CC BY
115
Пучков М.В. , Светлов А.В., Чайковский В.С. ИЗМЕРЕНИЕ ШУМОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ NATIONAL INSTRUMENTS
Измерение шумовых параметров операционных усилителей (ОУ) [1] является одной из сложнейших задач, решаемых при входном контроле ОУ на предприятиях. Применяемое оборудование должно реализовывать установленные ГОСТ 23 0 8 9.12-8 6 методы измерения шумовых параметров ОУ:
- метод измерения нормированной э.д.с. и нормированного тока шума, основанный на выделении отдельных участков спектра шума с помощью узкополосных филь тров с дальнейшим измерением переменного напряжения; ширина полосы пропускания филь тров составляет 0,3 от центральной частоты; центральных частот - 7 в диапазоне от 10 Гц до 10 0 кГц;
- метод измерения эффективного значения напряжения шума ОУ, основанный на выделении заданной полосы шумового спектра ОУ, осуществляемом широкополосным фильтром с дальнейшим измерением эффективного значения напряжения шума, приведенного ко входу; полоса пропускания фильтра - от 20 Гц до 20 кГц;
- метод измерения размаха шума, основанный на детектировании шумов двух полярностей с дальнейшим суммированием пиковых значений напряжений; полоса пропускания фильтра - от 0,1 Гц до 10 Гц.
Предложенные в названном ГОСТе примеры аппаратной реализации методов измерения шумовых параметров ОУ предполагают применение набора полосовых фильтров, широкополосного или перестраиваемого по частоте измерителя переменного напряжения, двух пиковых детекторов, сумматора и измерителя постоянного напряжения. Схема измерения по всем трем методам получается громоздкой. Процедура последовательного измерения всех шумовых параметров на всех заданных частотах из-за большого числа коммутаций требует значительных затрат времени.
С целью упрощения аппаратной реализации и повышения производительности труда при входном контроле ОУ разработан стенд с применением аппаратно-программных средств фирмы National Instruments (NI), позволяющий автоматизировать операции измерения, фильтрации, накопления измерительной информации, её статистической обработки и документирования.
Аппаратная часть стенда (рисунок 1) включает в себя: измерительную схему с блоком питания; стандартное устройство ввода/вывода данных (Data Acquisition - DAQ) М-серии PCI-6251 и персональный компьютер.
Измерительная схема содержит построенный на базе исследуемого ОУ1 неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления K = 25 и дополнительный неинвертирующий усилитель на базе прецизионного малошумящего ОУ2, доводящий общий коэффициент усиления измерительной схемы до 1000. С помощью программно управляемого переключателя S1 (герконовое реле) неинвертирующий вход ОУ1 подключается к общему выводу непосредственно при измерении нормированной э.д.с. шума или через резистор R3, имитирующий сопротивление источника шума, при измерении нормированного тока шума.
Серьезной проблемой, подлежащей решению, является предотвращение ограничения выходного напряжения дополнительного усилительного каскада на ОУ2 из-за напряжения смещения исследуемого ОУ1. Применение традиционного способа развязки каскадов усилителя по постоянному току с помощью разделительного конденсатора не позволяет достоверно воспроизвести на выходе измерительной схемы самые низкочастотные составляющие шумов исследуемого ОУ. Например, при емкости разделительного конденсатора в 100 мкФ составляющая спектра шума с частотой 0,1 Гц будет ослаблена на 30%. С целью устранения этого ограничения и расширения диапазона измерения до частот в десятые доли герц (фактически - это флуктуации напряжения смещения или дрейф нуля) предложено использовать следящую систему автоматического регулирования напряжения смещения на входе дополнительного усилительного каскада на ОУ2. Программой обработки результатов измерения определяется постоянная составляющая выходного напряжения измерительной схемы и формируется управляющий цифровой код, подаваемый через устройство ввода/вывода данных DAQ на управляющий вход цифрового потенциометра ЦП, задающего напряжение смещения на входе ОУ2, при котором постоянная составляющая его выходного напряжения минимальна. Постоянная времени цепи обратной связи полученной системы автоматического регулирования подбирается в соответствии с заданной нижней границей диапазона частот шумов.
Программное обеспечение стенда, созданное в среде LabVIEW, обеспечивает оцифровку шумового сигнала на выходе измерительной схемы и сохранение его на жестком диске в виде массива в файле открытого формата, что позволяет использовать его в любом другом приложении. Программная обработка записанного сигнала предусматривает определение нормированной э.д.с. и нормированного тока шума ОУ в заданных полосах частот, эффективного значения напряжения шума и размаха шума.
Питание измерительной схемы осуществляется от электрохимических источников тока с целью устранения шумов источника питания. Для защиты от внешних наводок измерительная схема помещена в электромагнитный экран.
Стенд имеет следующие преимущества перед известными измерителями шумовых параметров ОУ:
- существенно упрощена аппаратная часть; исключены "реальные" полосовые фильтры, за счет чего значительно повышена стабильность параметров аппаратной части, которая теперь не требует периодической проверки и подстройки;
- существенно сокращено время измерений, т. к. требуется только один программно управляемый физический эксперимент вместо множества экспериментов с ручными коммутациями и видоизменением схемы измерения;
- повышена достоверность оценки шумовых параметров ОУ за счет возможности накопления и обработки измерительной информации за более продолжительное время наблюдения по сравнению с показывающими измерителями напряжения;
- имеется возможность увеличения числа полос частот, в пределах которых определяется нормированная э.д.с. шума, причем это обеспечивается программными средствами;
- записанная в виде файла реализация шумового сигнала ОУ может многократно использоваться для различных видов анализа, статистической обработки, сопоставления с результатами других экспериментов;
- по результатам обработки шумового сигнала может быть создана модель шумовых свойств ОУ, используемая при схемотехническом моделировании электронных устройств на ОУ с применением программ PSpice, OrCAD и др.
ЛИТЕРАТУРА
1. Noise Analysis in Operational Amplifier Circuits. Application Report. Texas Instruments Inc. SLVA043, 19 98.
2. Шумовые параметры операционных усилителей / П. Борщ, В. Семенов // Радиохобби. - 2000. - № 1. -С. 58 - 62.
