Mjerna pojačala. Ak. god. 2009/2010

Transcription

1 Ak. god. 2009/2010 1

2 Na kraju sata student treba biti u stanju: Opisati svojstva mjernih pojačala Objasniti i opisati svojstva negativne povratne veze Objasniti i opisati svojstva operacijskih pojačala (idealna i realna) Objasniti i analizirati rad osnovnih spojeva s operacijskim pojačalima Projektirati pojačala bazirana na o.p. 2

3 Struktura mjernog lanca Senzor / pretvornik Pojačalo + AA filtar Sklop za uzorkovanje i zadržavanje uzoraka (Sample&Hold) A/D pretvornik Sklopovska i programska podrška za digitalnu obradu signala, prikaz i pohranu 3

4 Upravljanje motorom automobila Cilj: postizanje odgovarajuće snage, optimalne efikasnosti i emisije štetnih plinova Uvjeti rada i zahtjevi: Temperatura: < 0 o C do >100 o C Vlaga, korozija Brzi odziv (real-time): odziv reda veličine ms Mjerenja: Temperatura vode hlađenja Tlak Količina kisika u ispušnim plinovima Brzina vrtnje motora Postavke ventila ventila Kontrola paljenja smjese Obrada podataka Engine Control Module Izlazi signali aktuatora: kontrola smjese, vremena paljenja, ventilatora Prikaz Brzina vozila, brzina vrtnje motora, osjećaj ubrzanja 4

5 Prijenosna karakteristika senzora Mjerni opseg (span, range) Kod velikih opsega u db Maksimalna izlazna vrijednost (FSO) Točnost, Preciznost Razlučljivost: najmanja promjena ulazne veličine koja se mjeri Linearnost Mrtva zona Histereza Šum, SNR Osjetljivost: S=d ul /d iz Selektivnost, Stabilnost,. 5

6 Primjeri senzora - karakteristike 6

7 Analogna obrada signala Napajanje/pobuda senzora Izbjegnuti samozagrijavanje Prilagodba impedancije Pojačanje i uklanjanje pomaka (ac dc sprega) Detekcija signala sinkrona demodulacija Uklanjanje šuma i smetnji Filtriranje Diferencijalna pojačala Linearizacija Zaštita (ESD, ground loops, ) 7

8 Primjeri analogne obrade signala 8

9 Pojačanje vrlo slabih istosmjernih ili izmjeničnih (mjernih) signala; Veliki ulazni otpor pri mjerenju napona, mali ulazni otpor pri mjerenju struja; Stalno pojačanje u određenom frekvencijskom pojasu, vremenski i temperaturno neovisno; Izlazni signal jednoznačno ovisan o izlaznom signalu; U p Napajanje Ulazne stezaljke x ul x iz Izlazne stezaljke x iz = A x ul 9

10 prijenosna karakteristika Prijenosna karakteristika: omjer izlazne i ulazne veličine: A = x iz /x ul ; Vrste pojačala: Naponsko pojačalo: A = u iz /u ul (V/V); Strujno pojačalo: A = i iz /i ul (A/A); Strminsko pojačalo: A = i iz /u ul (A/V=S); Otporno pojačalo: A = u iz /i ul (V/A=Ω); Pojačanje iskazano u decibelima: n db = 20 log 2 / 1 10

11 Pitanje Ako promatramo ljudsko uho kao pojačalo, kakvo bi to pojačalo bilo (što je ulazni signal, a što izlazni)? 11

12 frekvencijski pojas A Frekvencijski raspon unutar kojeg pojačalo ima stalno pojačanje izmjeničnog ulaznog signala (BW - bandwidth); Omeđen donjom i gornjom graničnom frekvencijom: f g i f d (frekvencijski pojas kod kojeg se pojačanje smanji za 3 db 0,707). Ako se pojačanje smanji n puta za povećanje frekvencije od 10 puta pojačanje pada za 20n db/dekada. (kašnjenje signala na f g ) Istosmjerna pojačala: f d = 0; Selektivna pojača A 0-3 db f d f g f 12

