CC BY
49
Таким образом, цифровые генераторные преобразователи позволяют исключить дополнительную погрешность из-за воздействия на автоколебательную систему возмущающих факторов и получить стабильные линейные характеристики преобразования.
Приведенные результаты получены в рамках научно-исследовательской работы, выполненной по плану фундаментальных исследований университета, поддержанных госбюджетным финансированием.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Иванов В. В., Шакурский В. К. Анализ свойств управляемого генератора в режиме повышенной чувствительности // Электросвязь. 2004. № 4. С. 43—51.
2. Иванов В. В., Шакурский В. К. Увеличение чувствительности генераторных параметрических преобразователей // Изв. вузов. Приборостроение. 2005. Т. 49, № 7. С. 47—51.
3. Шакурский В. К., Иванов В. В. Генераторные преобразователи девиации фазы повышенной чувствительности // Вестн. СГАУ. 2006. № 3. С. 13—16.
Дмитрий Анатольевич Нагаев
Сведения об авторах — Тольяттинский государственный университет, кафедра электроснабжения и электротехники; ст. преподаватель; E-mail: dandandan@tltsu.ru
Виктор Константинович Шакурский — д-р техн. наук, профессор; Тольяттинский государственный университет, кафедра электроснабжения и электротехники; E-mail: Shakurskiy@mail.ru
Рекомендована кафедрой электроснабжения и электротехники
Поступила в редакцию 06.03.08 г.
УДК 621.013+537.312
А. А. Голубев, В. К. Игнатьев ЦИФРОВОЙ НАНОТЕСЛОМЕТР
Описан четырехтактный вычислительный алгоритм минимизации систематических погрешностей магнитометра, связанных с температурной зависимостью константы Холла и остаточного напряжения, с использованием микроконтроллера АБИС834В8.
Ключевые слова: магнитометр, датчик Холла, остаточное напряжение, крутизна преобразования, температурная погрешность, микроконтроллер.
При измерениях магнитных полей в диапазоне от 10 7—10 2 Тл в качестве преобразователя, главным образом, используется датчик Холла. Точность измерения индукции магнитного поля с помощью датчика Холла снижают остаточное напряжение, термоЭДС холлов-ских контактов, температурная зависимость константы Холла и погрешность от собственного магнитного поля преобразователя [1]. Погрешность, связанную с термоЭДС контактов, можно устранить, запитав датчик Холла переменным током с последующим синхродетектировани-ем. Минимизация погрешности, обусловленной пропорциональным протекающему через токовые контакты току остаточным напряжением датчика, не зависящим от магнитного поля, но зависящим от температуры [1], производится методом взаимности. Действительно, выходное напряжение датчика и при пропускании через него входного тока I в магнитном
50
А. А. Голубев, В. К. Игнатьев
поле В, перпендикулярном плоскости датчика, можно представить как реакцию линейной системы на внешнее воздействие в виде
иг = = (Щ +
Здесь индексы г ир принимают значения, соответствующие токовым контактам датчика Холла Т1 и Т2 потенциальным П1 и П2 контактам (рис. 1), арВ) — функция восприимчивости во внешнем магнитном поле В (Щ = а,у(0)). Также учтено, что датчик Холла в слабых магнитных полях линеен.
Рис. 1
Из свойств симметрии восприимчивости [2] следует, что арВ) = ар-В). Следовательно, Щ = Щ = Ян, ку = - кр = кх — коэффициент Холла. Тогда, считая, что I = I = I, получим иг = = ин + их, V) = ин - их, где ин = Ян1 — остаточное напряжение (напряжение небаланса), связанное с несимметричностью контактов датчика, их = кхВ1 — холловское напряжение, пропорциональное измеряемому магнитному полю.
Это реализовано в магнитометре [3], позволяющем раздельно измерять холловское напряжение их и остаточное напряжение датчика Холла ин. Магнитометр (см. рис. 1) содержит датчик Холла ДХ, источник постоянного тока ИТ, систему коммутации, содержащую ключи К1—К10, усилители У1 и У2 и систему управления. Измерение происходит по следующему алгоритму.
