Краткие сведенья из теории

Одним из видов преобразований сигнала является изменение его амплитуды. Обычно – это получение данного напряжения U_вых из большего по величине U_вх. Эта операция выполняется делителями напряжения.

Делители напряжения предназначены для получения определённого соотношения между входным и выходным напряжениями . Выполняются они на параметрических элементах: резисторах, конденсаторах и индукторах (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 – Схема простейшего резистивного делителя напряжения

Делители напряжения широко используются в тех случаях, когда требуется ступенчатое изменение напряжения с постоянным или переменным шагом.

Если выход делителя не нагружен (холостой ход), то уравнение преобразования (коэффициент преобразования КП) на постоянном токе имеет вид

. (2.1)

Применяют также понятие коэффициента деления .

В качестве сопротивления резистора R₁ может выступать выходное сопротивление первого каскада (устройства), а в качестве сопротивления R₂ – входное сопротивление следующего каскада (устройства). В этом случае, воспользовавшись уравнением для делителя напряжения, можно определить, какая часть выходного напряжения поступит на вход последующего каскада (в соответствии с теоремой об эквивалентном преобразовании схем).

Делители используются для расширения пределов измерения приборов с высоким сопротивлением (таких как ламповые и цифровые вольтметры, компенсаторы).

Относительная погрешность делителя

, (2.2)

где и ‑ относительные погрешности соответствующих участков резисторов R₁и R₂, т.е. отклонение действительных значений их сопротивлений от номинальных.

Если на выходе делителя включена нагрузка , то выражение для КП принимает вид

(2.3)

Делитель напряжения может быть и регулируемым (рис.2.2).

Рисунок 2.2 – Схема регулируемого резистивного делителя напряжения

Входное напряжение подводится к зажимам, при этом через резистор протекает ток , создающий на нем падение напряжения, равное . Выходное напряжение снимается с той части резистора, которая заключена между движком (подвижной частью переменного резистора) и общей точкой делителя, т.е. с сопротивления .

Если движок находится в нижнем положении, то сопротивление между движком и нижней общей точкой, а также выходное напряжение и КП равны нулю. Если движок установлен в верхнее положение (т.е. r = R), то , а КП = 1.

Таким образом, в делителях напряжения, собранных по схеме рис.а 2.2, КП может плавно меняться от 0 до 1.

В реальных устройствах к выходным зажимам делителя подключают резистивную нагрузку. Сопротивление этой нагрузки является входным сопротивлением нагрузочного устройства, на вход которого подается напряжение, снимаемое с делителя (рис. 2.3).

Рисунок 2.3 – Схема регулируемого делителя напряжения с нагрузкой

Определим зависимость КП плавного делителя напряжения, нагруженного на резистор сопротивлением (рис. 2.3), в зависимости от коэффициента .

КП равен отношению выходного сопротивления к входному , после несложных преобразований получаем

. (2.4)

Если (режим холостого хода), то . В этом случае КП изменяется линейно с изменением коэффициента и для переменных резисторов с линейной функциональной характеристикой пропорционален углу поворота движка резистора.

Если сопротивление сравнимо с сопротивлением делителя , то КП изменяется непропорционально углу поворота. Происходит это потому, что выходное сопротивление делителя при повороте движка растет медленнее, чем увеличивается сопротивление r, выходное же напряжение и КП зависят от выходного сопротивления делителя. Поэтому выходное напряжение нарастает сначала медленно, а затем резко увеличивается.

Делители напряжения изготавливаются из манганинового провода или микропровода в стеклянной изоляции. Они обычно имеют несколько дискретных значений коэффициентов преобразования. Различают делители с постоянным входным сопротивлением, в которых переменным является выходное сопротивление и, следовательно, выходное напряжение при постоянном входном, а также с постоянным выходным сопротивлением при переменном входном.