CC BY
65
УДК 621.317.7.089.6
УРОВЕНЬ СОВРЕМЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ СИНХРОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ С ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ ВХОДОМ
П.Ф. Баранов, В.Н. Бориков
Томский политехнический университет E-mail: bpf@tpu.ru
Рассмотрен уровень современного технического развития синхронных усилителей с дифференциальным входом. Предложена классификация синхронных усилителей с дифференциальным входом по пяти основным параметрам, проведен сравнительный анализ отечественных и зарубежных разработок по основным характеристикам.
Ключевые слова:
Синхронный усилитель, дифференциальный метод, сравнение переменных напряжений, калибровка.
Современные тенденции в метрологии направлены на совершенствование следующих характеристик средств измерений [1]:
• повышение точности результатов измерений;
• расширение динамического диапазона;
• уменьшение уровня шума;
• увеличение быстродействия;
• уменьшение габаритных размеров;
• автоматизация процесса измерений;
• минимизация энергопотребления;
• увеличение срока службы;
• уменьшение стоимости.
Проблема повышения точности результатов измерений является важнейшим аспектом метрологии.
Для определения метрологических характеристик компонентов измерительной техники, таких как аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразовательных устройств [2, 3], в мостовых схемах измерения [4, 5], при измерениях ослабления аттенюаторов [6-9], коэффициента усиления операционных усилителей, при калибровке делителей напряжения [10, 11], трансформаторов тока [12, 13], токовых шунтов, вольтметров и т. д. максимальную точность обеспечивает метод сравнения с мерой.
Метод сравнения с мерой в общем случае предусматривает сопоставление измеряемой величины с величиной, воспроизводимой мерой. Практическое применение метода невозможно без наличия высокочувствительных приборов сравнения, разрешающая способность которых во многом определяет минимальную погрешность измерения.
В качестве приборов, обеспечивающих разрешающую способность порядка единиц нановольт при сравнении двух переменных сигналов в широком динамическом диапазоне частот и напряжений, распространение получили синхронные усилители с дифференциальным входом (СУДВ), в англоязычной литературе Lock-In Amplifier [14]. В отечественной литературе СУДВ также именуют как дифференциальный указатель [15] и дифференциальный нановольтметр [16].
Под синхронным усилителем с дифференциальным входом в общем случае понимается устройство сравнения двух сигналов, чувствительное только к заданной частоте, выходной
Баранов Павел Федорович,
аспирант кафедры точного приборостроения Института неразрушающего контроля, заведующий лабораторией технологий, систем и инструментов для автоматизированных сетевых лабораторных практикумов удаленного доступа ТПУ.
E-mail: bpf@tpu.ru Область научных интересов: методы и средства измерений электрических величин, графические программные технологии, аналитическое приборостроение, интеллектуальные системы.
Бориков Валерий Николаевич, канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой точного приборостроения Института неразрушающего контроля ТПУ.
E-mail: borikov@tpu.ru Область научных интересов: методы и средства измерений электрических величин, компьютеризация научных исследований.
сигнал которого пропорционален сигналу выбранной частоты, и предназначенное для реализации фазочувствительного обнаружения из шума полезного разностного сигнала.
Первый коммерческий синхронный усилитель был разработан компанией Princeton Applied Research в 1962 г. на базе лаборатории физики плазмы Принстонского университета.
Предлагается классифицировать синхронные усилители с дифференциальным входом по следующим параметрам (рис. 1):
• информативному параметру сравниваемых сигналов;
• реализации алгоритма измерения во времени;
• наличию или отсутствию предварительного преобразования входных физических величин;
• способу реализации основных функциональных блоков;
• типу синхронного детектора.
