CC BY
98
УДК 681.586. 785
1Прошкин В.Н., 1Магомедова М.А., 2Прошкина Л.А., 2Трусов Е.В.
ХФГБОУ ВПО «Пензенский государственный технологический университет», Пенза, Россия 2ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ ТОКОВЫХ СИГНАЛОВ С ЛИНЕЙНОГО АКУСТИЧЕСКОГО ОСЦИЛЛЯТОРА МАГНИТОСТРИКЦИОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЙ
Введение
В линейных акустических осцилляторах (ЛАО), входящие в состав магнитострикционных приборов различного назначения [1 - 8] магнитоупругие волны (МУВ), проходя через среду акустического волновода (ВА) под считывающей обмоткой акустоэлектрического преобразователя (ПАЭ), вызывают ток в его внешней цепи с параметрами:
длительность импульсов тока «полезных» измерительных сигналов (ПИС) от 3,0 до 5,0 мкс [1]; длительность суммарных «паразитных» сигналов (СПС) 50,0...100,0 мкс [1];
период повторения измерительных сигналов, зависящий от цикла преобразования и может находиться в диапазоне 0,1...1000,0 мс;
амплитуда импульсов тока ПИС от 7,0 мкА до 9,0 мкА.
Амплитуда и длительность ПИС зависят от: количества витков в ПАЭ; конфигурации обмотки ПАЭ;
электрических, магнитных и упругих свойств материала волновода [5];
параметров сигналов с выхода формирователя импульсов тока возбуждения (ФИТВ) для формирования в среде волновода МУВ ;
способов преобразования измерительных сигналов усилителем импульсов тока считывания (УИТС); электронных компонентов, входящих в состав УИТС.
Амплитуды и длительности импульсов СПС зависят от: количества витков в ПАЭ;
параметров импульсных сигналов возбуждения МУВ в среде волновода [1]; режима термомеханической обработки волновода [б, 7];
продольной и крутильной механических нагрузок на волновод в ЛАО [1].
В известных отечественных и зарубежных магнитострикционных преобразователях линейных перемещений для получения необходимой амплитуды «полезного» измерительного сигнала (9,0 мкА) разработчики предпочитают идти по пути увеличения количества витков в обмотке ПАЭ (до 500 витков и более медного провода) и увеличения до приемлемых значений длительности импульсов возбуждения в ФИТВ (до 2,0 мкс).
В работе [1] было установлено, что длительность суммарных «паразитных» сигналов влияет в конечном итоге на продольные габаритные размеры магнитострикционного преобразователя. Чем больше их длительность, тем больше следует увеличивать габаритные размеры преобразователя, чтобы сохранить требуемый рабочий диапазон линейных перемещений. При согласованных продольной и крутильной механических нагрузок на волновод и указанных выше параметров обмотки ПАЭ и импульсов тока возбуждения в ФИТВ длительность суммарных «паразитных» сигналов составит около 100,0 мкс. Что требует увеличения «паразитной» длины измерительного преобразователя на 300 мм.
Основная часть
Для устранения вышеуказанных недостатков следует уменьшить количество витков в обмотке ПАЭ и длительность импульсов тока возбуждения в ФИТВ до приемлемых значений, при которых возможно распознавание на фоне шумов «полезных» измерительных сигналов, а амплитуду этих сигналов следует увеличить за счет современных схемотехнических решений.
Проведены исследования измерительного преобразователя, в котором обмотка ПАЭ последовательно уменьшалась с 500 витков до 0,5 витка, а длительность импульсов тока возбуждения с 2,0 мкс до 0,05 мкс. Распознавание ПИС на фоне шумов наблюдалось с 1 витком обмотки и длительности 0,1 мкс импульсов тока возбуждения, при этом амплитуда измерительных сигналов равна 0,9 нА, что в 10 000 раз ниже, чем в известных преобразователях.
Для усиления и обеспечения высокой помехоустойчивости, повторяемости и точности измерения параметров измерительных сигналов были исследованы множество схемотехнических решений с использованием различных электронных компонентов [9]. В результате исследований, был разработан преобразователь тока в напряжение, выполненного на базе малошумящего операционного усилителя (ОУ) AD8014
фирмы Analog Devices [10, 11] и высокостабильных прецизионных резисторах С2-29В [12].
Предлагаемый усилитель имеет следующие характеристики: тип усилителя - AD8014 фирмы Analog Devices; полюса пропускания - 400 мГц; скорость нарастания - 4000 В/мкс;
спектральная плотность шумового напряжения - 3,5 нВ / л]~Тц ;
шумовой ток - 5 пА/ \[Гц ; напряжение питания - +12 В;
ток потребления - 1,1мА.
Указанный усилитель обеспечивает высокую скорость нарастания выходного напряжения и широкую полосу пропускания, что очень важно для исследования и практического применения в магнитострикци-онных приборах различного назначения.