Первый такт: ключи К1—К4, К6, К7 разомкнуты, К5, К8 — замкнуты. Ток от ИТ протекает через ключ К5, контакты Т1, Т2, ключ К8. Напряжение с контактов П1, П2, усиленное в п1 раз усилителем У1, подается через ключи К9, К10, находящиеся в положении 1, на выход. При этом выходное напряжение равно и1 = п1(ис + ин + их), здесь в термоЭДС включено напряжение смещения ис усилителя У1.
Второй такт: ключи К1—К5, К8 разомкнуты, К6, К7 — замкнуты. Ток протекает через ключ К6, контакты Т2, Т1, ключ К7. Поскольку направление тока через датчик Холла инвертировано по отношению к первому такту, выходное напряжение равно и2 = п1(ис - ин - их).
Третий такт: ключи К5—К8, К2, КЗ разомкнуты, К1, К4 — замкнуты. Ток протекает через ключ К1, контакты П1, П2, ключ К4. Напряжение с контактов Т1, Т2, усиленное в п2 раз усилителем У2, подается через ключи К9, К10, находящиеся в положении 2, на выход, при этом из = п2(ис + ин - их).
Четвертый такт: ключи К5—К8, К1, К4 разомкнуты, К2, КЗ — замкнуты. Ток протекает через ключ К2, контакты П2, П1, ключ КЗ. Ключи К9, К10 находятся в положении 2. Выходное напряжение равно и4 = п2(ис - ин + их).
Таким образом, измерив последовательно четыре значения напряжения на выходе схемы (см. рис. 1), в качестве меры магнитной индукции можно использовать
и - и2 + (из - и)/п = 4щих0 = БВ0,
где S = 4п1Кх1 — крутизна преобразования, п = п2/пь Остаточное напряжение ин пропорционально величине Ui - и2 - (U3 - U4)/n. При этом, однако, нескомпенсированной остается погрешность, обусловленная температурной зависимостью константы Холла.
В алгоритме для устранения основных систематических погрешностей определения температуры датчика Холла использовано остаточное напряжение ин, пропорциональное удельному сопротивлению материала датчика, которое, в свою очередь, зависит от подвижности и концентрации носителей заряда, измеренное по четырехзажимной схеме (см. рис. i). Температурная зависимость константы Холла определяется концентрацией носителей заряда [4]. Наши исследования показали, что зависимость константы Холла от остаточного напряжения близка к линейной функции, с погрешностью 0,1 %, на нее влияет магнитное поле в диапазоне значений температуры 0—70 °С и магнитное поле до 10 мТл, эта зависимость может использоваться для компенсации температурной погрешности [5].
Пусть их0(мн) = их(В0, ин) — зависимость холловского напряжения от остаточного напряжения, зарегистрированная при калибровке магнитометра в постоянном магнитном поле с индукцией B0 при изменении температуры датчика. Тогда У(ин) = их0(ин)/В0 — зависимость крутизны преобразования от остаточного напряжения при фиксированном токе I через датчик Холла. При измерении регистрируются холловское и остаточное напряжения, а индукция магнитного поля вычисляется как
в = их(в, ижин). (1)
Разумеется, этот алгоритм можно реализовать с помощью микропроцессорной измерительной системы, например, на основе микроконтроллера. Принципиальная схема нанотес-лометра приведена на рис. 2 (DDI — ADuC847BS, DD2 — MT16S2D, DA1 — ADA4004-4ARZ, DA2, DA3 — TMP37GRT, VT1—VT4 — IRF7103Q, VT5 — КП501А, VD1—VD6 — BAS70-04PBF, ZQ1 — ПХЭ606117А).
Цифровая часть нанотеслометра состоит из микроконтроллера ADuC847BS (DD1) [6] и жидкокристаллического дисплея MT-16S2D (DD2). Дифференциальные усилители (У1 и У2 на рис. 1) на счетверенном малошумящем операционном усилителе DA1 (ADA4004-4ARZ) простроены по классической схеме потенциометрических усилителей. Для защиты микроконтроллера от превышения допустимого предела входных напряжений используется схема, построенная на сдвоенных диодах Шоттки VD1—VD6 (BAS70-04). Выходы дифференциальных усилителей соединены с входами мультиплексора (К9 и К10 на рис. 1), с его помощью программно выбирается усилитель, выходное напряжение которого будет измеряться. Программируемый усилитель обеспечивает оптимальный динамический диапазон АЦП, коэффициент усиления которого можно изменять от 1 до 128 в зависимости от величины входного напряжения.
