Устройство измерения отношения двух напряжений (стр. 3 из 10)

1.3 Методы построения усилителей постоянного тока

1.3.1 Дрейф нуля в усилителях постоянного тока

Дрейфом начального уровня или дрейфом нуля называется самопроизвольное изменение выходного напряжения при неизменном или равном нулю входном напряжении. Дрейф нуля является основным источником погрешностей в измерительных приборах, в которых необходимо усиливать сигналы постоянного напряжения [4,5,6].

Причины возникновения дрейфа начального уровня напряжения или тока в УПТ различные. Во-первых, колебания температуры окружающей среды вызывают изменения токов коллекторного и эмиттерного р-п переходов, напряжения база - эмиттер и коэффициента усиления тока биполярных транзисторов. У полевых транзисторов с изменением температуры также изменяются соответствующие параметры. Во-вторых, при изменении напряжений источников питания усилительных каскадов изменяется напряжение на выходе усилителя, даже если его входное напряжение оставалось неизменным. В-третьих, происходит старение параметров транзисторов, т. е. их изменение во времени. В-четвертых, в соединениях, выполненных с помощью паек, а также в других соединениях элементов или микросхем, которые являются неоднородными, могут возникать термоЭДС. Последние усиливаются в каскадах, и на выходе усилителя возникает изменение напряжения. Перечисленные дестабилизирующие факторы протекают медленно во времени и усиливаются наравне с входным медленно изменяющимся сигналом, вызывая определенную погрешность выходного напряжения.

Для уменьшения дрейфа начального напряжения в УПТ прямого усиления применяют специальные балансные или разностные схемы каскадов, а иногда электрическую изоляцию каскадов друг от друга с помощью оптопар, которая позволяет получить изолирующие каскады. В УПТ с преобразованием (модуляцией) усиливаемого сигнала уменьшение дрейфа нуля достигается другим способом, однако и здесь возникают трудности, которые преодолеть непросто.

1.3.2 Стабилизация точки покоя в транзисторных каскадах

Ток покоя выходной цепи усилительного каскада в рабочих условиях не должен сильно отклоняться от величины, обеспечивающей нормальную работу, так как иначе свойства каскада ухудшатся и он даже может стать неработоспособным.

При питании от одного источника достаточную стабильность тока покоя выходной цепи (или, что то же самое, достаточную стабильность положения точки покоя на семействе статических выходных характеристик транзистора), обеспечивающую работоспособность транзисторных каскадов при изменении температуры и замене транзисторов, можно получить при использовании схем стабилизации тока покоя выходной цепи (схем стабилизации точки покоя)[4,5].

Простейшей и наиболее экономичной из таких схем является коллекторная стабилизация (рис.1.5), в которой стабилизация положения точки покоя осуществляется параллельной отрицательной обратной связью по напряжению, снимаемой с коллектора транзистора.

Рисунок 1.5 - Коллекторная стабилизация точки покоя при включении

транзистора с общим эмиттером

Здесь к резистору R₁ приложена разность напряжения источника питания Е и падения питающего напряжения на сопротивлении коллекторной нагрузки Z. Если почему-либо ток покоя выходной цепи стремится возрасти, падение напряжения на Z увеличивается, приложенное к R₁ напряжение уменьшается и ток смещения базы падает, что не дает току покоя сильно увеличится; при стремлении тока покоя уменьшиться описанный процесс автоматического регулирования происходит обратным образом.

1.3.3 Дифференциальные каскады

Эффективным схемным решением, резко уменьшающим дрейф нуля, вызванный как температурной нестабильностью транзисторов, так и изменением питающих напряжений, является использование в усилителе так называемых дифференциальных каскадов[4,5,6].

Простейшая схема дифференциального каскада на биполярных транзисторах изображена на рис. 1.6. Если транзисторы одинаковы, то при любом большом значении их дрейфа потенциалы на коллекторах изменятся на одинаковую величину, а напряжение Uвых между ними останется неизменным. Таким образом, в этой схеме напряжение Uвых оказывается нечувствительным к синфазным сигналам, т. е. к дрейфу нуля. Для создания между коллекторами транзисторов полезного усиливаемого сигнала необходимо подавать его на базы транзисторов в противоположных фазах.

