Модуль измерительного усилителя

Публикация 09.03.2024

Начальник

Этот несложный но весьма полезный во многих ситуациях модуль называется измерительным усилителем поскольку он не просто усиливает входной сигнал по напряжению, а имеет строго калиброванный коэффициент усиления. Иными словами, зная этот коэффициент и измерив величину выходного напряжения модуля, мы всегда сможем точно сказать, какое напряжение подано в данный момент на его вход. Кроме того, чтобы называться измерительным, этот усилитель должен как можно точнее воспроизводить на выходе форму входного сигнала, а для этого вносить в сигнал как можно меньше собственных шумов и нелинейных искажений, а также иметь достаточно широкую полосу пропускания. Такой модуль проще всего реализовать на основе микросхем операционных усилителей, что мы и видим на принципиальной схеме, показанной ниже.

Принципиальная схема модуля

Модуль состоит из двух последовательно включенных неинвертирующих усилителей, а его общий коэффициент усиления по напряжению равен произведению коэффициентов усиления каждого из них. Первый усилитель на микросхеме IC1A имеет коэффициент усиления по напряжению около 10 раз (20 дБ), подстраиваемый в некоторых пределах резистором R3. Для расширения возможности применения модуля в различных измерительных приборах коэффициент усиления второго усилителя на микросхеме IC1B сделан переключаемым. В зависимости от положения перемычки SV1 он может быть равен 1 (0 дБ, при вынутой перемычке), 3.16 (10 дб, при перемычке в положении 1-2) и 10 (20 дБ, при перемычке в положении 2-3). Таким образом, общий коэффициент усиления модуля по напряжению в рабочем диапазоне частот может быть равен 10, 31.6 или 100 раз (см. таблицу на рис.1).

Почему операционных усилителей два? Чтобы усилить сигнал в 100 раз, одного бы хватило.

Автору неоднократно приходилось слышать этот вопрос. Одного действительно хватило бы, если бы мы не старались изо всех сил расширить полосу пропускания модуля и снизить вносимые им нелинейные искажения. А, как известно, чем больше усиление (и, соответственно, чем меньше глубина отрицательной обратной связи, охватывающей операционный усилитель), тем хуже обстоят дела и с полосой пропускания, и с искажениями.

В некоторых моделях приборов зарубежного производства можно увидеть измерительные усилители примерно с таким же усилением (40 дБ), состоящие из 4-х последовательно включенных ОУ, каждый из которых усиливает сигнал на 10 дБ, то есть всего лишь в три с небольшим раза. Таким образом разработчики этих приборов добиваются максимально широкой полосы пропускания и минимальных искажений сигнала.

Мы не будем заходить так далеко и ограничимся двумя ОУ, что для наших целей будет вполне достаточно, тем более, что сдвоенные ОУ массовых серий имеют такой же корпус DIP-8 и продаются примерно за такие же деньги, что и одинарные, поэтому мы практически ничего не сэкономим, если сделаем этот модуль на одинарном ОУ.

Конденсаторы C2 и C3 в цепях обратной связи усилителей формируют спад АЧХ на самых низких (доли Гц и ниже) частотах таким образом, что оба усилителя и весь модуль в целом имеют единичное усиление на постоянном токе, тем самым снижая влияние напряжения смещения нуля ОУ на выходное напряжение.

Компоненты для сборки

В качестве операционного усилителя можно использовать практически любой сдвоенный ОУ в корпусе DIP-8 со входом на полевых транзисторах (JFET). Подойдут LF412, LF353, TL072, TL082 и другие. При наличии выбора следует отдать предпочтение ОУ с минимальным уровнем собственных шумов и более высокой частотой единичного усиления.

Как выбрать подходящий ОУ из имеющихся в наличии?

Если микросхемы приобретались в популярных китайских интернет-магазинах (а они практически всегда именно там и приобретаются), то доверять маркировке, нанесенной на корпус микросхемы не следует - значительная часть того, что там продается, это самым бессовестным образом перемаркированные более дешевые микросхемы. Тем не менее, использовать их в своих конструкциях вполне можно, если до установки на плату подвергнуть тщательному отбору из достаточного количества экземпляров, желательно купленных в разное время и у разных продавцов.

Например, для модуля измерительного усилителя критичным является уровень собственных шумов операционных усилителей. Это связано с тем, что по сравнению с другими модулями он имеет довольно высокий коэффициент усиления (до 40 дБ) и даже небольшой шум, вносимый микросхемой IC1A, может приводить к заметной погрешности результатов измерений того прибора, где этот модуль будет использоваться. Поэтому очень рекомендуется микросхемы, которые предполагается использовать в модуле, предварительно отобрать по уровню шумов.

Для этого удобно запаять в печатную плату модуля панельку под микросхему в корпусе DIP-8 и, последовательно переставляя в нее все имеющиеся экземпляры, выбрать тот из них, который покажет наименьший уровень шумов на выходе модуля.

Конденсаторы C1-C5 - многослойные керамические (MLCC), C6 и C7 - любые электролитические. Резисторы специально отбирать не требуется, отклонение от номинала до 5% допускается, а точное значение коэффициента усиления модуля всегда можно установить подстроечным резистором R3.

Обратите внимание! В первых версиях всех модулей, описанных на этом сайте, для межплатных соединений использовались разъемы Dupont, однако впоследствии все соединители данного типа были заменены более надежными из серии KF2510. Подробнее о причинах и последствиях этой замены прочитайте дополнение от 18.01.2024 в предисловии к серии описаний модулей на этом сайте.

Конструкция модуля

Печатная плата для модуля измерительного усилителя проектировалась в старом добром Eagle 7.5.0 от Autodesk, как, впрочем, и платы всех остальных модулей, описанных на этом сайте. Это не самая современная на сегодняшний день программа для разводки печатных плат и ее пользовательский интерфейс многих сильно раздражает своей кажущейся нелогичностью, однако, функции свои она выполняет вполне исправно и автор пока не видит серьезных причин от нее отказываться. Результат работы Eagle показан на рисунках ниже, а соответствующие файлы в форматах .sch и .brd можно скачать по ссылкам в конце этой страницы.

Рис.2. Плата модуля измерительного усилителя. Вид со стороны элементов.

Рис.3. Плата модуля измерительного усилителя. Вид печатных проводников в зеркальном отображении ("сквозь плату").

Сформированный Eagle рисунок печатных проводников затем дорабатывался в графическом редакторе, в результате чего получился фотошаблон, показанный ниже. Этот фотошаблон предназначен для изготовления плат методом пленочного фоторезиста. Если вы предпочитаете лазерно-утюжный метод, то перед использованием рисунок надо будет перевести из негатива в позитив.

Рис.4. Плата модуля измерительного усилителя. Фотошаблон для метода с пленочным фоторезистом.

Вид смонтированного модуля показан ниже. Перемычка SV1 на фото установлена в положение 1-2, что соответствует коэффициенту усиления модуля 30 дБ.

Рис.5. Плата модуля измерительного усилителя в сборе.

Настраиваем модуль

Настройка модуля заключается в установке точного значения коэффициента усиления резистором R3. Для этого на модуль подается питающее напряжение ±12 В от лабораторного источника или от модуля питания, если он у вас уже собран, на вход усилителя подается сигнал синусоидальной формы частотой 400-1000 Гц напряжением от 10 до 100 мВ (в зависимости от положения перемычки SV1). Контролируя выходное напряжение модуля при помощи милливольтметра, резистором R3 устанавливают требуемое значение коэффициента усиления в соответствии с таблицей на принципиальной схеме (рис. 1).