13 Otvoreni mjerni sustav 0 1 n H 1 H 2 H n H j n = 0 n i= 1 H i + sm 2 = 0 H1 H2 = K 0 n i= j H OSJETLJIVOST NA SMETNJE OTVORENI SUSTAV S DVA STUPNJA PROMJENE U PRIJENOSNOJ FUNKCIJI ΔH i (t) = 2 H = 1 [ H ± ΔH ( t) ][ H ± ΔH ( t) ] H ± H 1 1 ΔH 2 2 i ( t) 0 ± 2 H sm SMETNJA 2 ΔH 0 1 = ( t) 0 ± ΔH 1 ( t) ΔH 2 ( t) 0 MJERNA NESIGURNOST NELINEARNOST 13

14 Negativna povratna veza Harold S. Black: Inventing the Negative Feedback Amplifier, IEEE Spectrum, Dec

15 x ul ulazni signal; x d ulaz u pojačalo; x iz izlazni signal; x pv signal povratne veze; Negativna povratna veza 1 x ul + - Σ x d x pv A x iz x = x x d ul pv x x iz A = ; β = x x d pv iz β ( ) ( β ) x = A x = A x x = A x x iz d ul pv ul iz A x ( 1+ β A) = A x x = x = A x 1+ β A iz ul iz ul f ul Pojačanje pojačala u povratnoj vezi Ako je Aβ >> 1 A f =1/β (NE ovisi o A!!!) 1 Više o negativnoj povratnoj vezi možete pronaći u: S. Engelberg: Control Theory Part I, IEEE I&Magazine, June

16 Primjer Pojačanje osnovnog pojačala iznosi A=10000, a β=0,09. Koliko iznosi promjena pojačanja pojačala u povratnoj vezi, ako se pojačanje osnovnog pojačala promijeni za 20%? Pojačanje pojačala u povratnoj vezi: A f = 1+ A = A β ,09 = = 11,11 Ako se A promijeni za 20 % A=8000: A f = 8000 = 11,096(promjena od 0,128%)

17 Potiskivanje smetnji u zatvorenim mjernim sustavima sm H 11 H PRIKAZ 5 H 2 1 = 0 5 = 2 H111 = H12 3 = H12( 2 + sm) = H12( H sm [ H H ] = H ) ( sm ) = = sm H12 3 = 5 H = H11H12 0 H12H H12 sm 4 H11H12 H = H H 1+ H H 2 sm 17

18 4 Potiskivanje smetnji u zatvorenim mjernim sustavima H11H12 H = H H 1+ H H 2 sm - u realnim sustavima blokovi H 11 i H 12 najčešće predstavljaju pojačala, a blok H 2 atenuator u povratnoj vezi; ako se u skladu s tim uvrste vrijednosti, npr: H 11 = 500, H 12 = 100 (pojačala), H 2 = 0.5 (atenuator) dobiva se: = 0 + sm sm - ovakvom primjenom povratne veze vidimo da je pojačanje signala na izlazu 1000, a smetnje samo 2 puta! 18

19 Idealno operacijska pojačala u - I B- I B+ - +U p u + + -U p Naponsko pojačalo vrlo velikog pojačanja ( ); Diferencijalni ulazni krug; Beskonačno veliki ulazni otpor ulazne struje jednake ništici; Izlazni otpor jednak ništici (idealni naponski izvor); Beskonačna širina frekvencijskog pojasa. Neosjetljiv na istofazni ulazni signal 19

20 Realno operacijska pojačala Naponsko pojačanje: 10 5 ; opada s porastom frekvencije Ulazni otpor: Ω ; Izlazni otpor: Ω, limitirana snaga na izlazu; u + + Ulazna struja (input bias current): I B = (I B+ +I B- )/2 (0,5 na 300 na); Ulazna struja pomaka (input offset current): I off =I B+ -I B- ; Ulazni napon pomaka: napon koji je potrebno dovesti na ulaz da bi u iz = 0; Izlazni napon pomaka( U off iz ): izlazni napon kod u - - u + = 0. u - I B- - +U p Z ul Z iz I ~ B+ -U p u iz 20

21 Operacijska pojačala i prividni kratki spoj I - =0 - +U p u d =0 I + =0 + A -U p A = na ulazu ne smije postojati razlika napona + i stezaljka o.p. na istom potencijalu. R ul = ulazna struja = 0 21

