Усилители на несущей чистоте.

Усилители электрических сигналов.

Усилители этого типа позволяют усиливать переменную и постоянную составляющие процесса. Они основаны на использовании параметрических датчиков. Рассмотрим их работу с преобразователями сопротивления (тензорезисторами).

Усилитель на несущей частоте работает по принципу амплитудной модуляции с усилением модулированных колебаний и последующим детектированием (рис.4.28).

Рис 4.28 Схема с усилителем на несущей частоте.

1 - мост

2 -усилитель

3 - детектор

4 - фильтр

5 - выпрямитель

6- индикатор

7 - генератор

Тензорезистор (проволочный датчик) включается в качестве плеча в мост (1), питаемый от генератора переменного тока (7), с несущей частотой Под действием приложенной нагрузки σ изменяется сопротивление R1 датчика и на выходе сбалансированного ранее моста появится переменное напряжение (ΔU) равное:

где S - тензочувствительностъ датчика;

при Е - модуль упругости испытываемого материала (место наклейки датчиков);

Uм - напряжение, подаваемое с моста на вход усилителя;

σ - напряжение.

При изменении знака фазы (-σ) напряжение ΔU меняется на противоположное значение. Если фаза меняется по какому-либо периодическому закону, то, разложив его вряд Фурье (включая постоянную составляющую), можно представить напряжение на выходе моста в виде суммы амплитудно-модулированных колебаний:

Как показали исследования для дальнейшего анализа достаточно рассмотреть совместно постоянную составляющую (Ао) и первую гармонику:

Амплитудно-модулированные колебания могут быть представлены в виде суммы двух боковых частот и несущей:

Полоса частот от ( - F), в которой происходит процесс, равна удвоенной частоте процесса. Напряжение ΔU поступает на усилитель. Так как полоса частот, усиливаемых без искажения, должна быть не шире двойной полосы процесса, то усилитель должен быть узкополосным, что способствует резкому уменьшению наводок от сети 50 Гц, так как они лежат значительно ниже полосы усиливаемых частот. Усиленное напряжение ΔU подаётся на фазовый детектор 3. Одновременно на него подается напряжение несущей частоты от генератора. Выпрямленный ток на выходе фазочувствительного детектора определяется:

,

Где Uт - амплитуда напряжения на входе детектора;

α - угол сдвига фаз между вектором напряжения несущей частоты и вектором напряжения на входе детектора;

К2 - коэффициент пропорциональности.

При подаче на детектор усиленного в К1 раз амплитудномодулированного напряжения от моста выпрямленный ток на выходе детектора будет равен:

Так как то:

Как видно, форма силы тока полностью отображает форму исходного исследуемого прогресса.

Одновременно с током, соответствующему записываемому процессу, на выходе фазового детектора, как и всякого выпрямителя, появляются гармоники несущей частоты, которые задерживаются выходным фильтром нижней частоты. Сигнал, проходя через фильтр без искажений, может быть зафиксирован регистрирующей аппаратурой.

Как правило, несущая частота определяется заданным диапазоном записываемых частот и типом применяемого фильтра. Как показала практика, для бытовых машин и приборов полоса записываемых частот составляет 0 ... 1000 Гц, а несущая - от 5 до 10 кГц. Так как питание системы осуществляется от сети, напряжение которой не постоянно, то усилители на несущей частоте необходимо стабилизировать (коэффициент усиления, амплитуды и частоты напряжения генератора).

Усилители постоянного тока.

Как правило, сопротивление работающих тензорезисторов весьма малы и требуется усилить сигнал от них. Спектральный состав сигнала разнообразен и определяется характером регистрируемого процесса, в котором есть и низкочастотные и высокочастотные составляющие. Для усиления таких сигналов используют усилители постоянного тока (УПТ). При использовании УПТ можно получить частотную характеристику усилителя без ее завала в области низких частот, т.к. в нем нет межкаскадных разделительных емкостей и трансформаторов.

Важнейшей характеристикой усилителя постоянного тока является дрейф нуля, за счет которого изменение выходного сигнала воспринимается как соответствующие изменения входного сигнала.

Нашли применение усилители, у которых дрейф нуля значительно ослаблен по сравнению с УПТ и не наблюдается завала частотной характеристики в области низких частот. Действие таких усилителей основано на двойном преобразовании спектра усиливаемого сигнала с помощью модулятора и демодулятора, процесс же усиления осуществляется обычным усилением переменного тока, который свободен от дрейфа нуля. Такие усилители получили название УПТ-МДМ структурная схема, которого приведена на рис.4.29.

Ф - фильтр,

Г - генератор,

У - усилитель,

М - модулятор,

ДМ - демодулятор,

РУ - регистрирующее устройство.

Рис. 4.29. Структурная схема усилителя с измерительной схемой

В некоторых схемах перед усилителем(У) ставится модулятор(М).

Рассмотрим основные элементы измерительной схемы с усилителем типа УПТ-МДМ.

Одним из важных элементов является балансировочное устройство. Балансировочное устройство служит для приведения моста, в который включены датчики, в состояние баланса по активной и реактивной составляющим (рис.4.30). Реактивный разбаланс моста уравновешивается введением регулируемых емкостей (С1 и С2). Баланс моста по активной составляющей производится шунтированием соседних плеч моста переменным сопротивлением (R), движок которого заземлен через емкость С3.

Рис. 4.29 Принципиальная схема балансировки моста

Генератор (Г) служит для питания моста, усилителя, фазового детектора (демодулятора) и модулятора (при питании постоянным током) напряжением несущей частоты и состоит из задающего генератора и усилителя мощности.

