Такие чувствительные устройства, как тензодатчики, RTD (резистивные датчики температуры) и термисторы, меняют свое сопротивление пропорционально силе или температуре. Измерив сопротивление датчика, можно рассчитать физический параметр. Измерить неизвестное сопротивление помогают такие схемы, как мосты сопротивлений.
На Рисунке 1 показана типичная мостовая схема, где RT – неизвестное сопротивление. Заменив REQ программируемым усилителем, можно сбалансировать мост. Сопротивление REQ может установить напряжение VBRIDGE, равным 0 В, на основании чего можно рассчитать RT и преобразовать его значение в единицы силы или температуры.
Рисунок 1. | Измеряя VBRIDGE и регулируя REQ, можно сбалансировать мостовую схему и рассчитать RT. |
Схема на Рисунке 2а представляет собой программируемый усилитель, выходное напряжение которого пропорционально цифровому входному коду ЦАП (цифро-аналогового преобразователя). ЦАП и усилитель A1 образуют программируемый инвертирующий усилитель. Схема фактически работает как делитель, поскольку ее коэффициент усиления или передаточная функция меньше 1. Разница между напряжениями VIN и VOUT определяет величину тока, проходящего через резистор R. Это значение можно использовать для расчета сопротивления REQ в мостовой схеме. Эквивалентная схема программируемого усилителя показана на Рисунке 2б.
Рисунок 2. | Программирование выходного напряжения ЦАП изменяет REQ, позволяя сбалансировать мостовую схему (а). Эквивалентная схема (б). |
Изменяя выходное напряжение ЦАП путем программирование его с помощью микроконтроллера или ПК, а затем, измеряя напряжение моста и регулируя REQ до тех пор, пока мост не придет в равновесие, можно настроить REQ.
Поскольку усилитель A1 инвертирующий, коэффициент усиления схемы равен
где члены D представляют значения битов ЦАП. Если используется 12-битный ЦАП, то N = 12.
Чтобы рассчитать сопротивление REQ, необходимо знать ток в цепи. Если предположить, что буферный усилитель A2 имеет бесконечное входное сопротивление и нулевой ток смещения, можно рассчитать ток IIN, который равен
и
Чтобы проверить эту схему, нужно просто подключить регулируемый источник постоянного напряжения к VIN и измерить эффективное сопротивление с помощью омметра. В Таблице 1 приведены значения ожидаемого и фактического сопротивления и рассчитанная погрешность для схемы с 12-разрядным ЦАП.
Таблица 1. | Зависимость выходного сопротивления от входного кода (R = 10 кОм, N = 12) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
На Рисунке 3 показана схема, в которой к мосту подключен компаратор. Цифровой выход компаратора можно подключить к микроконтроллеру или ПК, который затем будет регулировать выходное напряжение ЦАП. Рассчитав REQ, можно затем вычислить RT и по кривой сопротивления датчика определить деформацию или температуру.
Рисунок 3. | В этой схеме компаратор подключен к мосту. |
Используя схему на Рисунке 1, можно реализовать цифровое управление сопротивлением резистора, используя всего один прецизионный компонент – резистор R. Если нужно увеличить коэффициент усиления схемы, можно заменить повторитель напряжения A2 на неинвертирующий усилитель.