Патрик Гёлль - Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс

ВХОДНОЙ УСИЛИТЕЛЬ

При помощи небольшого устройства, которое будет описано ниже, могут быть легко сняты два основных ограничения, присущих простейшим АЦП: входной диапазон от 0 до +5 В и неспособность работать с переменными напряжениями без постоянной составляющей.

Например, устройство смещения нуля и усилитель с переключаемыми коэффициентами усиления 1, 10 и даже 100 сильно расширят область применения АЦП ADC 10 и того мощного программного обеспечения, которое к нему прилагается. Этот АЦП можно будет использовать даже для оцифровки звука!

Следует учесть, что подача переменного напряжения с нулевым средним значением (иными словами, без постоянной составляющей) на вход аналого- цифрового преобразователя с входным диапазоном 0–5 В приводит к эффекту однополупериодного выпрямления. Результаты измерений, выполненных без учета этого обстоятельства, конечно, окажутся неверными. Данная ситуация аналогична той, когда луч обычного осциллографа расположен у нижнего края экрана, а не в середине, или когда перо регистратора установлено на один из краев бумаги.

В обоих случаях регулировка положения луча или установки нуля позволяет решить проблему путем добавления регулируемого постоянного напряжения смещения к входному сигналу.

Хотя входной диапазон 0–5 В и подходит для решения многих задач, при измерениях с помощью 8-разрядного АЦП все же желательно использовать максимально возможное количество из 256 уровней, т. е. необходимо уложиться в последнюю треть шкалы.

К примеру, входное напряжение, изменяющееся в пределах от 0 до 500 мВ, при преобразовании займет всего 25 уровней, что соответствует точности 4 %, тогда как АЦП наверняка имеет точность не ниже 1 %!

12-разрядные АЦП решают эту проблему, однако же не снимают проблему обработки сигналов переменного тока. Входное сопротивление большинства микросхем АЦП значительно меньше 1 МОм, и из-за этого обычный делитель 1/10 будет слишком сильно подавлять сигналы, амплитуда которых лишь немногим больше уровня 5 В.

Предварительный усилитель с коэффициентом усиления 10 позволит измерять напряжения с уровнем до 500 мВ с такой же точностью, с которой сам АЦП оцифровывает напряжения с уровнем до 5 В. При входном сопротивлении 1 МОм предусилитель с единичным усилением позволит работать на пределе измерения «50 В» с использованием обычного делителя 1/10.

С учетом простоты схем описываемых АЦП был разработан самый простой усилитель. Действительно, не нужны ни широкая полоса (достаточно нескольких килогерц), ни высокая точность (достаточно 1 %), ни смещение нуля на уровне микровольт, поскольку 8-разрядный АЦП с трудом определяет разницу между величинами 0 В и 20 мВ.

Не надо рассматривать схему, приведенную на рис. 6.1, как образец высокоточного прибора — это небольшое, но полезное устройство, предоставляющее немалые возможности.

Рис. 6.1. Принципиальная схема входного усилителя

Главный компонент схемы — сдвоенный операционный усилитель LM358, разработанный очень давно и широко распространенный. Он может работать с напряжениями, очень близкими к нулю, даже без двухполярного питания. Простой девятивольтовой гальванической батарейки вполне хватит для питания описываемого устройства, которое потребляет ток не более одного миллиампера (500 часов непрерывной работы с новой щелочной батареей).

Из напряжения питания +9 В микросхемой TLE2425 производства компании Texas Instruments формируется стабильное напряжение 2,5 В. Обычно эта микросхема используется в устройствах для получения «виртуальной земли».

Хотя напряжения 2,5 В даже при единичном усилении вполне достаточно для сдвига нуля в середину рабочего диапазона 0–5 В, при отсутствии микросхемы TLE2425 допустимо применение интегрального стабилизатора 78L05. При этом параметры будут менее стабильны, а потребление тока увеличится. Расположение выводов обеих микросхем одинаково.

Многооборотный потенциометр R9 с сопротивлением 10 кОм служит для подачи части выходного напряжения микросхемы TLE2425 на резисторный сумматор. На этот же сумматор поступает и входное напряжение, которое может подаваться напрямую (разъем DC — открытый вход) или через разделительный конденсатор С ехt(разъем АС — закрытый вход), как и у обычных осциллографов.

Использование входа АС позволяет убрать из входного сигнала постоянную составляющую (обычно присутствующую), а затем при помощи потенциометра R9 подобрать такую ее величину, которая максимально упростит проведение измерений. Емкость неэлектролитического конденсатора С eхt(желательно, чтобы он был рассчитан на напряжение 400 В) будет зависеть от условий измерений: величина 1 мкФ позволяет работать на очень низких частотах, а величины 0,1 мкФ достаточно для работы в звуковом диапазоне.