Bazele sistemelor de achiziție a datelor - circuite pentru condiționarea semnalelor

I. SCOPUL LUCRĂRII:

Scopul acestei lucrări este de a studia principalele tipuri de circuite electronice utilizate pentru condiţionarea semnalelor. Se vor studia: amplificatoare de instrumentaţie, amplificatoare de izolare, amplificatoare logaritmice şi antilogaritmice, redresoare de precizie.

II. NOŢIUNI TEORETICE

2. Circuite de condiţionare a semnalelor

Măsurarea electrică a informaţiilor referitoare la procesele fizice, în scopul memorării şi redării, pentru control sau comunicaţie, se realizează prin transformarea mărimilor fizice în mărimi electrice utilizând traductoare şi apoi prin prelucrarea acestor semnale prin tehnici analogice sau numerice.

Prelucrarea numerică a semnalelor se realizează prin transformarea semnalelor analogice în semnale numerice folosind un sistem de achiziţie de date. Un astfel de sistem de achiziţie de date controlat de calculator este reprezentat în Fig. 2.1. În multe aplicaţii, la plăcile de achiziţie de uz general sunt conectaţi mai mulţi senzori de diferite tipuri care produc semnale de forme şi domenii diferite. Pentru a fi aplicate la intrările plăcilor de achiziţie, acestor semnale li se face întâi o procesare primară (condiţionare) cu ajutorul unor circuite numite circuite de condiţionare a semnalelor.

Circuitele de condiţionare a semnalelor realizează prelucrarea analogică a semnalelor furnizate de traductoare, în scopul achiziţiei. Acest gen de procesare include funcţii ca: amplificarea şi/sau atenuarea semnalelor, filtrare, izolare electrică (separare galvanică), conversii curent-tensiune, alimentarea punţilor şi liniarizare, etc.

Fig. 2.1 Sistem de achiziţie de date controlat de calculator

2.1. Amplificatoare de instrumentaţie (AI)

Dacă pentru aplicaţii diverse de amplificare de semnal se folosesc amplificatoare operaţionale în diverse conexiuni (inversor, neinversor, diferenţial, integrator, etc.), sunt cazuri în care trebuiesc efectuate măsurători de precizie ale unor semnale de nivel redus, în prezenţa unor tensiuni de mod comun mari. Aceste situaţii impun utilizarea unor amplificatoare speciale, de mare performanţă, numite amplificatoare de instrumentaţie.

Amplificatoarele de instrumentaţie (AI) sunt amplificatoare diferenţiale în buclă închisă (cu reacţie) cu amplificarea A finită, foarte precis reglabilă, cu impedanţa de intrare foarte mare (109), CMRR de valori ridicate (100 120 dB), iar ieşirea este referenţiată la masă. AI se pot realiza în diferite configuraţii, cu componente discrete şi AO sau integrate în tehnologie monolitică sau hibridă. Schema echivalentă pentru un amplificator de instrumentaţie este prezentată în figura 2.2. Parametrul CMRR (common-mode rejection ratio) - factorul de rejecţie pe mod comun este definit ca raportul dintre amplificarea diferenţială (Ad) şi amplificarea pe mod comun (Ac). La amplificatoarele de instrumentaţie realizate cu componente discrete valoarea lui depinde de performanţele amplificatoarelor operaţionale utilizate şi de împerecherea rezistoarelor.

Figura 2.2. Amplificator de instrumentaţie – schemă echivalentă

Schema unui amplificator de instrumentaţie cu trei amplificatoare operaţionale este prezentată în figura 2.3. Etajul de intrare realizat cu AO1 şi AO2 este un amplificator cu intrare diferenţială ce asigură o impedanţă mare de intrare şi un câştig de tensiune de (1 + 2R2/P1), reglabil din potenţiometrul P1. Etajul realizat cu AO3 este un amplificator diferenţial ce realizează o amplificare de –R4/R3 şi face conversia de la modul diferenţial la modul single-ended (cu referinţă faţă de masă). Amplificarea totală a amplificatorului de instrumentaţie din figura 2.3. este:

(2.1)

Figura 2.3 Amplificator de instrumentaţie cu 3 AO.

Un alt amplificator de instrumentaţie realizat cu două amplificatoare operaţionale este prezentat în figura 2.4. Dacă R1/R2 = R4/R3 (în practică se utilizează R1=R4 şi R2=R3 ), câştigul acestui AI se poate regla din rezistorul Rg şi este:

(2.2)

Dacă R1=R2=R3=R4 =R, atunci câştigul amplificatorului devine: