Модуль измерительного усилителя
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).
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.
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.
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.
Вид смонтированного модуля показан ниже. Перемычка SV1 на фото установлена в положение 1-2, что соответствует коэффициенту усиления модуля 30 дБ.
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).
Файлы для загрузки
Схема модуля измерительного усилителя 
в формате .SCH для Eagle 7.5.0
Плата модуля измерительного усилителя в формате .BRD для Eagle 7.5.0
Фотошаблон платы модуля 
для метода изготовления с пленочным фоторезистом