Применение ОУ в технике автоматического регулирования

Функциональные преобразователи

Антилогарифмический усилитель

Если в схеме заменить сумматор на вычитающее устройство получим делитель входных сигналов.

Преобразователь напряжения в частоту
Важным параметром такого преобразователя является линейная зависимость частоты выходного сигнала от величины входного напряжения

Процессы происходящие в схеме поясняются осциллограммой.

Пиковый детектор
Предназначен для регистрации максимального, за некоторый отрезок времени входного сигнала.
Пиковые детекторы могут работать в двух режимах:
Режиме слежения
Режиме хранения.
В режиме слежения выходное напряжение детектора следует за входным напряжением до тех пор, пока оно не начнет снижаться. В этот момент детектор переходит в режим хранения.
Практически идеальный пиковый детектор удается реализовать с помощью ОУ.

Схема пикового детектора состоит из диода на ОУ и повторителя напряжения.
По мере роста входного напряжения пиковый детектор находится в режиме слежения, но как только входное напряжение начнет снижаться, диод VD2 закроется, конденсатор С сохранит максимальное значение напряжения.

Измерительные усилители
Измерительный, или инструментальный, усилитель — это устройство с дифференциальным входом. Усилитель строится так, что он усиливает только разность напряжений, поданных на его входы ( ) и не реагирует на синфазное входное напряжение . Для большинства микросхем измерительных усилителей коэффициент усиления (передачи) по напряжению находится между 1 и 1000.

Идеальный измерительный усилитель обладает следующими характеристиками:
- постоянный коэффициент усиления, не зависящий от времени, частоты и амплитуды входного сигнала, сопротивления нагрузки, температуры и влажности;
- бесконечный коэффициент подавления синфазного напряжения и изменений напряжения питания;
- нулевые входное и выходное напряжения смещения и дрейфы этих смещений;
- нулевой выходной импеданс при любых амплитудах сигнала, от-даваемого усилителем в нагрузку.
Обычно инструментальный усилитель служит первым каскадом измерительной или преобразовательной схемы, где основным требованием является точность

Измерительный усилитель на одном операционном усилителе
Недостатки этой схемы:
Этот усилитель должен иметь не большой коэффициент усиления, при котором он хорошо ослабляет синфазную помеху.
Схема обладает малым входным сопротивлением R1+R3=20 КОм

Резисторы R3 и R4 действуют как делитель напряжения для неинвертирующего входа операционного усилителя (ОУ).
Благодаря обратной связи через резисторы R1 и R2 и очень большому внутреннему коэффициенту усиления ОУ напряжение на инвертирующем входе усилителя поддерживается равным напряжению на неинвертирующем входе.
Отношение R2/R1 определяет коэффициент передачи усилителя. Когда
R1/R2= R3/R4
усиление дифференциального сигнала намного больше усиления синфазного сигнала, и коэффициент ослабления синфазного напряжения (КОСС) будет максимальным.
Для указанных значений резисторов дифференциальный коэффициент усиление равен 3, а КОСС равен 1000, т.е. 60 дБ.

Представленная схема имеет низкое входное сопротивление (в данном случае около 20 кОм) и предназначена для подключения низкоомных источников сигналов. Подача сигнала от высокоомного источника приведет к потерям из-за шунтирования входного сигнала и ухудшению подавления синфазного напряжения.
Увеличение значений входных резисторов повышает входное сопротивление, но при этом увеличивается дрейф смещения из-за нестабильности входных токов смещения, сужается ширина полосы пропускания из-за влияния паразитных емкостей, и повышается уровень шумов.
Сопротивления резисторов R1 и R2 приходится выбирать, идя на компромисс между входным сопротивлением, влиянием входных и шумовых токов и шириной полосы пропускания.

Схема моделирования измерительного усилителя на 1 ОУ

Измерительные усилители на двух операционных усилителях
Оба ОУ включены как неинвертирующие усилители, причем первый из них изменяет уровень опорного напряжения второго усилителя А2.