Опорное напряжение для АЦП задается манганиновым шунтом R1 с сопротивлением 25 Ом, включенным последовательно с преобразователем Холла ZQ1 (ПХЭ608117А, Сенсор, Санкт-Петербург). Такая схема включения позволяет снизить требования к стабильности тока в измерительной цепи. Источник измерительного тока для датчика Холла ZQ1 и шунта R2 построен на транзисторе VT5 и резисторе R2. Контакты датчика коммутируются программно микроконтроллером DD^ помощью ключей VT1—VT4 (К1—К8 на рис. 1), в качестве которых используются полевые транзисторы IRF7103Q. Температура измерительных усилителей DA1 и источника опорного напряжения (ИОН), в качестве которого выступает резистор R1, измеряется с помощью датчиков температуры DA1 и DA2, в качестве которых использованы специализированные микросхемы TMP37GRT. Напряжения с этих датчиков, пропорциональные их температуре, подаются на входы АЦП микроконтроллера и могут использоваться для компенсации дополнительной погрешности, связанной с изменением температуры окружающей среды.
u s
Нанотеслометр питается от 8 аккумуляторов формата АА, формирующих рабочие напряжения +5 и -5 В (GB1 и GB2). С таким источником питания прибор может непрерывно работать в течение 24 часов.
После включения питания и инициализации микроконтроллера по четырехтактному алгоритму 100 раз измеряются значения напряжения U1—U4 на токовых (Т1 и Т2) и потенциальных (П1 и П2) контактах датчика Холла (рис. 1). Результаты измерений усредняются. Затем производится вычисление значения магнитного поля в соответствии с выражением
B = S(U1 - U2 + (U3 - Щ1п), (2)
величина S и п определяется при калибровке прибора. Далее измеряется температура DA1 и ИОН (см. рис. 2) и вычисляется остаточное напряжение U = U1 - U2 - (U3 - U4)/n.
Нанотеслометр собран на одной печатной плате размером 90*60 мм. Для уменьшения уровня шумов дифференциальные усилители на основе микросхемы DA1 и разъем XS1 для подключения датчика (рис. 2) помещены в медный экран размером 27x25x6 мм. Прибор не имеет элементов управления и не требует настройки в процессе эксплуатации.
При калибровке в первую очередь определялся коэффициент п, входящий в формулу (2). Для этого к разъему XS1 подключался мостовой эквивалент датчика Холла, состоящий из четырех одинаковых проволочных резисторов по 10 Ом и включенного в диагональ балансировочного резистора Яб = 10 кОм. Поскольку резистивная цепь является взаимной, при точной настройке независимо от величины остаточного напряжения, которое изменяется резистором Яб, невзаимное холловское напряжение должно равняться нулю. При калибровке коэффициент п программно подбирается так, чтобы при изменении остаточного напряжения в пределах ±1 мВ среднее квадратическое значение холловского напряжения было минимальным. В этом случае отношение UJU можно рассматривать как степень компенсации остаточного напряжения, подбором коэффициента п ее удается довести до 1000.
Нанотеслометр калибровался при помощи длинного соленоида, помещенного в магнитный экран. Нелинейность составила менее 0,1 % в диапазоне 10-6—10-2 Тл. Каждая точка на графике соответствовала среднему, определенному по 100 отсчетам, вычисляемым автоматически в течение одного цикла измерений длительностью 0,1 с.
Порог чувствительности нанотеслометра определяется спектральной интенсивностью приведенного ко входу магнитного шума. Она измерялась методом периодограмм Уэлша [7] по 100 выборкам из 4096 отсчетов каждая и составила 3 нТл>/е в полосе частот 0,1—45 Гц, фликкер-шум в этом частотном диапазоне отсутствует. Вычислительный алгоритм термоко-менсации [5] позволяет снизить погрешность измерения температуры в диапазоне 0—70 °С в 25 раз — с 0,25 (что соответствует температурному коэффициенту чувствительности датчика ПХЭ606117А) до 0,01 % на 1 °С.
