БУФЕРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
BUFFER AMPLIFIER

Изобретение относится к технике передачи измерительных сигналов, характеризующихся величиной электрического напряжения, в частности к буферным устройствам передачи напряжения по длинным проводным линиям при построении измерительных преобразователей, например сигналов удаленных резистивных датчиков в тензометрии прочностных испытаний авиационно-космических конструкций.
Современный летательный аппарат имеет чрезвычайно сложную конструкцию, которая при минимальном весе должна обладать необходимой прочностью. Приходится проводить специфические экспериментальные исследования в широком диапазоне воздействий в большом числе точек крупных натурных конструкций. Наиболее распространенным и универсальным видом измерений при исследованиях конструкций летательных аппаратов и большого ряда других объектов науки и техники является электротензометрия [1. Статические испытания на прочность сверхзвуковых самолетов. Баранов А.Н., Белозеров Л.Г., Ильин Ю.С., Кутьинов В.Ф. - М.: Машиностроение, 1974, с.3-12. 2. Автоматизация измерений и обработка данных при испытаниях самолета на прочность. И.Ф.Образцов, А.С.Голубков, А.Н.Серьезнов и др. - М.: Машиностроение, 1991, с.75, табл.4.3. 3. Измерительная информационная система «Прочность-2000» для испытаний на прочность современной авиакосмической техники. Е.Г.Зубов, Ю.С.Ильин, В.В.Шевчук. Авиакосмическая техника и технология, 2003, №3, с.30-36]. Важнейшим узлом измерительного оборудования здесь является преобразователь сигналов тензорезисторных датчиков (как мостовых, так и одиночных) в электрическое напряжение, характеристиками которого в значительной мере определяются конечные результаты испытаний. При построении таких преобразователей широко применяют буферные электронные устройства на базе операционных усилителей напряжения. В силу ряда положительных свойств при измерении сигналов резистивных датчиков успешно используют импульсное их питание [Передельский Г.И. Мостовые цепи с импульсным питанием. - М.: Энергоатомиздат, 1988]. Массовое использование тензорезисторов обусловлено целым комплексом известных их достоинств. Однако при большом количестве (10000-20000) датчиков и большой длине (200 метров и более) соединительных линий [Глаговский Б.А., Пивен И.Д. Электротензометры сопротивления. Изд. 2-е, перераб. - Л.: Энергия, 1972] в силу неизбежных переходных процессов значительно увеличивается общее время последовательного опроса всего массива датчиков, и проблемы быстродействия измерений приобретают важнейшее значение.
Широко известен буферный усилитель в виде повторителя напряжения, построенного на базе операционного усилителя с единичной обратной связью по напряжению, выполненной соединением его инверсного входа с его выходом [Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергия. Ленинградское отделение, 1980, стр.50, рис.3-9(б)]. Входом буферного усилителя является неинверсный вход операционного усилителя, соединенный с источником напряжения. Для передачи напряжения на расстояние (в удаленную точку передачи напряжения) здесь используют подключенный к выходу операционного усилителя соединительный провод, изменения напряжения на втором удаленном конце которого повторяет изменения напряжения источника напряжения. Однако при построении различных измерительных преобразователей по выходной цепи буферного усилителя обязательно протекает измерительный ток, который создает неконтролируемое падение напряжения на сопротивлении удлинительного провода, чем вызываются искажения передачи величины напряжения к удаленной точке. Для переключения многих резистивных датчиков на один измерительный преобразователь используют различные коммутационные устройства, которые своим переходным сопротивлением значительно увеличивают погрешности передачи напряжения.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому устройству является буферный усилитель, у которого для формирования напряжения в удаленной точке используют два провода, идущих отдельно от выхода и инверсного входа операционного усилителя и соединенных вместе в этой удаленной точке. [Методы и средства натурной тензометрии: Справочник / М.Л.Дайчик, Н.И.Пригоровский, Г.Х.Хуршудов. - М.: Машиностроение, 1989, стр.61, рис.5]. Влияние сопротивлений проводов и коммутирующих элементов на точность передачи напряжения здесь значительно уменьшено, однако введение второго провода практически удваивает величину монтажной емкости нагрузки для буферного усилителя, что почти в 2 раза уменьшает скорость передачи напряжения в удаленную точку выхода буферного усилителя за счет существенного увеличения времени переходных процессов при быстроменяющихся напряжениях, например при скоростной коммутации и при импульсном питании тензорезисторных датчиков.
