Потенциометър за нелинейно изкривяване
Помислете как се държат променливите резистори в активните контролери за ниво на сигнала.
Има две схеми за включване на променливи резистори и те са представени на фиг. 41 и фиг. 42 (същите като във втората част на статията фиг. 17 и фиг. 18). На фиг.41 потенциометърът е свързан по реостатната верига, а на фиг.42 - по потенциометричната. По-нататък в текста реостатното включване на променлив резистор ще се разбира като схемата Фиг.41, а потенциометричната връзка - схемата Фиг.42.
Нека започнем тази част от статията с разглеждане на контролери, базирани на дискретни резистори. Както бе споменато по-горе, нелинейните характеристики на дискретните регулатори са доста стабилни и на тяхна основа е по-лесно да се покажат основните модели на поведение на изкривяване при регулиране на нивото на сигнала. Тук също, когато се провеждат експерименти с дискретни потенциометри, хармоничният коефициент се измерва чрез третия хармоник и както ще бъде показано по-долу, печалбата от този подход тук е по-значима.
 |  |  |
Експериментите са представени в две серии на графиките на фиг.44. Като регулатор е използван линеен дискретен потенциометър с общо съпротивление 33 kΩ. В този диапазон от стойности на съпротивлението на резисторите на дискретния контролер, най-големите изкривявания се наблюдават в CHIP резисторите. Линейният потенциометър е монтиран на десет резистора от типа CHIP с номинална стойност 3,3 kOhm; като буферен етап е използвана микросхема LME 49860 при захранващо напрежение ± 20 волта. Собствените нелинейни изкривявания на инсталацията за третия хармоник не са по-лоши от 1,3 * 10-6%.
Резултатите от първата серия експерименти на активния ниворегулатор при реостатно (фиг.41) и потенциометрично (фиг.42) включване на потенциометъра са показани на фиг.44, съответно кривите "Reost act" и "Potent act".Напрежението, подадено на входа на активния регулатор в тази серия, е 6 волта.
Резултатите от втората серия експерименти при стандартното потенциометрично свързване на потенциометър с буферно стъпало на инвертора (фиг. 43) също са показани на фиг. 44 (криви "Potent" и "Potent 12v"). Входното напрежение в тази серия от експерименти е 6 и 12 волта.
Нека първо разгледаме резултата от експеримента на активния регулатор в реостатното (фиг. 41) включване на потенциометъра, кривата „Reost act“ (зелен цвят). Както може да се види от графиката, хармоничният коефициент на регулатора е почти постоянен в целия диапазон на усилването на регулатора и варира на ниво 1 E -05%. Коефициентът на хармоника на тока, протичащ през потенциометъра, измерен в съответствие със схемата Фиг. 26, е 1,1 E -05%. От което следва, че изкривяването на активния регулатор при реостатно свързване се определя от изкривяването на тока, протичащ през потенциометъра. Кривата ("Мощен акт") при потенциометричното превключване започва, както се вижда от графиката на фиг.44 от една точка с предишната крива, но допълнително намалява.
Нека сравним поведението на изкривяване на активен регулатор със стандартна потенциометрична връзка (фиг. 43) с буферно стъпало на инвертора. Графиката на кривата ("Pot") на стандартното включване на потенциометър е показана на фиг. 44, също за входно напрежение от 6 волта. От поведението на графиката се вижда, че началната точка на кривата съответства на хармоничното изкривяване на инсталацията. Освен това, след известен растеж, кривата достига ниво, при което хармоничният коефициент е почти постоянен. За потвърждаване на това твърдение е проведен втори експеримент в това включване, но с входно напрежение от 12 волта. От резултатите от този експеримент се вижда, че след първоначалния растеж хармоничният коефициент практически не се променя и остава там, къдетослед това на ниво 1 * 10-5%.
По този начин, за CHIP резистори, изкривяването в потенциометричната връзка (3,8 * 10-6%) е по-ниско както от изкривяването на тока (1,1 * 10-5%), протичащ през потенциометъра, така и от изкривяването на напрежението на отделен елемент (1 * 10-5%) на хомогенен линеен потенциометър.
От разглеждането на кривите "Potent Act" и "Potent" на графиката на фиг. 44 се вижда, че кривите се доближават до едно и също ниво и най-вероятно при коефициент на пренос на регулатора по-малък от 0,5 имат близки стойности.
