RU2495522C2

RU2495522C2 - Buffer amplifier

Info

Publication number: RU2495522C2
Application number: RU2011128094/08A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Васильевич Шевчук
Priority date: 2011-07-11
Filing date: 2011-07-11
Publication date: 2013-10-10
Also published as: RU2011128094A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: buffer amplifier consists of operational amplifier and two connecting wires connected to its input and inverting input and thus forming by their connection an output of the buffer amplifier at the other end, while input of the buffer amplifier is non-inverting input of the operational amplifier connected to voltage source; a resistor and one or two antiphased diodes, preferably germanium ones, are introduced in parallel to inputs of the operational amplifier.

EFFECT: improving operational speed of voltage transfer to distance due to decrease of response time for transfer of quick changing voltages through long-distanced wire links.

1 dwg

Description

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.The invention relates to a technique for transmitting measuring signals characterized by the magnitude of the electric voltage, in particular, to buffer devices for transmitting voltage along long wire lines when constructing measuring transducers, for example, signals from remote resistive sensors in tensiometry of strength tests of aerospace structures.

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.A modern aircraft has an extremely complex structure, which with the minimum weight should have the necessary strength. It is necessary to carry out specific experimental studies in a wide range of effects in a large number of points of large field structures. The most common and universal type of measurement in studies of aircraft structures and a large number of other objects of science and technology is electrotensometry [1. Static strength tests of supersonic aircraft. Baranov A.N., Belozerov L.G., Ilyin Yu.S., Kutinov V.F. - M.: Mechanical Engineering, 1974, p. 3-12. 2. Automation of measurements and data processing during testing of aircraft for strength. I.F. Obraztsov, A.S. Golubkov, A.N. Seryoznov, etc. - M .: Mechanical Engineering, 1991, p. 75, table 4.3. 3. Measuring information system "Strength-2000" for testing the strength of modern aerospace technology. E.G. Zubov, Yu.S. Ilyin, V.V. Shevchuk. Aerospace Engineering and Technology, 2003, No. 3, p.30-36]. The most important component of the measuring equipment here is a signal converter of strain gauge sensors (both bridge and single) into electrical voltage, the characteristics of which largely determine the final test results. When constructing such converters, buffer electronic devices based on operational voltage amplifiers are widely used. Due to a number of positive properties, when measuring the signals of resistive sensors, their pulse power is successfully used [G. Peredelsky. Switching bridge circuits. - M .: Energoatomizdat, 1988]. The massive use of strain gages is due to a whole range of their known advantages. However, with a large number (10000-20000) of sensors and a large length (200 meters or more) of connecting lines [Glagovsky B.A., Piven I.D. Resistance electrotensometers. Ed. 2nd, rev. - L .: Energy, 1972] due to unavoidable transients, the total time of sequential polling of the entire array of sensors is significantly increased, and the problems of measurement performance become very important.

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.A buffer amplifier in the form of a voltage follower based on an operational amplifier with a single voltage feedback made by connecting its inverse input to its output is widely known [B. Gutnikov. Integrated electronics in measuring devices. - L .: Energy. Leningrad branch, 1980, p. 50, fig. 3-9 (b)]. The input of the buffer amplifier is a non-inverse input of the operational amplifier connected to a voltage source. To transmit voltage to a distance (to a remote voltage transmission point), a connecting wire connected to the output of the operational amplifier is used here, the voltage change at the second remote end of which repeats the voltage source voltage changes. However, when constructing various measuring transducers, the measuring current necessarily flows through the output circuit of the buffer amplifier, which creates an uncontrolled voltage drop on the resistance of the extension wire, which causes distortions in the transmission of voltage to a remote point. To switch many resistive sensors to one measuring transducer, various switching devices are used, which with their transition resistance significantly increase the voltage transmission errors.

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.The closest in technical essence and the achieved effect to the proposed device is a buffer amplifier, for which two wires are used to generate voltage at a remote point, going separately from the output and inverse input of the operational amplifier and connected together at this remote point. [Methods and means of full-scale tensometry: Reference book / M. L. Daychik, N. I. Prigorovsky, G. Kh. Khurshudov. - M.: Engineering, 1989, p. 61, Fig. 5]. The influence of the resistances of wires and switching elements on the accuracy of voltage transfer is significantly reduced here, however, the introduction of a second wire almost doubles the load capacity of the buffer amplifier, which almost halves the speed of voltage transfer to a remote output point of the buffer amplifier due to a significant increase in the transient time with rapidly changing voltages, for example, with high-speed switching and with pulsed power supply of strain gauge sensors.