22 Uporaba operacijskih pojačala Zbog velikog pojačana vrlo se rijetko upotrebljavaju u otvorenoj petlji U mjerne svrhe najčešće se koristi negativna povratna veza Žrtvuje (smanjuje) se pojačanje radi povećanja kvalitete pojačala (smanjenja utjecaja starenja komponenti, smetnji, ) Ponekad se koristi i pozitivna povratna veza Komparatori Oscilatori 22

23 Osnovni sklopovi s operacijskim pojačalima Invertirajuće pojačalo idealno OP u ul Z ul =, A = i ul R 1 R 2 i = 0 i izl - Na ulazu OP virtualni kratki spoj i ul =u ul /R 1 Ulazna impedancija OP Z ul = i ul = i izl u izl = - i izl * R 2 = - (u ul / R 1 ) R 2 A= u izl /u ul = - R 2 /R 1 + i 1 R 1 u - i 2 R 2 - u izl Neinvertirajuće pojačalo idealno OP u ul + u izl Na ulazu OP virtualni kratki spoj u - =u ul i 1 = u ul /R 1 Ulazna impedancija OP Z ul = i 1 = - i 2 u izl = - i 2 * R 2 + u ul = (u ul / R 1 ) R 2 + u ul A= u izl /u ul = 1+ R 2 /R 1 23

24 Primjer Na ulaz invertirajućeg pojačala (R 1 =10 kω, R 2 =100 kω) priključili smo izvor istosmjernog napona U=100 mv, unutarnjeg otpora R i =10 kω. Koliki će biti izlazni napon? 24

25 Osnovni sklopovi s operacijskim pojačalima II Sumirajuće Integrirajuće Derivirajuće logaritmirajuće 25

26 Primjeri Na ulaz integracijskog pojačala s R=10 kω i C=0,3 μf dovodimo izmjenični pravokutni napon tjemenog iznosa 3 V, frekvencije f=2000 Hz. Koliki će biti iznos napona, od vrha do vrha, na izlazu pojačala? Na ulaz derivirajućeg pojačala s R=10 kω i C=20 nf dovodimo izmjenični napon trokutastog valnog oblika amplitude 5 V i nulte srednje vrijednosti, frekvencije 1000 Hz. Koliki će biti iznos napona, od vrha do vrha, na izlazu pojačala? 26

27 Osnovni sklopovi s operacijskim pojačalima Naponsko sljedilo Transformator impedancije Veliki ulazni otpor, mali izlazni otpor Strujno pojačalo Mjerenje malih struja Mala ulazna impedancija R p i ul - + u izl U = iz I ul R P 27

28 u ul U r - + Komparator Nelinearan analogni sklop kojim u iz H U r u iz L u ul se ustanovljuje kada ulazni napon u ul dosegne razinu referentnog napona U r ; Izlaz logički 1 ako je u ul < U r ; Izlaz logička 0 ako je u ul > U r ; Operacijska pojačala s velikom brzinom odziva ( često s pozitivnom povratnom vezom) Komparator s histerezom: Schmittov okidni sklop 28

29 Mjerenje malih struja - elektrometri Shunt izvedba Feedback izvedba R s + - R p u izl i ul - R p R 1 + u izl U iz R 1 + = P IulRS R 1 U = iz I ul R P 29

30 Pitanja za provjeru Što se postiže povratnom vezom pojačala? Koje su značajke idealnog operacijskog pojačala? Koje su razlike između idealnog i realnog operacijskog pojačala? Koji je maksimalni izlazni napon realnih operacijskih pojačala? Što je ulazni napon namještanja(pomaka)? 30

31 Literatura D. Vujević, B. Ferković: Osnove elektrotehničkih mjerenja I. i II. dio, poglavlje 8.1, Školska knjiga Zagreb, D. Ilić, I. Kunšt: Mjerenja u elektrotehnici, Prilog predavanjima, Zagreb Detaljnije o operacijskim pojačalima: S. Franco: Design with Operational Amplifiers and Analog Integreted Circuits, McGrawHill, Web,... 31