Выходной сигнал усилителя А1 подается на инвертирующий вход А2, поэтому усилитель А2 усиливает дифференциальный входной сигнал (Uвх2-Uвх1) Такая схема обеспечивает намного больший входной импеданс, чем схема с одним ОУ.
Дифференциальный коэффициент усиления:
Ku=1+R1/R2
Коэффициент усиления синфазного сигнала:
Следовательно, при R1/R2=R3 /R4 Kсф=0
Отметим, что эта схема имеет низкое входное сопротивление (примерно равное сопротивлению R1); коэффициент передачи из-меняется пропорционально сопротивлению резистора R3.

Схема моделирования измерительного усилителя на 2 ОУ

Измерительные усилители на трех операционных усилителях

Первый каскад, состоящий из усилителей А1 и А2, усиливает дифференциальный сигнал в (R1+R2+R3)/R1 раз, и коэффициент передачи для синфазного напряжения равен 1.
Следовательно, дифференциальный сигнал увеличивается на выходах А1 и А2 без увеличения синфазного сигнала.
Второй каскад, выполненный на ОУ А3, в дифференциальном включении усиливает дифференциальный сигнал в R5/R4 раз.
Такая схема имеет более высокий входной импеданс и обеспечивает большее усиление и лучший КОСС по сравнению со схемами на одном ОУ. Кроме того, величина КОСС менее чувствительна к точности подбора резисторов.
Дифференциальный коэффициент усиления:
Коэффициент усиления синфазного сигнала (из-за разбаланса резисторов):
Для получения максимального КОСС: R4*R7=R5*R6
Обычно: R2 = R3
R4 = R6
R5 = R7

Схема моделирования измерительного усилителя на 3 ОУ

Первый каскад желательно сделать с большим коэффициентом усиления. А второй каскад в большой степени ослабит синфазный сигнал.
Требования к точности согласования резисторов остаются прежними. При реализации этой схемы необходимо выбирать с полевыми входами ОУ у которых токи смещения и сдвига малы.
Такая схема имеет более высокий входной импеданс и обеспечивает большее усиление и лучший КОСС по сравнению со схемами на одном ОУ. Кроме того, величина КОСС менее чувствительна к точности подбора резисторов.

Использование измерительных усилителей совместно с датчиками
Применение промышленного измерительного усилителя АИ624С совместно с мостовым тензодатчиком.

ОУ в технике автоматического регулирования
Любую линейную систему автоматического регулирования можно
представить в виде
Состоящей из неизменяемой части системы и регулятора. На основе операционного усилителя можно реализовать все типовые линейные законы регулирования, к которым относятся:
Пропорциональный (П)
Интегральный (И)
Дифференциальный (Д)
Пропорционально-интегральный (ПИ)
Пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД)

W(p)=K
K=-Rос/R1
W(p)=Тд*р
Tд=RC

Схема ПИ-регулятора

Схема ПИД-регулятора
Для настройки параметров регулятора R9, R2, R4 необходимо выбирать переменными

Наблюдатель состояния на ОУ
Поскольку дифференциальные уравнения при синтезе системы обычно являются известными, можно реализовать электронное устройство, которое решает данное уравнение и позволяет в каждый текущий момент времени оценить все его производные.

Система с наблюдателем состояния
- восстановленное значение регулируемой координаты
и y(t) поступают на элемент сравнения, сигнал ошибки усиливается и подается на вход наблюдателя, чтобы изменит его параметры – «подтянуть» к изменяющимся параметрам реального объекта

Процедура синтеза наблюдателя
Задан линейный объект, динамика которого описывается дифференциальным равнением третьего порядка
(t)+2y(t)=8u(t)
Необходимо синтезировать наблюдатель состояния
1. Переписать исходное уравнение относительно старшей производной
(t) -y(t)
2. Составить функциональную схему наблюдателя состояния

3. На основе функциональной схемы составить принципиально-электрическую схему наблюдателя состояния.
Принципиально-электрическая схема наблюдателя представляет набор контуров с обратными связями. Необходимо, чтобы в каждом контуре число операционных усилителей было нечетным.
В противном случае контур будет охвачен положительной обратной связью – схема будет неустойчива.