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.The objective and technical result of the invention is to increase the speed of voltage transmission over a distance by reducing the time of transient transmission of rapidly varying voltages over long wire connections.

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.The solution of the problem and the technical result are achieved by the fact that in the buffer amplifier, consisting of an operational amplifier and two connecting wires connected to its output and inverse input, forming by their union at the other end the output of the buffer amplifier, the input of which is a non-inverse input of the operational amplifier connected to the source voltage parallel to the inputs of the operational amplifier individually or jointly introduced a resistor and one or two out-of-phase diodes, mainly germanium.

Фигура иллюстрирует рассматриваемый буферный усилитель.The figure illustrates the buffer amplifier in question.

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.The figure shows: “E” is the source of the transmitted voltage, “U” is the point of the device remote for voltage transmission, “OS” is the operational voltage amplifier, “W1” and “W2” are the long connecting wires, “C1” and “C2” - own mounting capacities of the wires “W1” and “W2”, “I1” and “I2” - recharge currents of the capacities “C1” and “C2” during transients in the buffer amplifier, “D1” and “D2” - diodes, “ R "is the resistor," Gnd "is the common bus of the entire device.

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».The buffer amplifier is built on the basis of the op-amp “OU”, the output and inverse input of which through the connecting wires “W1” and “W2” form, by their mutual connection, the remote point “U” of formation of the output voltage of the buffer amplifier relative to the common bus “Gnd”. Wires “W1” and “W2” have their own mounting capacities “C1” and “C2”. The input of the buffer amplifier is the non-inverse input of the amplifier "op amp", which is connected to the voltage source "E" relative to the common bus "Gnd". In parallel with the inputs of the operational amplifier, separately or jointly installed resistor "R" and one or two out-of-phase diodes "D1" and "D2".

Буферный усилитель работает следующим образом.The buffer amplifier operates as follows.

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».In the static mode and without the resistor “R” and the diodes “D1” and “D2”, due to the high voltage gain and high input resistance of the modern operational amplifier “OU”, the voltage difference between its inputs is practically zero and the current through the wire “W2” due to this practically does not flow, without naturally creating a voltage drop on the resistance of this wire, which ensures that the voltage at point "U" is almost equal to the voltage of the source "E". When the input voltage of the buffer amplifier jumps in the absence of a resistor “R” and diodes “D1” and “D2”, the amplifier “OU” has to recharge both capacitances “C1” and “C2” together with its output current “I1” flowing from the output of the amplifier “Shelter” through the wire “W1” to the point “U” and further along the wire “W2”.

В отношении введения только резистора «R» (без диодов «D1», «D2»):With regard to the introduction of only the resistor "R" (without diodes "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.The installation of the resistor “R” introduced into the buffer amplifier creates an additional recharge circuit of the capacitors “C1” and “C2” through it using the additional current “I2” flowing from the source “E” through the resistor “R” to the wire “W2”, and thereby, as is easy to see, accelerates the transition process (see figure). In static mode here, because the voltage difference between the inputs of the amplifier “OU” is practically zero, the current through the resistor “R” practically does not flow, which corresponds to its absence, i.e. the initial described state of the buffer amplifier. When the input voltage of the buffer amplifier (source “E”) changes abruptly at the first moment between the voltage of source “E” and the voltage on capacitance “C2” of wire “W2”, i.e. at the terminals of the resistor "R" a voltage drop is formed, which creates an additional (accelerating) overcharge current "I2" through the resistor "R". As the capacitance “C2” is charged, the value of this voltage drop decreases, up to almost zero, and the state of the buffer amplifier goes into the initial - static state.