На рисунке 1 представлена схема прецизионного усилителя импульсных токовых сигналов. Усилитель преобразует ток в напряжение с одновременным усилением малых и сверх малых токов от единиц миллиампер и ниже, вплоть до долей пикоампер. Указанный усилитель обеспечивает большую скорость нарастания выходного напряжения и широкую полосу пропускания, что очень важно для исследования и практического применения в импульсных усилителях первичного преобразователя магнитострикционных приборов.
Рисунок 1 - Импульсный усилитель токовых сигналов с ПАЭ
Сигнал с выхода ПАЭ, через контакты электрического соединителя Х1:1 и Х1:2 поступает на вход операционного усилителя DA1 УИТС. Большой собственный коэффициент усиления ОУ приводит к тому, что инвертирующий вход является виртуальный землей. Поэтому ток, протекающий через резистор Яос равен току 1вх. Следовательно, выходное напряжение определяется соотношением Рвых = -Яос • 1вх .
—R
Коэффициент преобразования равен: Kj = Uвых / 1вх = —— »—Roc ,
1 + Кэкв + Roc A ■ Кэкв
где: Av - коэффициент усиления ОУ и Яэкв - эквивалентное сопротивление между входом усилителя и землей, включающее в себя сопротивление источника тока и дифференциальное входное сопротивление ОУ.
Входное сопротивление определяется следующим образом:
Roc • R3k
Roc
Roc + (А + !) • R3KB + A )
(При Av ' -Кэкв » #ос) •
Нижний предел измеряемого тока определяется входным напряжением смещения, входными токами ОУ и его дрейфом. Для того чтобы свести к минимуму погрешности схемы, необходимо учесть моменты, рекомендуемые при проектировании преобразователя тока в напряжение [9].
Уменьшение погрешности смещения импульсного усилителя токовых сигналов. При малых входных токах (менее 1 мкА) целесообразно использовать ОУ с полевыми входами, имеющие незначительные входные токи. Также необходимо стремиться к тому, чтобы выполнялось условие Яэкв » Яос, так как иначе входное напряжение смещения будет дополнительно усиливаться (коэффициент усиления для напряжения смещения определяется соотношением Кисм = -Яос/Яэкв) . Погрешность, связанную с входными токами можно уменьшить, включением дополнительного резистора Ядоп, равного Яос между неинвертирующим входом и землей. При этом общее входное смещение будет равно исм.вх+Яос‘Д Тсм.вх, где ДХсм.вх - разность входных токов ОУ. Для ограничения высокочастотных шумов дополнительного резистора £доп и предотвращения самовозбуждения ОУ необходимо параллельно ему включать шунтирующий конденсатор Сш (10 нФ...100нФ) .
При работе с очень малыми токами могут возникнуть значительные погрешности, связанные с токами утечек. Поэтому необходимо использовать охранное кольцо [9, 13] на котором они замыкаются. Охранные кольца изготавливаются из фольги печатной платы, полностью окружают входы ОУ и минимизируют эффект любой поверхностной утечки. Для достижения максимального эффекта, защитные кольца должны быть расположены на обеих сторонах печатной платы. Плату необходимо тщательно очистить и изолировать для предотвращения поверхностной утечки, а охранные печатные проводники должны быть подключены к точке нулевого потенциала ОУ. Наконец, для получения очень малых токов утечки (порядка пикоампер) при монтаже входных цепей рекомендуется использовать стойки из фторопласта. Чтобы уменьшить дрейф входных токов от температуры следует ограничить тепло, выделяемое самим ОУ. Для этого лучше снизить напряжение питания до минимума. Кроме того, к выходу ОУ не стоит подключать низкоомную нагрузку (общее сопротивление нагрузки должно быть не менее 10 кОм), а использовать для этих целей буферные каскады.
Уменьшение погрешности коэффициента усиления. Операционный усилитель и резистор обратной связи необходимо выбирать так, чтобы Av • Яэкв » Яос, иначе могут возникнуть большие погрешности коэффициента усиления и нелинейность выходной характеристики. Необходимо использовать высокостабильные прецизионные резисторы с малым дрейфом на основе металлических или металлоокисных пленок, например отечественные резисторы типа С2-29В [12]. Эти резисторы предназначены для работы в высокоточных электрических цепях постоянного, переменного и импульсного токов. Уровень шумов до 0,5 мкВ/В. Допустимое отключение до — 0,05 %. ТКС составляет
до — 5*10-6 1/°С. Для исключения влияния влажности на параметры усилителя печатную плату с размещенными на ней элементами покрывают силиконовым лаком.
Уменьшение влияния емкости источника сигнала. Конечная емкость источника сигнала Си может привести к неустойчивости схемы, особенно при использовании длинных входных проводников от акустоэлектрического преобразователя до усилителя импульсных сигналов. Этот конденсатор на высоких частотах вносит фазовое запаздывание в петле обратной связи ОУ. Проблема решается включением конденсатора небольшой емкости Сос (50 пФ.200 пФ) параллельно резистору £ос, графическая иллюстрация данного способа показана на рисунке 1. Кроме того, для исключения действия помех на линию связи ПАЭ с усилителем импульсных сигналов, необходимо использовать витую пару помещенную в экранированную оболочку. Экран необходимо изолировать от корпуса и соединить с общей точкой ОУ. Такое техническое решение позволяет принимать измерительную информацию с акустического тракта без искажения, с частотой 0,11.19,2 кГц [13].