Задачей и техническим результатом изобретения являются повышение быстродействия передачи напряжения на расстояние за счет уменьшения времени переходных процессов передачи быстроменяющихся напряжений по длинным проводным связям.
Решение задачи и технический результат достигаются тем, что в буферный усилитель, состоящий из операционного усилителя и двух подключенных к его выходу и инверсному входу соединительных проводов, образующих своим объединением с другого конца выход буферного усилителя, входом которого является неинверсный вход операционного усилителя, подключенный к источнику напряжения, параллельно входам операционного усилителя по отдельности или совместно введены резистор и один или два противофазно включенных диода, преимущественно германиевых.
Фигура иллюстрирует рассматриваемый буферный усилитель.
На фигуре показаны: «Е» - источник передаваемого напряжения, «U» - удаленная для передачи напряжения точка устройства, «ОУ» - операционный усилитель напряжения, «W1» и «W2» - длинные соединительные провода, «С1» и «С2» - собственные монтажные емкости проводов «W1» и «W2», «I1» и «I2» - токи перезаряда емкостей «С1» и «С2» во время переходных процессов в буферном усилителе, «D1» и «D2» - диоды, «R» - резистор, «Gnd» - общая шина всего устройства.
Буферный усилитель построен на базе операционного усилителя «ОУ», выход и инверсный вход которого через соединительные провода «W1» и «W2» образуют своим взаимным соединением удаленную точку «U» формирования выходного напряжения буферного усилителя относительно общей шины «Gnd». Провода «W1» и «W2» обладают собственными монтажными емкостями «С1» и «С2». Входом буферного усилителя является неинверсный вход усилителя «ОУ», который подключен к источнику напряжения «Е» относительно общей шины «Gnd». Параллельно входам операционного усилителя по отдельности или совместно установлены резистор «R» и один или два противофазно включенных диода «D1» и «D2».
Буферный усилитель работает следующим образом.
В статическом режиме и без резистора «R» и диодов «D1» и «D2», благодаря высокому коэффициенту усиления напряжения и высокому входному сопротивлению современного операционного усилителя «ОУ» разность напряжений между его входами практически равна нулю и ток по проводу «W2» вследствие этого практически не течет, не создавая, естественно, на сопротивлении этого провода падения напряжения, что обеспечивает поэтому напряжение в точке «U» практически равным напряжению источника «Е». При скачкообразном изменении входного напряжения буферного усилителя в отсутствие резистора «R» и диодов «D1» и «D2» усилителю «ОУ» приходится обеспечивать перезаряд совместно обеих емкостей «С1» и «С2» своим выходным током «I1», протекающим с выхода усилителя «ОУ» через провод «W1» к точке «U» и далее по проводу «W2».
В отношении введения только резистора «R» (без диодов «D1», «D2»):
Установка вводимого в буферный усилитель резистора «R» создает через него дополнительную цепь перезаряда емкостей «С1» и «С2» с помощью дополнительного тока «I2», вытекающего из источника «Е» через резистор «R» к проводу «W2», и тем самым, как нетрудно заметить, ускоряет переходный процесс (см. фигуру). В статическом режиме здесь, т.к. разность напряжений между входами усилителя «ОУ» практически равна нулю, ток по резистору «R» практически не течет, что соответствует как будто его отсутствию, т.е. исходному описанному состоянию буферного усилителя. При скачкообразном изменении входного напряжения буферного усилителя (источника «Е») в первый момент между напряжением источника «Е» и напряжением на емкости «С2» провода «W2», т.е. на выводах резистора «R» образуется перепад напряжения, который и создает через резистор «R» дополнительный (ускоряющий) ток перезаряда «I2». По мере заряда емкости «С2» величина этого перепада напряжения уменьшается, вплоть до практически нуля, и состояние буферного усилителя переходит в исходное - статическое.
