Синхронный усилитель для измерения разности сигналов с большой синфазной составляющей

• Автор: Баранов, Павел Федорович
• Шифр специальности: 05.11.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 155 с. : ил.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. Синхронные усилители с дифференциальным входом
1.1 Принцип работы синхронных усилителей с дифференциальным входом
1.2 Классификация синхронных усилителей с дифференциальным входом
1.2.1 Информативный параметр сравниваемых сигналов
1.2.2 Реализация алгоритма измерения во времени
1.2.3 Предварительное преобразование входных физических величин
1.2.4 Способ реализации основных функциональных блоков
1.2.5 Тип синхронного детектора
1.3 Принципы построения СУДВ
1.4 Сравнительные характеристики СУДВ
1.5 Выводы к главе
ГЛАВА 2. Повышение разрешающей способности СУДВ
2.1 Схемы выделения дифференциального сигнала
2.2 Выбор инструментального усилителя
2.3 Минимизация синфазной погрешности инструментального усилителя
2.4 Ошибки синхронного детектирования
2.5 Коррекция результата измерений
2.6 Вычисления фазового сдвига
2.7 Выводы к главе
ГЛАВА 3. Разработка СУДВ для сличения метрологических характеристик измерительных преобразователей
3.1 Структура разработанного СУДВ
3.2 Определение метрологических характеристик СУДВ
3.2.1 Определение входного сопротивления
3.2.2 Определение разрешающей способности
3.2.3 Определение диапазона частот сравниваемых напряжений
3.2.4 Определение динамического диапазона сравниваемых напряжений
3.3 Характеристики разработанного СУДВ
3.4 Программное обеспечение СУДВ
3.5 Выводы к главе
ГЛАВА 4. СУДВ в составе автоматизированной измерительной системы
4.1 Определение сопротивления токовых шунтов
4.2 Поверка индуктивных делителей напряжения
4.3 Концепция АИИС для проведения дистанционной
калибровки
4.4 Выводы к главе
Заключение
Литература
Приложение А. Сравнительный анализ СУДВ
Приложение Б. СУДВ. Руководство оператора
Приложение В. Делители напряжения индуктивные.
Методика поверки
Приложение Г. Акты внедрения результатов диссертационной работы
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
Непрерывно возрастающие требования к точности и достоверности измерений физических величин стимулируют непрерывное совершенствование измерительной техники, в частности измерительных преобразователей (ИП) физической величины в напряжение переменного тока, что в свою очередь требует опережающей разработки новых средств их метрологического обеспечения.
При подтверждении метрологических характеристик ИГ1 максимальную точность обеспечивает метод сравнения с мерой. Практическое применение метода невозможно без наличия высокочувствительных приборов сравнения, разрешающая способность которых во многом определяет минимальную погрешность измерений.
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) для измерения разности двух сигналов, в англоязычной литературе Lock-In Amplifier. В отечественной литературе синхронные усилители с дифференциальным входом также именуют как дифференциальный указатель и дифференциальный нановольтметр.
Для метрологического обеспечения ИП, таких как индуктивные делители напряжения (ИДИ), токовые шунты и т.д., при определении амплитудно-частотных характеристик цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей с учетом достигнутых разрядностей последних, необходимо обеспечить сравнение синфазных напряжений до 10 В среднеквадратического значения с разрешающей способностью до 10 нВ.
Современные СУДВ позволяют сравнивать напряжения с амплитудами не более 3 В и при заявленной максимальной разрешающей способности до 2 нВ имеют коэффициент ослабления синфазного сигнала около 100 - 120 дБ, что

В состав такого СУДВ входят дифференциальный усилитель (ДУ), ре-жекторный фильтр (РФ), усилитель с программируемым коэффициентом усиления (ПУ), усилитель ограничитель (УО), двухканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и DSP - процессор.
Сравниваемые напряжения м0(0 и UJJ) поступают на вход ДУ. Разностное напряжение Д U(t) фильтрует РФ с целью устранения сетевых помех на частотах 50/60 Гц и 100/120 Гц, затем усиливается ПУ и преобразуется в код первым каналом АЦП. Опорное напряжение urefi) преобразуется в код вторым каналом АЦП. Данные с выходов АЦП обрабатываются DSP - процессором, который программно реализует внутренний генератор опорной частоты (ВГ), фазовращатель (ФВ), два синхронных детектора (СД), и фильтры нижних частот (ФНЧ). В результате обработки оцифрованных данных синфазная Д[/с и квадратурная Д£/к вычисляются составляющие разностного сигнала. Также программно вычисляются модуль AU и фаза 0 разностного сигнала относительно опорного в соответствии с[59]:
Сравнительный анализ, приведенный в приложении А 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 на-, пряжений 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.

(1.17)