влияния на выход. Следовательно, для нашей системы измерения давления масштабный коэффициент равен

М = 1 ООО мВ/1 ООтор = 10 мВ/1 тор. (11.1)

Максимальное напряжение, снимаемое с датчика, согласна уравнению (10.32), равно

£j, = 5B.100 тор (5 мкВ/тор.В)= J (11.2)

= 5.100.5 мкВ= (11.3)

= 2500 мкВ = 2,5 мВ. (11.4)

Коэффициент усиления нашего усилителя должен быть таким, чтобы значение 2,5 мВ превращалось в значение 1000 мВ- максимальный сигнал, который должен быть на выходе усилителя. Значит, коэффициент усиления равен

Л„=1000 мВ/2,5 мВ= (11.5)

= 400. (11.6)

Тогда цифровой вольтметр, подключенный к выходу усилите-теля, будет отображать значения с масштабным коэффициентом 10 мВ/тор. Если взять недорогой вольтметр, обеспечивающий точность 2V2 цифры, то точку, отдаляющую дробную часть числа, можно бланкировать и тогда показания будут более осмысленными. Например, 100 тор будет выглядеть как 1.00 (с точкой и как 100 (без точки). В большинстве выпускаемых цифровых вольтметров предусмотрена возможность бланкирования точки, отделяющей дробную часть числа, в противном случае всегда можно отсоединить формующий ее светодиод.

Аналогично и с более распространенными вольтметрами с точностью 3V2 цифры: попытайтесь установить такое положение

точки, отделяющей дробную часть числа, чтобы она располагалась слева от младшей значащей цифры. Тогда 1.000 будет представляться в виде 100.0. В некоторых вольтметрах предусмотрена возможность установки положения точки; поэтому, если будете покупать вольтметр, не забудьте об этом. Положение точки, отделяющей дробную часть числа, устанавливается путем заземления соответствующего вывода на разъеме.

Трудно переоценить важность правильного выбора масштабного коэффициента. Если выбрать диапазон напряжения таким образом, чтобы его цифровое представление совпадало с цифровым представлением диапазона измеряемого параметра, то можно использовать обычный вольтметр и исключается необходимость какой-либо интерпретации его показаний и необходимость специальной шкалы вольтметра. При этом появляется возможность непосредственного применения цифровых вольтметров. Для создания специальной шкалы на цифровом вольтметре необходимо прибегать к помощи аналоговой или цифровой схемы, предназначенной для преобразования результата. Если этого не сделать, будут появляться странные показания, и пользователю придется делать перевод «в уме». Я хочу рассказать вам о системе разбрызгивания с сервоприводом, которой пользовался один крупный биофизик. Для нее конструктор выбрал масштабный коэффициент 2 В =40 тор (50 мВ/тор). Причиной такого выбора послужило то, что сигнал такой амплитуды нужен был для сервоусилителя, включенного после усилителя давления. Но тот же самый сигнал поступал на цифровой вольтметр для отображения, поэтому пользователю приходилось кое-что подсчитывать «в уме». Если бы в эту схему поставили простой операционный усилитель с коэффициентом усиления 2, то проблема была бы устранена, так как масштабный коэффициент стал бы равен 4 В = 40 тор (100 мВ/тор). При этом цифры (т. е. 4 и 0), представляющие максимальное давление, представляли бы также максимальное напряжение. Помните, что ваша репутация как конструктора пострадает, если вы не будете заботиться о том, чтобы вашими приборами было легко и удобно пользоваться.

Логометрические измерения

В тех случаях, когда требуется обеспечить высокую точность измерений, недопустимы никакие изменения потенциала возбуждения, так как они порождают изменения сигнала на выходе, не связанные с изменениями измеряемого параметра. Давайте еще раз рассмотрим гипотетический усилитель измерения давления из предыдущего примера. Подсчитаем ошибку, обусловленную изменением потенциала возбуждения. При давлении 100 тор на выходе датчика получим.

5В. 100 тор (5 мкВ/тор.В) = 2500 мкВ = 0,0025В. (11.7)