преобразователь активного сопротивления в постоянное напряжение

Формула изобретения

Преобразователь активного сопротивления в постоянное напряжение, содержащий источник опорного напряжения, операционный усилитель, измеряемый резистор, образцовый резистор, подключенный к источнику опорного напряжения и к инвертирующему входу операционного усилителя, причем неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с общим проводом схемы, отличающийся тем, что в него дополнительно введены конденсатор и фильтр низких частот, причем один вывод конденсатора соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, а второй вывод - с выходом операционного усилителя, при этом вход фильтра низких частот подключен к выходу операционного усилителя, один вывод измеряемого резистора соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, а второй вывод - с выходом фильтра низких частот.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для создания приборов, основанных на измерении активного сопротивления.

Известны устройства для преобразования активного сопротивления в постоянное напряжение, основанные на пропускании через измеряемое сопротивление постоянного тока и содержащие источник опорного напряжения или тока, образцовый и измеряемый резистор и усилитель постоянного тока. [А.с. СССР 300839, кл. G 01 R 27/00, 08.12.69 г.].

Известно устройство для преобразования активного сопротивления в постоянное напряжение, выбранное в качестве прототипа, содержащее источник опорного напряжения, операционный усилитель, в цепь обратной связи которого включен измеряемый резистор, образцовый резистор, подключенный к источнику опорного напряжения и к инвертирующему входу операционного усилителя, причем неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с общим проводом схемы. [Измерения в электронике. Справочник. / Под ред. В.А.Кузнецова. - М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 196].

Недостатком указанного преобразователя сопротивления является отсутствие защиты от помех при работе с большими сопротивлениями, вследствие чего снижается точность преобразования сопротивления в напряжение.

Задачей изобретения является создание преобразователя, имеющего защиту от помех переменного тока при работе с большими сопротивлениями.

Это достигается тем, что в преобразователь активного сопротивления в постоянное напряжение, содержащий источник опорного напряжения, операционный усилитель, измеряемый резистор, образцовый резистор, подключенный к источнику опорного напряжения и к инвертирующему входу операционного усилителя, причем неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с общим проводом схемы, дополнительно введены конденсатор и фильтр низких частот. Причем один вывод конденсатора соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, а второй вывод - с выходом операционного усилителя, при этом вход фильтра низких частот подключен к выходу операционного усилителя, один вывод измеряемого резистора соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, а второй вывод соединен с выходом фильтра низких частот.

Положительный эффект достигается за счет введения конденсатора и фильтра низких частот, которые снижают уровень помех переменного тока на выходе преобразователя активного сопротивления в постоянное напряжение.

На чертеже представлена функциональная схема с преобразователя активного сопротивления в постоянное напряжение.

Преобразователь активного сопротивления в постоянное напряжение содержит последовательно соединенные источник опорного напряжения 1(U₀), образцовый резистор 2(R₀), измеряемый резистор 3(R_x), а также операционный усилитель 4, фильтр низких частот (ФНЧ) 5 и конденсатор 6(С₀). Причем инвертирующий вход операционного усилителя 4 подключен к точке соединения измеряемого резистора 3(R_x) и образцового резистора 2(R₀), а выход подключен ко входу фильтра низких частот 5, выход фильтра низких частот 5 соединен со вторым выводом измеряемого резистора 3(R_x), конденсатор 6(С₀) одним выводом подключен к выходу операционного усилителя, а другим - к инвертирующему входу.

В качестве источника опорного напряжения 1 может служить стабилизатор напряжения на основе стабилитрона и балластного резистора. Операционный усилитель 4 может быть выполнен в виде интегральной микросхемы операционного усилителя, например КР544УД1А. Фильтр низких частот 5 можно реализовать в виде двух последовательно соединенных инерционных звеньев первого порядка [Гутников B. C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Изд. 2-е -Л.: Энергоатомиздат, 1988, с. 93].

Устройство работает следующим образом.

Источник опорного напряжения 1(U₀) и образцовый резистор 2(R₀) образуют искусственный генератор тока. Нагрузкой генератора тока служит измеряемый резистор 3(R_x), падение напряжения на котором в установившемся режиме равно



где U_x - выходное напряжение преобразователя сопротивления в напряжение;

R_x - сопротивление измеряемого резистора 3;

R₀ - сопротивление образцового резистора 2;

U₀ - напряжение источника опорного напряжения 1.

Воздействие внешней помехи при работе с большими сопротивлениями можно представить в виде генератора переменного тока помехи J, подключенного к инвертирующему входу операционного усилителя 4 и общему проводу схемы.

Передаточная функция преобразователя сопротивления в напряжение для тока помехи Н_j(р) при реализации ФНЧ 5 в виде двух последовательно соединенных инерционных звеньев с коэффициентами усиления K₁, К₂ и постоянными времени T₁, Т₂ и в предположении идеальности операционного усилителя 4 будет выглядеть следующим образом:



где H_j(p) - коэффициент передачи преобразователя активного сопротивления в постоянное напряжение для тока помехи J;

K₁ - коэффициент передачи по постоянному току первого звена фильтра низких частот 5;

К₂ - коэффициент передачи по постоянному току второго звена фильтра низких частот 5;

T₁ - постоянная времени первого звена фильтра низких частот 5;

Т₂ - постоянная времени второго звена фильтра низких частот 5;

С₀ - емкость конденсатора 6;

р - оператор Лапласа.

Заменяя оператор Лапласа р на j, получаем амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) преобразователя |H_J(j)| для тока помехи J.

При создании преобразователя сопротивления необходимо задать диапазон преобразуемых сопротивлений R_x, опорное напряжение U₀, образцовое сопротивление R₀. Далее выбираются величины коэффициентов передачи по постоянному току К₁, К₂ инерционных звеньев ФНЧ 5, причем коэффициент передачи второго звена выбирается таким, чтобы обеспечить заданное выходное напряжение преобразователя. Например, требуется получить на выходе преобразователя напряжение до 100 В, тогда коэффициент передачи К₂ должен быть не менее 10 при максимальном напряжении 10 В на выходе первого звена ФНЧ 5. Экспериментально было установлено, что коэффициент передачи K₁ лучше выбирать примерно равным 1. Емкость конденсатора С₀ выбирается такой, чтобы обеспечить заданное значение коэффициента передачи преобразователя для тока помехи. Постоянные времени T₁, Т₂ задают степень ослабления помех переменного тока в ФНЧ 5, но завышать их свыше 1 с не требуется, поскольку может излишне возрасти время переходного процесса.

Экспериментально был реализован преобразователь сопротивления, имеющий следующие параметры: R₀=100 ГOм, R_x=100 ГОм, U₀=100 В, k₁=1, К₂=700, Т₁=0.13 с, T₂= 1.5910^-4 c, С₀=470 пФ, частота среза АЧХ |H_J(j)| преобразователя для тока помехи равна 2.4 Гц.

При частоте помехи 50 Гц АЧХ преобразователя для тока помехи J спадает на 58 дБ по сравнению со значением АЧХ на нулевой частоте.

Таким образом, в преобразователе активного сопротивления в постоянное напряжение при введении дополнительно конденсатора и фильтра низких частот обеспечивается защита от помех переменного тока.