Уменьшение влияния шума и помех на выходной результат усилителя. Выходной шум ОУ складывается из трех основных компонентов: шум резистора £ос, входное шумовое напряжение ОУ и входной шумовой
ток ОУ. Для ОУ с большим коэффициентом усиления при Roc > 1 Мом преобладает шум, генерируемый резистором Roc. Входное шумовое напряжение ОУ умножается на коэффициент усиления для шума (рисунок 2) .
Взаимный наклон 40 дБ/
2П'(£?И + Сос)-(/?ос II
Рисунок 2 - Устойчивость импульсного усилителя токовых сигналов с виртуальной землей
Как правило, этот коэффициент возрастает с ростом частоты, что ведет к появлению значительного высокочастотного шума. Входной шумовой ток ОУ умножается на величину R^, и в таком виде появляется на входе.
Усилитель импульсных токовых сигналов в напряжение с большим коэффициентом усиления обладает высоким входным сопротивлением и чувствительностью к помехам. Поэтому для защиты от помех необходимо заключать его в экранирующий корпус и проводить развязку по питанию.
Заключение
В ходе выполнения вышеперечисленных мероприятий по совершенствованию импульсных усилителей токовых сигналов с выхода ПАЭ магнитострикционных приборов позволило усиливать до необходимого уровня сверх малые токи вплоть до долей пикоампер. При этом обеспечивая повышенную помехоустойчивость, точность и повторяемость принимаемых измерительных сигналов. Длительность суммарных «паразитных» сигналов уменьшились до 1,0 мкс, что позволит продольные «паразитные» габаритные размеры преобразователя снизить приблизительно в 100 раз до 3,0 мм.
ЛИТЕРАТУРА
1. Прошкин В.Н. Конструкторско-технологические способы совершенствования магнитострикционных преобразователей линейных перемещений для специальных условий эксплуатации: дис...канд. техн. наук.
- Астрахань, 2007. - 173 с.
2. Прошкин В.Н., Прошин И.А., Тимаков В.М. Принципы построения преобразователей параметров движений для гидропривода тренажеров транспортных средств //«Надежность и качество». Труды Межд. симпоз. - Т. 1. - Пенза: 2010. - С. 272-275.
3. Артемьев Э.А., Прошкин В.Н. Способ измерения уровня и массы жидких сред в резервуарах //«Надежность и качество». Труды Межд. симпоз. - Т. 2. - Пенза: - 2010. - С. 153-154.
4. Магомедова М.А., Гущин Д.О., Федосеев М.В., Конопацкий Ю.В., Гришин Д.С., Баюков А.М., Прошкин В.Н. Проектирование магнитострикционного преобразователя для рефлексотерапевтического воздействия на биологически активные точки живых организмов // «Надежность и качество». Труды Межд. симпоз. - Т. 2.
. - Пенза: - 2012. - С. 297-298.
5. Артемьев Э.А., Прошкин В.Н. Материалы для чувствительных элементов магнитострикционных преобразователей параметров движения //«Надежность и качество». Труды Межд. симпоз. - Т. 2. - Пенза:
- 2012. - С. 258.
6. Прошкин В.Н., Прошкина Л.А. Способ термомеханической обработки ферромагнитных проволок для акустических волноводов // «Надежность и качество». Труды Межд. симпоз. - Т. 2. №1-1. - Пенза: -2013. - С. 180.
7. Прошкин В.Н., Прошкина Л.А., Разживина Г.П. Способ проверки ферромагнитных проволок после их термомеханической обработки // «Надежность и качество». Труды Межд. симпоз. - Т. 2. №1-1. -
Пенза: - 2013. - С. 181.
8. Э.А. Магомедова, М.А. Магомедова, В.Н. Прошкин. Проектирование прецизионных помехоустойчивых импульсных усилителей токовых сигналов для магнитострикционных преобразователей // Молодой ученый. - Чита: Изд. «Молодой ученый», № 10 (33), том I, 2011. - С. 43-45.
9. А.Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. М. : «БИНОМ», 1994. - C. 57-62.
10. Операционные усилители и компараторы. - М.: Издательский дом «Додэка - ХХІ», 2001. - 506
с.
11. Интегральные микросхемы: Перспективные изделия. Выпуск 2 - М.: ДОДЭКА, 1996. - 96 с.
12. А.И. Аксенов, А.В Нефедов. Элементы схем бытовой радиоаппаратуры. Конденсаторы. Резисторы: Справочник. - М.: Радио и связь. 1995. - 272 с.
13. П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники.: в 2-х томах. Пер. с англ . - М.: Мир, 1983.
- Т. 2. - 590 с.
