Перед отгрузкой стрелочных измерительных приборов производители могут закоротить клеммы приборов отрезком провода, что обеспечивает эффективное электромагнитное демпфирование и повышает устойчивость к внешним механическим вибрациям и ударам, которые могут возникнуть во время транспортировки. В этой статье используется практически тот же принцип, что и для стрелочных приборов, но в нормальных условиях эксплуатации. Подключение прибора к источнику напряжения с низким внутренним сопротивлением обеспечивает электромагнитное демпфирование и делает показания прибора более стабильными. Повышенная устойчивость к внешним вибрациям и ударам приобретает важное значение в мобильных или портативных системах, и особенно в автомобильных устройствах.
 |
|
| Рисунок 1. | В типичном аналоговом стрелочном вольтметре используется высоковольтный последовательный резистор RS для установки полного диапазона, но в электромагнитном демпфировании движения измерительного прибора он не участвует. |
Например, предположим, в приложении требуется измерять напряжение источника питания от 0 до 10 В (Рисунок 1). Пусть имеется типичный электромеханический измерительный прибор с напряжением полной шкалы VFS, равным 50 мВ, и током полного отклонения IFS, равным 1 мА. Чтобы получить полный диапазон напряжений 10 В, добавляют последовательное сопротивление RS. Сначала нужно рассчитать внутреннее сопротивление прибора RCOIL:
Затем следует рассчитать сопротивление добавочного резистора RS:
Сопротивление RS обычно значительно превышает сопротивление RCOIL и поэтому существенно снижает влияние электромагнитного демпфирования на движение счетчика. Хотя демпфирование можно улучшить, зашунтировав прибор конденсатором, такой подход также увеличивает время установления прибора.
На Рисунке 2 показано более совершенное решение, в котором стрелочный прибор подключается к выходу операционного усилителя IC1, встроенного в петлю глубокой отрицательной обратной связи по напряжению. Благодаря чрезвычайно низкому эквивалентному выходному сопротивлению операционного усилителя выводы измерительного прибора оказываются «практически закороченными», что обеспечивает эффективное электромеханическое демпфирование, которое улучшает стабильность показаний и повышает устойчивость к ударам и вибрациям. Делитель напряжения на Рисунке 2, состоящий из резисторов R1 и R2 и подключенный к неинвертирующему входу операционного усилителя, определяет показания полной шкалы прибора. Для дальнейшего улучшения времени установления показаний прибора можно добавить фильтр верхних частот, включив элементы RF и CF. Транзисторы Q1 и Q2 также являются необязательными и добавлены в качестве защиты от повышенного напряжения. Обратите внимание, что для нормальной работы прямое напряжение база-эмиттер транзисторов должно быть в несколько раз больше напряжения полной шкалы VFS, которое обычно составляет от 50 до 100 мВ.
 |
|
| Рисунок 2. | Низкое выходное сопротивление операционного усилителя обеспечивает электромеханическое демпфирование стрелочного измерительного прибора, улучшающее стабильность показаний и повышающее устойчивость к ударам и вибрациям. Подключите VCC либо к внешнему источнику питания, либо к входной клемме схемы, если напряжение VIN превышает минимальное напряжение питания микросхемы IC1. |
Для этого приложения хорошо подойдет микромощный rail-to-rail операционный усилитель с однополярным питанием. Если входное напряжение VIN превышает минимальное требуемое напряжение питания операционного усилителя, его вывод VCC можно подключить непосредственно к входной клемме, как показано пунктирной линией на Рисунке 2. По сути, схема объединяет преимущества буферизации прибора и повышенной устойчивости к ударам и вибрациям с преимуществом традиционного стрелочного прибора, не требующего внешнего источника питания. Доступен выбор из множества серийно выпускаемых микромощных операционных усилителей с rail-to-rail выходом, потребляющих токи значительно ниже максимальных токов полного отклонения (IFS) типичных стрелочных измерительных приборов. Например, для питания усилителя MAX4289 требуется лишь 1 В и 9 мкА, а для MAX4470 – минимум 1.8 В, но при токе всего 750 нА.
Хотя до сих пор эта идея относилась только к измерениям постоянного напряжения, можно расширить возможности схемы, включив в нее цепь для измерения переменного и постоянного напряжения (Рисунок 3). При таком подходе добавляется прецизионный бездиодный двухполупериодный выпрямительный каскад на основе одного rail-to-rail операционного усилителя и резисторов R3, R4 и R5 [1]. Резисторы R1 и R2 определяют показания полной шкалы. Для этой схемы требуется внешний источник постоянного напряжения для питания операционных усилителей IC1 и IC2; транзисторы ограничения напряжения Q1 и Q2 необязательны.
 |
|
| Рисунок 3. | Основанный на rail-to-rail операционном усилителе IC1, входной каскад этой схемы образует бездиодный прецизионный двухполупериодный выпрямитель и позволяет схеме на Рисунке 2 отображать результаты измерений напряжения переменного или постоянного тока на стрелочном приборе постоянного тока. |