В отношении введения только диодов «D1», «D2» (без резистора «R»):
Установка вводимых в буферный усилитель диодов «D1» и «D2» создает через них дополнительную цепь перезаряда емкостей «С1» и «С2» с помощью дополнительного тока «I2», вытекающего из источника «Е» через диоды «D1» и «D2» к проводу «W2», и тем самым, как нетрудно заметить, ускоряет переходный процесс (см. фигуру). В статическом режиме здесь, т.к. разность напряжений между входами усилителя «ОУ» практически равна нулю, ток по диодам «D1» и «D2» практически не течет, что соответствует как будто их отсутствию, т.е. исходному описанному состоянию буферного усилителя. При скачкообразном изменении входного напряжения буферного усилителя (источника «Е») в первый момент между напряжением источника «Е» и напряжением на емкости «С2» провода «W2», т.е. на выводах диодов «D1» и «D2» образуется перепад напряжения, который и создает через соответствующий диод «D1» или «D2» дополнительный (ускоряющий) ток перезаряда «I2». По мере заряда емкости «С2» величина этого перепада напряжения уменьшается, вплоть до практически нуля, и состояние буферного усилителя переходит в исходное - статическое.
В отношении совместного введения резистора «R» и диодов «D1», «D2»:
Установка одновременно резистора «R» и диодов «D1» и «D2» (параллельно друг другу) создает для каждого элемента свои (упомянутые выше) дополнительные токи перезаряда, которые, суммируясь, увеличивают ток «I2» перезаряда емкостей «С1» и «С2», что, как нетрудно заметить, совместно дополнительно ускоряет переходный процесс (см. фигуру). Величина тока через обычный резистор линейно зависит от перепада напряжения. Характеристика же диодов имеет сугубо нелинейный характер: при малых напряжениях сопротивление их очень большое, при больших (в прямом направлении) - очень мало. Поэтому (при совместном использовании резистора «R» и диодов «D1» и «D2») в начальный момент (скачкообразного входного напряжения буферного усилителя), т.е. при большом перепаде напряжения определяющим будет ток «I2» через открытый диод «D1» или «D2» (значительно большим, чем через резистор), а по мере уменьшения перепада определяющим становится ток «I2» через резистор «R».
В отношении использования только одного из диодов «D1», «D2» (без резистора «R» или с ним) для вышеописанных случаев:
При одном конкретном входном ступенчатом перепаде напряжения (положительном или отрицательном) работает из пары диодов «D1» и «D2» только один, для которого этот перепад открывающий. В случае если переходной процесс буферного усилителя важен только для одной (конкретной) полярности ступенчатого перепада входного напряжения, можно установить в буферный усилитель только один соответствующий диод («D1» или «D2»).
Использование совместно резистора «R» и пары диодов «D1» и «D2» (или одного из них) удачно дополняют друг друга, однако использование их и по отдельности также дают существенный заявляемый эффект, что важно для успешного применения.
Германиевые диоды по сравнению с другими, например кремниевыми, имеют характеристику, круто загибающуюся при достаточно малых прямых напряжениях, что делает применение их в данном буферном усилителе предпочтительным.
Описанная работа буферного усилителя соответствует режиму повторителя напряжения, но, кроме того, можно реализовать некоторое усиление напряжения передачи известными путями, например введением двух резисторов: один - в провод «W2», другой - между инверсным входом усилителя «ОУ» и общей шиной «Gnd» [Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергия. Ленинградское отделение, 1980, стр.47, рис.3-7(а)].
В результате использования изобретения значительно повышается быстродействие передачи буферным усилителем напряжения на расстояние за счет уменьшения времени переходных процессов передачи быстроменяющихся напряжений по длинным проводным связям. По данному предложению на предприятии выполнены соответствующие теоретические и экспериментальные исследования по созданию конкретных устройств и отработки условий оптимизации их использования, которые подтвердили реализуемость рассматриваемого технического решения и заявленного технического эффекта. В результате испытаний опытных образцов время переходных процессов уменьшено в 1,5-2 раза. Реализация предложения при построении измерительных преобразователей сигналов удаленных резистивных датчиков в тензометрии прочностных испытаний авиационно-космических конструкций позволит существенно повысить скорость выполнения исследовательских программ по совершенствованию современных летательных аппаратов.