Для создания между коллекторами транзисторов полезного усиливаемого сигнала необходимо подавать его на базы транзисторов в противоположных фазах. В этом случае напряжениеUвых определяется только входным (дифференциальным) сигналом и совершенно не зависит от дрейфа нуля (синфазный сигнал).В реальных условиях полной идентичности транзисторов добиться нельзя и синфазные сигналы будут проникать на выход устройства, создавая выходное напряжение ошибки (дрейфа). Однако его величина в таком дифференциальном каскаде оказывается очень малой.

Рисунок 1.6 -Дифференциальный каскада на биполярных транзисторах

1.3.4 Усилители постоянного тока с преобразованием частоты усиливаемых сигналов

Для усиления сигналов с напряжением ниже сотен микровольт усилители постоянного тока прямого усиления непригодны, и для этой цели приходится использовать усилители постоянного тока с преобразованием частоты усиливаемых сигналов.

В таких усилителях напряжение усиливаемых сигналов, имеющих спектр частот от 0 до W при помощи балансного модулятора модулирует по амплитуде напряжение генератора несущей частоты w, в результате чего на выходе модулятора получают модулированные колебания несущей частоты со спектром боковых, частот w±W

Эти колебания подают на вход усилителя переменного тока рассчитанного на пропускание полосы частот w±W; усиленные модулированные колебания детектируются балансным демодулятором, выделяющим из этих колебаний усиленный сигнал первоначальной формы который после отфильтровывания остатка несущей частоты и ее гармоник поступает в нагрузку. Для неискаженного усиления несущая частота w должна по крайней мере в 5—10 раз превышать наивысшую частоту W_в усиливаемых сигналов.

Дрейф усилителей постоянного тока с преобразованием в основном определяется дрейфом балансного модулятора. К достоинствам усилителей постоянного тока с преобразованием можно отнести малый уровень дрейфа, отсутствие необходимости стабилизации источников питания, простоту введения обратной связи и регулировки усиления; их недостатком является сложность устройства, включающего в себя, кроме усилителя (У), генератор несущей частоты (Г), балансные модулятор (М), демодулятор (ДМ) и фильтр(фнч). В УПТ с модуляцией сигнала удаётся получить дрейф начального уровня менее 2мкВ/°С [6].Схема описываемого УПТ представлена на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 – Структурная схема усилителя постоянного тока с преобразованием частоты усиливаемых сигналов

1.4 Выводы

На основании анализа, проведенного в данном разделе обозначим основные принципы построения разрабатываемого устройства. Так для выполнения непосредственно операции деления в микропроцессоре необходимо воспользоваться алгоритмом деления, при котором числа представляются в формате с плавающей запятой. Это позволит обеспечить необходимую точность вычислений и избежать дополнительной погрешности при измерении отношения напряжений.

Усиливать входные сигналы стоит при помощи усилителей постоянного тока, в которых постоянное напряжение преобразуется в переменное, а только затем усиливается. Однако необходимости преобразовывать переменное напряжение обратно в постоянное при решении нашей задачи нет. Поэтому при реализации разрабатываемого устройства целесообразно перейти от сигналов с постоянным напряжением к переменным, что можно осуществить при помощи обычного коммутатора. Таким образом, это решение существенно облегчит реализацию усилительного тракта прибора и решит проблему дрейфа нуля, не увеличив при этом погрешность измерений. Так как в соответствии с техническим заданием динамический диапазон входных напряжений достаточно большой (60 дБ ) то в тракте усиления необходимо использовать усилитель с переменным коэффициентом передачи, которые в настоящее время выпускаются промышленностью. Это обеспечит сжатие динамического диапазона сигнала, поступающего на вход аналого-цифрового преобразователя АЦП. Такое решение позволяет резко снизить относительную погрешность, возникающую из-за квантования преобразуемого сигнала. Процесс обратного расширения динамического диапазона будет осуществлять в процессоре.

Для снижения погрешности, причиной которой являются шумы, необходимо применять малошумящие усилители. Кроме того необходимо будет реализовать цифровую фильтрацию, что обеспечит увеличение отношения сигнал – шум, а следовательно уменьшит погрешность измерения.