Обобщавайки тази серия от експерименти, можем да кажем, че от гледна точка на изкривяванията на самите потенциометри, най-доброто включване е стандартното потенциометрично включване, малко по-ниско от него (в началната зона) потенциометрично включване в активния регулатор и най-голямото изкривяване в реостатното включване.
Нека по-нататък разгледаме поведението на изкривяванията на активен регулатор с потенциометър (10 kΩ) върху MLT резистори, чиито изкривявания са сравними с изкривяванията на LME 49860 op-amp, но по-малко от изкривяванията на op-amp OP 275. Така, в първата серия от експерименти, регулаторът използва op-amp LME 49860, с входно напрежение от 4 волта, в втори - OP 275, с входно напрежение 2 волта. Собствените изкривявания на инверторите (за третата хармонична) в първата серия от експерименти 2,7 * 10-6 във втората - 7,4 * 10-5. Проведени са и измервания за реостатно и потенциометрично включване на потенциометъра.
Резултатите от първата серия от експерименти са показани на графиката на фиг.45. Горните криви съответстват на хармоничните коефициенти на общата форма, долните криви се изчисляват от третия хармоник.
Нека разгледаме поведението на кривите, изчислени от третия хармоник. Началните стойности на кривите, както се очаква, са равни и излизат от една точка - 3,1 * 10-6%. Те са малко по-високи от собственото изкривяване на инвертора. По-нататъкстойностите на кривите намаляват, но механизмите на тяхното намаляване на стойностите са различни.
Хармоничният коефициент на кривата в реостатна връзка („Kg3 реостат.“) В началния раздел се определя от доминиращите изкривявания на операционния усилвател LME 49860. Освен това, тъй като изкривяването на операционния усилвател намалява, скоростта на спад в стойностите на хармоничния коефициент намалява и в крайната област на графиката изкривяванията на потенциометъра започват да преобладават и кривата практически достига стойността на текущото изкривяване на потенциометъра (някъде 1,5 * 10-6% ÷ 1,7 * 10-6%).
При потенциометричната връзка („Kg3 potent.“), поради по-ниското изкривяване на потенциометъра в тази връзка, кривата практически повтаря кривата на изкривяване на операционния усилвател LME 49860.
Графиките на изкривяванията на обща форма са показани на фиг. 45 чрез кривите "Kr реостат". и "Kg мощен." Вторият хармоник на операционния усилвател LME 49860 доминира в общото изкривяване (изкривяването на потенциометъра в зоната на наблюдение по отношение на втория хармоник е малко), следователно, както при реостатно, така и при потенциометрично превключване, хармоничният коефициент се определя почти изцяло от изкривяването на операционния усилвател
Както бе споменато по-горе, във втората част на статията, чипът LME 49860 има много ниско изкривяване на тока на изхода, следователно, както може да се види от графиката, няма увеличение на изкривяването с намаляване на усилването на регулатора.
Резултатите от втората серия от експерименти са показани на графиката на фиг.46. Тук, както бе споменато по-горе, като активен елемент е използвана микросхемата OP 275. Тази микросхема има изкривявания, които значително надвишават изкривяванията на потенциометъра и доста големи изкривявания на тока в изхода, поради което графиката на фигура 46 показва данните за хармоничния коефициент само за общ изглед.
Като се има предвид поведението на кривите на графиката на фиг.46, може да се види, че кривите се разминават и нарастват. Освен това разликатастойностите постепенно се увеличават с намаляване на усилването на контролера.
Растежът на кривите на графиката тук се дължи, както беше споменато по-рано, на изкривяванията на изходния ток на операционния усилвател. И разликата в поведението на кривите при различни включвания на потенциометъра на активния контролер се дължи на по-ниското изкривяване на тока на операционния усилвател в изхода в потенциометричното включване. От графиката може да се види, че ефектът от намаляване на изкривяването по време на потенциометрично превключване започва да се появява при усилване на регулатора от около 0,5. Граничната стойност на коефициента на тази разлика при минимален коефициент на предаване е около четири.
След това разгледайте поведението на "непрекъснатите" потенциометри в активните регулатори. Схемите за включване на променливи резистори са същите като при дискретните потенциометри и са показани на фиг.41 и фиг.42.
Резултатите от експериментите с потенциометри SP3-12 (33kOhm), ALPS (10kOhm) са показани съответно на графиките Фиг.47 и Фиг.48. В този експеримент чип LME 49860 беше използван като буферно стъпало, входното напрежение беше 4 волта. Собствени изкривявания на инсталацията при единичен коефициент на предаване на регулатора 1,2 * 10-5%.