Рис. 1. Классификация синхронных усилителей с дифференциальным входом
Выходная величина СУДВ может быть представлена как абсолютная А и разность параметров 11, и 11,- сравниваемых входных сигналов:
' Аи = и0-их. (1)
Для разности входных сигналов (1) можно записать обобщенное выражение:
т
ш = ііг Лых(О-ы0(О|дг;
Л | х
о
(2)
^0(1) ^Х(1)’
}10с (0 - Мхс X М0к (0 - Мхк );
где их (/), и0 (О — мгновенные значения сравниваемых входных сигналов; П0т, — ампли-
тудные значения; П0(1}, Пх(1) — амплитуды первых гармоник; и0с ((), ихс ((), иок (/), иА () — значения
синфазных и квадратурных составляющих сигналов.
Из выражений (2) видно, что информативными параметрами при сравнении напряжений в СУДВ могут являться их действующие или средневыпрямленные значения, амплитуды, амплитуды первых гармоник, а также синфазные и квадратурные составляющие сигналов. Поэтому синхронные усилители с дифференциальным входом могут быть разделены на СУДВ сред-невыпрямленных, среднеквадратических (действующих) и амплитудных значений сравниваемых сигналов, а также на СУДВ, которые обеспечивают сличение напряжений по амплитудам синфазных и квадратурных составляющих сигналов.
Среднеквадратическое значение напряжения наименее чувствительно к изменению высших гармоник в спектрах эталонного %(0 и сравниваемого п^) сигналов и инвариантно к их фазовым сдвигам.
Если сигналы сличаются по их первым гармоникам, то по сравнению с разницей их действующих значений напряжений возникает методическая погрешность Ам:
где £рх, £р0 — коэффициент гармоник сигналов.
При использовании в СУДВ преобразователей средневыпрямленного значения, градуированного по эффективному значению, возникает методическая погрешность при преобразовании сигналов с формой, отличной от градуировочной (синусоидальной), которая может составить половину значения коэффициента гармоник:
Как следует из формул (3) и (4), методическая погрешность ДМ в общем случае не минимизируется из-за различия спектрального состава сравниваемых напряжений, тем более что одно из них — эталонное и0(і), как правило, является практически гармоническим.
Сличение напряжений и0(і) и и^і) по амплитудам синфазных и квадратурных составляющих сигналов позволяет разделить активную и реактивную составляющую сравниваемых сигналов.
В табл. 1 приведены сравнительные характеристики отечественных СУДВ.
ДУ-12А и ДУ-12М серийно выпускались на Невинномысском заводе измерительных приборов и Харьковском заводе электроаппаратуры, соответственно.
В табл. 2 приведены сравнительные характеристики зарубежных СУДВ выпускаемых серийно и коммерчески доступных.
(3)
(4)
Таблица 1. Характеристики отечественных СУДВ
Модель, производитель, год выпуска Входные сопротивление, емкость
Диапазон частот, кГц Максимальное входное напряжение, В Разрешающая способность, нВ
ДУ-5, СССР, 1976 г. 0,02... 1000 15 50-103 10 МОм, 4 пФ
ДУ-10, СССР 1977 г. 0, 5 5 0 10 40-103 1 МОм, 10 пФ
ДУ-11, СССР 1976 г. 0,02.10000 30 50-103 1 МОм, 5 пФ
ДУ-12А, СССР 1978 г. 0,02.200 15 200 1 ГОм, 10 пФ
ДУ-12М, СССР 1980 г. 0,02.200 15 100 1 ГОм, 10 пФ
ДУ-13, СССР 1982 г. 0,02.200 15 200-103 3 МОм, 10 пФ
ДУ-16, СССР 1986 г. 0,02.100 15 100 1 ГОм, 10 пФ
ДНВ-1, Россия, 2009 г. 2 <N 0, 10 30 10 МОм, 10 пФ
Таблица 2. Характеристики зарубежных СУДВ