Задающий генератор (с частотой 5-10 кГц) должен обеспечить стабильность частоты и амплитуды при изменении напряжения в сети и четкую форму кривой генерируемого напряжения. Коэффициент усиления мощности достигает: К=80÷100.

Усилитель напряжения (У). Так как напряжение, поступающее с моста достаточно мало, то оно усиливается каскадами. Этот коэффициент усиления К = 105 ÷ 3·105.

Он должен иметь линейную амплитудную характеристику, равномерную частотную характеристику в заданных пределах и стабильность коэффициента усиления при изменении напряжения в сети.

Модулятор (М). Он используется в случае питания моста постоянным током. Принцип его действия основан на том, что выходной сигнал измерительной схемы прерывается с определенной частотой ω от демодулятора, т.е. спектр выходного сигнала определяется принципом действия и схемой модулятора.

Если входной сигнал, сигнал модулятора изменяется по закону: , то спектр выходного сигнала может быть выражен:

Для однопериодной схемы преобразования:

Для двухпериодной схемы преобразования:

В однопериодной схеме преобразования присутствует составляющая с частотой измеряемого сигнала Ω. Так как в дальнейшем используется усилитель переменного тока, то эта составляющая будет им подавлена. По этой причине однопериодные схемы преобразования не применяются, а используются двухпериодные модуляторы (демодуляторы).

Фильтр (Ф) предназначен для отсекания частот. Он должен иметь сильное затухание на несущей частоте со и выше и возможно более широкую полосу пропускания прозрачности в области низких частот (0 - Ω). Например, при несущей частоте ω = 5000 Гц и частоте процесса Ω = 1000 Гц фильтр должен задерживать частоту (не пропускать), начиная с ω = 4000 Гц.

Известны и применяются различные схемы фильтров, которые можно разделить на ненастроенные и настроенные (включающие в себя один или несколько колебательных контуров). Ненастроенные фильтры, обладают более пологой характеристикой и полоса пропускания у них при заданной несущей частоте значительно меньше (примерно 1:10), чему настроенных фильтров (примерно 1:5 и более).

Несущая частота определяется заданной полосой записываемых частот и типом применяемого фильтра. Обычно полоса записываемых частот составляет 0-1000 Гц, несущая частота 5-10 кГц и напряжения 220 В.

Демодулятор (детектор) (Д). Основное назначение демодулятора состоит в том, чтобы выделить из спектра модулированных колебаний составляющую с частотой полезного сигнала (низкие частоты). Процесс детектирования, как всякое выпрямление, осуществляется с помощью элементов с нелинейной вольтамперной характеристикой. Кроме того, фазовый детектор уменьшает ошибку измерения, полученную за счет неполного баланса моста по реактивной составляющей, которая уменьшается при снижении несущей частоты. Так как напряжение на выходе меняет свой знак, то он должен работать и как выпрямитель. Широкое применение из синхронных демодуляторов нашли кольцевые демодуляторы (рис.4.31). В них с помощью специального генератора восстанавливают напряжение несущей частоты ω, которое называют опорным Uоn. Это дает возможность сравнить амплитуду полезного сигнала с постоянной по величине амплитудой опорного напряжения, что равносильно процессу выявления фазы этого напряжения.

Рис. 4.31. Принципиальная схема кольцевого демодулятора.

Основой схемы является мостовая схема (кольцо) из нелинейных элементов (диодов).

В одну из диагоналей моста с помощью трансформатора Тр1 подается модулированное напряжение Uт(t), а во вторую, через трансформатор Тр2 - опорное напряжение Uоn, в виде гармонических колебании или прямоугольных импульсов. Вторичная обмотка Тр2 совместно с диодами Д1 и Д4 илиД2 и ДЗ образуют свои мостовые схемы, причем в измерительной диагонали каждого из этих мостов включено индикаторное устройство, а также верхняя и нижняя половинки обмотки трансформатора Тр1. Если вторичные обмотки Тр2 симметричны, а сопротивления диодов Д1 и Д4 или Д2 и ДЗ в прямом направлении равны между собой, то каждый из отмеченных мостов будет находиться в состоянии равновесия и при отсутствии модулированного напряжения на трансформаторе Тр1 ток в измерительной диагонали (сd) равен 0. При этом в зависимости от фазы опорного напряжения Uоn будут открыты или диоды Д1 и Д4, а диоды Д2 и ДЗ закрыты или наоборот.

Если теперь на вторичной обмотке Тр1 действует модулированное напряжение, то под его действием в цепи измерительной диагонали (сd) будет протекать ток через те диоды, которые в данный момент открыты опорным напряжением независимо от фазы включения диодов относительно амплитудо-модулированного напряжения. Если открыты диоды Д1 иД4 и ток будет протекать от верхнего конца обмотки Тр1 (точка а) - диоды Д1 иД4, концы обмотки Тр2 - индикаторное устройство Rн - средняя точка вторичной обмотки Тр1. Ток за этот полупериод опорного напряжения через диоды Д2 и ДЗ будет равен 0, т.к. они будут заперты тем же напряжением. При изменении фазы опорного напряжения изменится и фаза напряжения амплитудомодулированных колебаний. Теперь открытыми будут диоды Д2 и ДЗ, а диоды Д1 и Д4 - закрыты и ток модуляции будет протекать от нижнего конца Тр1 (точка в) - диоды Д2 и ДЗ - половинки вторичной обмотки Тр2 - средняя точка этой обмотки - индикаторное устройство Rн - средняя точка вторичной обмотки Тр1. Независимо от фазы опорного напряжения ток в индикаторной цепи (нагрузке) имеет одно и тоже направление, т.е. схема работает как обычный двухполупериодный выпрямитель.