Анализирайки поведението на кривите на графиките на фиг.47 и фиг.48, можем да стигнем до следните изводи:
- на двете графики на изкривяване в потенциометричното свързване на резистори, има по-малко изкривяване в реостатното свързване;
- началните координати на двете графики, както при потенциометричното включване, така и при реостатното включване, идват от една точка;
- в средната част на графиките има област, в която хармоничният коефициент е практически постоянен при реостатна връзка и намалява при потенциометрична връзка;
- започвайки от коефициента на затихване на регулатора следва -15dB - -20dBобласт на доста бързо нарастване на хармоничния коефициент.
Кривите на графиката на фиг. 47 показват доста силни колебания в стойностите на хармоничния коефициент (които затрудняват анализирането на поведението на регулатора), причинени от движещата се система на регулатора. Регулаторът на потенциометъра ALPS, както се вижда от кривите на графиката на фиг. 48, е много по-добър и затова ще се спрем на него. И още една обща забележка: изкривяванията на регулаторите, направени на потенциометъра SP3-12, се определят от нелинейните свойства само на самите потенциометри; за резистора ALPS изкривяванията на потенциометъра са сравними с изкривяванията на буфера.
Нека сравним графиките на активните дискретни Фиг.44 и непрекъснатите Фиг.48 регулатори. Общият изглед на поведението на кривите на графиките до ниво от приблизително -20dB е един и същ: постоянна стойност на коефициента на хармоници за реостатно свързване и неговото намаляване с потенциометрично свързване. Но след това, като се започне от коефициента на затихване на регулатора -15dB - -20dB и по-малко в "непрекъснатия" (фиг. 48) регулатор, се наблюдава бързо нарастване на хармоничния коефициент. Този растеж е подобен на външен вид на този в дискретния контролер, базиран на операционния усилвател OP 275 (фиг. 46), но механизмът на растеж тук е различен. Причинява се от същия механизъм, както при пасивните регулатори - доминиращо изкривяване на контакта на двигателя на потенциометъра в областта на голямото затихване на регулатора. Дискретните регулатори нямат такъв тип изкривяване.
Изкривяването в реостатното свързване на "непрекъснатите" потенциометри в активните регулатори има два компонента: изкривяването на резистивния слой и изкривяването, въведено от плъзгача на потенциометъра, през който протича пълният ток на потенциометъра. Това, в допълнение към увеличаването на изкривяването на регулатора, внася повече вълнообразност (нестабилност) в поведението на кривата. Ефектът на плъзгача на потенциометъра върху изкривяването се вижда най-ясно например за потенциометър SP3-12 в реостатна връзка, това е едновременно увеличаване на изкривяването в средната част на кривата и силни колебания в стойностите на Kg. При потенциометричното включване обаче влиянието на двигателя е малко по-слабо и тук "вълнообразността" е доста значителна. В допълнение, при голямо затихване на коефициента на прехвърляне на контролера, както се вижда от графиките, разликата в стойностите на изкривяване между реостатното и потенциометричното превключване намалява.
В потенциометричната връзка за потенциометъра ALPS, като се започне от точката на прекъсване и по-нататък (виж фиг. 48), стойностите на хармоничните амплитуди са доста нестабилни и сравними с шума на изхода на операционния усилвател и са показани на графиката чрез поведението на кривата за три точки от максималните наблюдавани стойности.
В началната точка на графиката изкривяването в активния контролер за потенциометъра ALPS се определя както от изкривяването на потенциометъра, така и от изкривяването на настройката. В средната част на графиката, в реостатното съединение, изкривяванията са постоянни и се определят основно от изкривяванията на резистивния слой на потенциометъра, в потенциометричното свързване - от инсталационното изкривяване
Нелинейни изкривявания на дискретни резистори
Таблица 24 по-долу показва резултатите от експеримент за измерване на изкривяването на редица дискретни резистори (които успяхме да съберем). Експериментът беше проведен по схемата за измерване на изкривяването на тока, протичащ през резистора (L-образна верига Фиг.32). Номиналната стойност на долния резистор на L-образната верига е 1 kOhm (C2-29), токът, протичащ през изпитвания резистор, се поддържа на ниво от 1,4 mA за всички видове резистори. За да се повиши надеждността на резултатите от измерването, експериментът беше проведен с най-малко два резистора от всеки тип.