В отношении введения только диодов «D1», «D2» (без резистора «R»):With regard to the introduction of only diodes "D1", "D2" (without resistor "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.The installation of the diodes “D1” and “D2” introduced into the buffer amplifier creates through them an additional circuit for recharging the capacitors “C1” and “C2” using the additional current “I2” flowing from the source “E” through the diodes “D1” and “D2” to the wire "W2", and thus, as is easy to see, accelerates the transition process (see figure). In static mode here, because the voltage difference between the inputs of the amplifier "OU" is practically zero, the current along the diodes "D1" and "D2" practically does not flow, which corresponds to their absence, i.e. the initial described state of the buffer amplifier. When the input voltage of the buffer amplifier (source “E”) changes abruptly at the first moment between the voltage of source “E” and the voltage on capacitance “C2” of wire “W2”, i.e. at the terminals of the diodes "D1" and "D2" a voltage drop is formed, which creates an additional (accelerating) overcharge current "I2" through the corresponding diode "D1" or "D2". As the capacitance “C2” is charged, the value of this voltage drop decreases, up to almost zero, and the state of the buffer amplifier goes into the initial - static state.

В отношении совместного введения резистора «R» и диодов «D1», «D2»:In relation to the joint introduction of the resistor "R" and the diodes "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».Installing simultaneously the resistor “R” and the diodes “D1” and “D2” (parallel to each other) creates for each element its own (mentioned above) additional recharge currents, which, when added together, increase the current “I2” of the recharge of capacitors “C1” and “C2 ”, Which, as is easy to see, together additionally accelerates the transition process (see figure). The magnitude of the current through a conventional resistor linearly depends on the voltage drop. The characteristic of the diodes is purely non-linear: at low voltages, their resistance is very large, at large (in the forward direction) it is very small. Therefore (when using the resistor "R" and the diodes "D1" and "D2" together) at the initial moment (spasmodic input voltage of the buffer amplifier), i.e. with a large voltage drop, the current “I2” through the open diode “D1” or “D2” (significantly larger than through the resistor) will be decisive, and as the drop decreases, the current “I2” through the resistor “R” becomes determining.

В отношении использования только одного из диодов «D1», «D2» (без резистора «R» или с ним) для вышеописанных случаев:Regarding the use of only one of the diodes "D1", "D2" (without or with the resistor "R") for the above cases:

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»).With one specific input stepwise voltage drop (positive or negative), only one of the pair of diodes “D1” and “D2” works, for which this drop is an opening one. If the transient process of the buffer amplifier is important for only one (specific) polarity of the step difference in input voltage, only one corresponding diode ("D1" or "D2") can be installed in the buffer amplifier.

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.Using together the resistor "R" and a pair of diodes "D1" and "D2" (or one of them) successfully complement each other, however, using them individually also give a significant claimed effect, which is important for successful application.

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.Compared to others, for example, silicon diodes, germanium diodes have a characteristic that bends steeply at sufficiently small forward voltages, which makes their use in this buffer amplifier preferable.

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)].The described operation of the buffer amplifier corresponds to the voltage follower mode, but, in addition, it is possible to realize some amplification of the transmission voltage in known ways, for example, by introducing two resistors: one into the wire "W2", the other between the inverse input of the amplifier "OU" and the common bus "Gnd "[Gutnikov BC Integrated electronics in measuring devices. - L .: Energy. Leningrad branch, 1980, p. 47, fig. 3-7 (a)].

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.As a result of the use of the invention, the speed of transmission of voltage by a buffer amplifier to a distance is significantly increased by reducing the time of transient processes of transmitting rapidly changing voltages over long wire connections. According to this proposal, the company carried out relevant theoretical and experimental studies on the creation of specific devices and working out conditions for optimizing their use, which confirmed the feasibility of the technical solution under consideration and the claimed technical effect. As a result of testing the prototypes, the transient time was reduced by 1.5-2 times. The implementation of the proposal when constructing measuring transducers of signals of remote resistive sensors in tensometry of strength tests of aerospace structures will significantly increase the speed of research programs to improve modern aircraft.

Claims

A buffer amplifier, consisting of an operational amplifier and two connecting wires connected to its output and inverse input, forming, by their combination at the other end, a buffer amplifier output, the input of which is a non-inverse input of the operational amplifier connected to a voltage source, characterized in that it is parallel to the inputs an operational amplifier individually or jointly introduced a resistor and one or two out-of-phase diodes, mainly germanium.