Работа поддержана грантом Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере. Авторы благодарят фирму Analog Device за предоставленные образцы микроконтроллера и усилителей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. КучисЕ.В. Гальваномагнитные эффекты и методы их исследования. М.: Радио и связь, 1990. 264 с.
2. Файн В. М., Ханин Я. И. Квантовая радиофизика. М.: Сов. радио, 1965. 126 с.
3. Игнатьев В. К., Протопопов А. Г. Магнитометр на основе преобразователя Холла // Приборы и техника эксперимента. 2003. № 4. С. 116—120.
4. Средства измерения параметров магнитного поля / Ю. В. Афанасьев, Н. В. Студенцов, В. Н. Хореев и др. Л.: Энергия, 1979. 320 с.
54 В. Г. Галалу
5. Патент РФ № 2311655 G01R 33/07 Способ уменьшения погрешностей холловского магнитометра / В. К. Игнатьев. Опубл. 21.11.07. Бюл. № 33.
6. [Электронный ресурс]: <http://www.analog.com/en/prod/0%2C2877%2CADUC847%2C00.html>.
7. Марпл-мл. С. Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1990. 584 с.
Сведения об авторах
Антон Александрович Голубев — д-р физ.-мат. наук, профессор; Волгоградский государственный
университет, кафедра радиофизики; E-mail: axon85@yandex.ru Вячеслав Константинович Игнатьев — магистр; Волгоградский государственный университет, кафедра
радиофизики; E-mail: ignatjev@ vlpost.ru
Рекомендована университетом Поступила в редакцию
31.01.08 г.
УДК 681.335
В. Г.Галалу
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ КОД—НАПРЯЖЕНИЕ С СУММИРОВАНИЕМ ВЗВЕШЕННЫХ ТОКОВ НА АТТЕНЮАТОРЕ ЛЕСТНИЧНОГО ТИПА
Предложена обобщенная структура преобразователей код—напряжение (ПКН) с суммированием взвешенных токов на аттенюаторе лестничного типа, позволяющая минимизировать число прецизионных резисторов. Приводятся результаты экспериментального исследования 15—16-разрядных ПКН, пригодных для микроэлектронного исполнения.
Ключевые слова: преобразователь код—напряжение, суммирование взвешенных токов, аттенюатор лестничного типа.
Для преобразования 15-разрядного кода в выходное напряжение до двух вольт величина кванта преобразователя код—напряжение (ПКН) должна быть равна 61,03 мкВ и необходимо обеспечить формирование весовых коэффициентов (напряжений разрядов) с абсолютной погрешностью на уровне ±5мкВ. Это достаточно сложная задача, которая требует грамотных технических решений и тщательной настройки отдельных разрядов. В частности, к резисторам аттенюатора предъявляются два основных требования: минимально возможный ТКС (1—5ррт) и приемлемая долговременная стабильность (не хуже 10 ррт в год). Так как стоимость подгонки прецизионных резисторов достаточно высока, то желательно минимизировать число таких резисторов в ПКН. Кроме того, следует учесть возможность гибридного или микроэлектронного исполнения ПКН, что ограничивает величину резисторов (0,5—50 кОм) и общую рассеиваемую мощность (500 мВт). Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют ПКН с суммированием токов на аттенюаторах лестничного типа, распространенные в гибридном исполнении. Рассмотрим возможность сокращения количества прецизионных резисторов в таких ПКН.
На рис. 1 представлена известная структура 16-разрядного ЦАП — ключ, I = 0,М ) с суммированием одинаковых токов на аттенюаторе Я—2Я (Я1=Я, ЯС=Я, Я2=2Я). Можно показать, что коэффициент деления каждой ячейки аттенюатора К = 2 и сопротивление нагрузки каждого генератора тока составит 2/ЗЯ. Тогда выходное напряжение такого ПКН составит
а151 + а14 — + а13 — +... + а0 ■ 1
Uвых = 3 RI
n-1
V
2 "4 2n