Разрешающая способность, нВ Входные сопротивление, емкость
Модель, производитель Диапазон частот, кГц Максимальное входное напряжение, В
SR850, Stanford Research Systems, США МО'6...102,4 1 2 10 МОм, 25 пФ
SR830, Stanford Research Systems, США МО'6... 102,4 1 2 10 МОм, 25 пФ
SR810, Stanford Research Systems, США МО'6...102,4 1 2 10 МОм, 25 пФ
SR124, Stanford Research Systems, США 2-10"4...200 0.5 100 10 МОм, 35 пФ
SR530, Stanford Research Systems, США 5-10"4... 100 0.5 100 100 МОм, 35 пФ
SR510, Stanford Research Systems, США 5-10"4... 100 0.5 100 100 МОм, 35 пФ
7124, Signal Recovery, США 5-10"4... 150 1 2 10 МОм, 25 пФ
7270, Signal Recovery, США МО'6...250 1 2 10 МОм, 25 пФ
7230, Signal Recovery, США МО'6...120 1 10 10 МОм, 25 пФ
7280, Signal Recovery, США 5-10"4...2000 1 100 100 МОм, 25 пФ
7265, Signal Recovery, США МО'6...250 1 2 10 МОм, 30 пФ
7225, Signal Recovery, США МО'6...120 1 2 10 МОм, 30 пФ
5210, Signal Recovery, США МО'6...120 3 100 100 МОм, 25 пФ
Внешний вид СУДВ 7265 и SR124 приведен на рис. 2, а типовая функциональная схема серийно выпускаемых СУДВ приведена на рис. 3.
Рис. 2. Синхронные усилители с дифференциальным входом 7265 Signal Recovery (а), SR124 Stanford Research Systems (б)
Рис. 3. Типовая функциональная схема серийно выпускаемого СУДВ
В состав такого СУДВ входят дифференциальный усилитель (ДУ), режекторный фильтр (РФ), усилитель с программируемым коэффициентом усиления (ПУ), усилитель ограничитель (УО), двухканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и DSP-процессор.
Сравниваемые напряжения и0(0 и нх(0 поступают на вход ДУ. Разностное напряжение ЛЩО фильтрует РФ с целью устранения сетевых помех на частотах 50/60 и 100/120 Гц, затем усиливается ПУ и преобразуется в код первым каналом АЦП. Опорное напряжение иге^) преобразуется в код вторым каналом АЦП. Данные с выходов АЦП обрабатываются DSP-процессором, который программно реализуется с помощью внутреннего генератора опорной частоты (ВГ), фазовращателя (ФВ), двух синхронных детекторов (СД) и фильтра нижних частот (ФНЧ). В результате обработки оцифрованных данных вычисляется синфазная ЛиС и квадратурная АI/к- составляющие разностного сигнала. Кроме этого программно вычисляются амплитуда Д£/и фаза 0 разностного сигнала относительно опорного [17]:
Аи = у1Аи2с+Аи1
а * ГАик )
0 = агс1в -— .
Сравнительный анализ коммерчески доступных зарубежных СУДВ и отечественных разработок показал:
1. Большинство зарубежных СУДВ имеют: максимальное входное напряжение не более 1 В, диапазон рабочих частот от 1 мГц до 100.250 кГц, разрешающую способность 2 или 100 нВ, входное сопротивление 10 или 100 МОм и входную емкость 25.35 пФ.
2. Большинство отечественных СУДВ разрабатывались для сравнения напряжений до 15 В в диапазоне частот от 20 Гц до 200 кГц с разрешающей способностью до 100 нВ, входным сопротивлением до 1 ГОм и входной емкостью не более 10 пФ.
Значительный разброс характеристик отечественных СУДВ, приведенных в табл. 1, объясняется различными схемотехническими решениями и узкоспециализированными задача-
ми, для которых СУДВ разрабатывались, например, определение коэффициента передачи масштабных преобразователей, поверка генераторов калибраторов, измерение малых перемещений емкостных датчиков и др.
