Однако в большинстве обычных зенеровских диодов потенциал пробоя характеризуется большим разбросом, поэтому эти диоды можно использовать только при невысоких или умеренных требованиях к точности. Там, где требования к точности выше, можно использовать эталонные высококачественные зенеровские диоды и диоды, отобранные вручную из большой партии. Не следует также упускать из внимания температурный дрейф, так как у большинства зенеровских диодов значение Vz в широком температурном диапазоне не сохраняется. При изменении нагрузки внутренний нагрев часто вызывает дрейф потенциала даже в тех случаях, когда температура окружающей среды поддерживается на относительно постоянном уровне.

Самый сложный метод предполагает использование стабилизированного источника питания, призванного ослабить влияние температурного дрейфа. Рис. ll.l.s иллюстрирует этот метод. В качестве источника можно использовать любой из описанных в литературе прецизионных стабилизаторов напряжения или какой-либо из трехвыводных стабилизаторов на ИС. Хорошие результаты получают со схемами типа А7 805, LM 340-5 или LM 320-5 (для отрицательных потенциалов возбуждения). Эти устройства обеспечивают потенциал, близкий к значению 5 В, которое как раз входит в пределы допустимого диапазона для большинства датчиков. Действительное значение потенциала возбуждения не будет равно точно 5 В, поэтому возникнет некоторая ошибка. Однако для обычного устройства значение потенциала лежит в пределах от 4,9 до 5,1 В; следовательно, такой ошибкой можно пренебречь. Здесь важно, чтобы потенциал сохранил номинальное значение после того, как ИС достигнет стабильного теплового состояния (как правило, через несколько минут). Тем самым предотвращаются ошибки, связанные с изменением напряжения возбуждения.

Из числа выпускаемых промышленностью стабилизаторов (в каждом типе они различаются с помощью буквенного суффикса) лучше выбирать те, у которых значение тока в несколько раз превышает значение тока, потребляемого датчиком. Ток можно определить по закону Ома: I=ElR = blR, где R - сопротивление одного плеча моста Уитстона. Лучше всего просто взять за правило выбирать устройства с номиналами 1 А или 750 мА, даже если требуемый ток не должен превышать 100 мА.

Защита от перенапряжения

Датчики в большинстве своем выходят из строя, если напряжение возбуждения в течение длительного времени превосходит установленные для него пределы. Многие датчики работают при напряжении возбуждения в диапазоне от О до 10 В постоянного тока, но для некоторых диапазон ограничен значением не

более 8 В постоянного или переменного тока (имеется в виду среднеквадратическое значение переменного тока). Если приложенные напряжения окажутся более высокими, то произойдет перегрев, который выведет датчик из строя (что происходит чаще всего) или его свойства так изменятся, что данные об измеряемых параметрах сильно исказятся.

Для защиты от перенапряжения чаще всего используют два метода. Один из них состоит в том, что на выходе источника напряжения возбуждения ставится высоковаттный зенеровский диод, а другой основан на использовании кремниевого управляемого вентиля (КУВ). Последний метод более подробно обсуждается в главе, посвященной источникам питания, а первый использован в проекте предусилителя датчика, схема которого приведена на рис. 22.9, а.

Пример. Усилитель сигналов мостового дачтика предназначен для создания выходного напряжения, пропорционального значению измеряемого датчиком параметра. Более того, выходное напряжение должно быть таким, чтобы его легко воспринимал оператор, не прибегая к специальной шкале измерения.

Давайте разработаем усилитель сигналов мостового датчика с выходом, представленным в цифровом коде, для измерения давлений жидкости до -f-lOO тор. Для простоты воспользуемся интегральной схемой трехвыводного стабилизатора напряжения, с помощью которой получим потенциал возбуждения, равный -f-5 В постоянного тока. В качестве датчика возь-мем устройство типа Statham Р 23. Его сопротивление со стороны выхода составляет 200 Ом, а масштабный коэффициент (W) равен 50 мкВ/В/см рт.ст., или 5 мкВ/В/тор. Определим, каким должен быть коэффициент усиления дифференциального усилителя постоянного тока для того, чтобы выходное напряжение лежало в пределах, удобных для считывания.

В связи с тем что диапазон изменения сигнала лежит в пределах от О до 100 тор, желательно, чтобы выходное напряжение лежало в пределах от О до 100 мВ, от О до 1 В или от О до 10 В; тогда его можно будет считывать прямо с цифрового вольтметра, подключенного к выходу. Благодаря этому цифровые значения, характеризующие давление и выходное напряжение усилителя, будут совпадать, и человек сможет считывать такие показания без большого умственного напряжения. Нам нужно изучить доступные для нас цифровые вольтметры и свойства операционных усилителей и выбрать подходящий диапазон из трех возможных. Диапазон 100 мВ слишком мал, потому что существует всего несколько цифровых вольтметров, приспособленных для такого диапазона. Тем самым сужается круг нашего выбора устройства для отображения выходного напряжения, а это может привести к увеличению расходов. Кроме того, работа в таком диапазоне требует использования высококачественного операционного усилителя, иначе показания, соот-

ветствующие небольшим значениям давления, будут искажены шумовыми потенциалами и смещениями самого операционного усилителя. Диапазон 10 В подходит больше, но здесь придется столкнуться с проблемами питания. В типичном операционном усилителе для того, чтобы получить на выходе напряжение + 10 В, неискаженное из-за нарушения линейности, необходим источник питания ± 15 В. Для этого диапазона выпускается тоже всего несколько цифровых вольтметров, а кроме того, требуется значительное усиление, осуществить которое не так-та просто.

Больше всего нам подходит диапазон 1 В (1000 мВ), так как" существует большое число цифровых вольтметров, работающих в диапазоне от О до 1999 мВ и обеспечивающих точность 2V2. З/г и 4V2 цифры. Стоят они недорого. Кроме того, использование уровня 1000 мВ на выходе позволяет делать коэффициент усиления порядка сотен, а не тысяч. Последнее обстоятельство облегчает отладку схемы, так как в этом случае ошибки схемы не оказывают такого сильного влияния на выход. Следовательно, для нашей системы измерения давления масштабный коэффициент равен

М = 1 ООО мВ/1 ООтор = 10 мВ/1 тор. (11.1)

Максимальное напряжение, снимаемое с датчика, согласна уравнению (10.32), равно

£j, = 5B.100 тор (5 мкВ/тор.В)= J (11.2)

= 5.100.5 мкВ= (11.3)

= 2500 мкВ = 2,5 мВ. (11.4)

Коэффициент усиления нашего усилителя должен быть таким, чтобы значение 2,5 мВ превращалось в значение 1000 мВ- максимальный сигнал, который должен быть на выходе усилителя. Значит, коэффициент усиления равен

Л„=1000 мВ/2,5 мВ= (11.5)

= 400. (11.6)

Тогда цифровой вольтметр, подключенный к выходу усилите-теля, будет отображать значения с масштабным коэффициентом 10 мВ/тор. Если взять недорогой вольтметр, обеспечивающий точность 2V2 цифры, то точку, отдаляющую дробную часть числа, можно бланкировать и тогда показания будут более осмысленными. Например, 100 тор будет выглядеть как 1.00 (с точкой и как 100 (без точки). В большинстве выпускаемых цифровых вольтметров предусмотрена возможность бланкирования точки, отделяющей дробную часть числа, в противном случае всегда можно отсоединить формующий ее светодиод.

Аналогично и с более распространенными вольтметрами с точностью 3V2 цифры: попытайтесь установить такое положение