Современные СУДВ, выпускаемые зарубежными производителями, практически все строятся на основе АТ ЦП с последующей программной обработкой с помощью DSP-процессора, на основе которого реализуются СД, ФНЧ и математические операции. Все они имеют микропроцессорное управление для использования в составе измерительно-информационных систем.
Анализ технической документации современных СУДВ показал, что при заявленной разрешающей способности 2 нВ и коэффициенте ослабления синфазного сигнала 100.120 дБ, сравнение двух сигналов с напряжением 1 В даст реальную разрешающую способность 1 мкВ.
Вывод
Для проведения работ по калибровке масштабных измерительных преобразователей, таких как индуктивные делители напряжения и токовые шунты, при определении амплитудночастотных характеристик ЦАП и АЦП методом сравнения с мерой, необходимо обеспечить сравнение напряжений до 10 В среднеквадратического значения с разрешающей способностью до единиц нановольт без ухудшения входного импеданса по измерительным входам СУДВ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Regtien P.P.L. Measurement science for engineers. - London: Kogan Page Ltd., 2004. - 358 p.
2. Аналого-цифровое преобразование / под ред. У. Кестера. - М.: Техносфера, 2007. - 1016 с.
3. Данилов А. А. Методы и средства оценивания нелинейности функции преобразования измерительных преобразователей. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2001. - 140 с.
4. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин: (измерительные преобразователи). - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1983. - 320 с.
5. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений. - М.: Мир, 1990. - 535 с.
6. Гриневич Ф.Б., Грохольский А.Л., Соболевский К.М., Цапенко М.П. Трансформаторные измерительные мосты / под ред. К. Б. Карандеева. - М.: Энергия, 1970. - 280 с.
7. Hsu J.C., Yisha Ku. Comparison of capacitance with resistance by IVD-based quadrature bridge at frequencies from 50 Hz to 10 kHz // CPEM Conference Digest, 2005. - P. 429-430.
8. Sedlacek R.A. Wide-Range Maxwell-Wien Bridge Utilizing Inductive Voltage Dividers and Precision Electronic Circuits // Proc. of Instrum. and Meas. Techn. Conference IMTC-2005. - Canada, Ottawa, May 17-19, 2005. - P. 1341-1344.
9. Kawakami T., et al. RF Attenuation Measurement System with 1-kHz Voltage Ratio Standard // IEEE Trans. on Instrum. and Meas. - 1993. - V. 42. - № 6. - P. 1014-1019.
10. Callegaro L., D'Elia V. Guarded Vector Voltmeter for AC Ratio Standard Calibration // IEEE Trans. on Instrum. and Meas. - 2002. - V. 51. - № 4. - P. 632-635.
11. Sze W.S. Comparator for Calibration of Inductive Voltage Dividers from 1 to 10 kHz // ISA Transactions. - 1967. - V. 6. - № 4. - P. 263-267.
12. Kusters N.L., Moore W.J.M. The Development and Performance of Current Comparators for Audio Frequencies // IEEE Trans. Instrum. Meas. - 1965. - V. 14. - № 4. - P. 178-198.
13. Dunfee B.L., Moore W.J.M. An International Comparison of Current Ratio Standards at Audio Frequencies // IEEE Trans. Instrum. Meas. - 1965. - V. 14. - № 4. - P. 172-177.
14. Meade M.L. Lock-in amplifiers: Principles and Applications. - London: Peter Peregrinus Ltd., 1983. - 246 p.
15. Цимбалист Э.И., Мержа А.Н., Ройтман М.С. Дифференциальные указатели напряжений переменного тока // Измерения, контроль, автоматизация. - 1994. - № 1-2 (83). - С. 11-23.
16. Ким В.Л. Методы и средства повышения точности индуктивных делителей напряжения. -Томск: Изд-во Томского политехн. ун-та, 2009. - 214 с.
17. Model SR830 DSP Lock-In Amplifier. User's Manual. - Stanford Research Systems, 2006. - 178 p.
Поступила 04.02.2013 г.
