Синхронный усилитель с сигнальной инвариантностью к синфазному сигналу

Введение ………………………………………………………………………………………………………….. 5
Глава 1 Синхронные усилители ……………………………………………………………………. 11
1.1 Принцип работы синхронных усилителей …………………………………………… 11
1.2 Уровень современного развития синхронных усилителей ………………………… 18
1.3 Области применения синхронных усилителей …………………………………….. 20
1.4 Источники погрешностей функциональных блоков синхронных
усилителей ……………………………………………………………………………………….. 26
1.4.1 Инструментальный усилитель …………………………………………………… 26
1.4.2 Операционный усилитель …………………………………………………………. 31
1.4.3 Синхронный детектор……………………………………………………………….. 35
1.4.4 Аналогово-цифровой преобразователь………………………………………. 38
1.4.5 Фильтр нижних частот ……………………………………………………………… 39
Выводы к главе 1 ……………………………………………………………………………………… 40
Глава 2 Методы подавления синфазного сигнала ……………………………………….. 42
2.1 Выделение дифференциального сигнала ……………………………………………… 42
2.2 Схема компенсации синфазного сигнала …………………………………………….. 44
2.3 Схема на трех инструментальных усилителях …………………………………….. 48
2.4 Схема со следящим питанием……………………………………………………………… 50
2.4.1 Следящее питание с выходным каскадом на транзисторах ………… 53
2.4.2 Следящее питание с выходным каскадом на фотоэлектрических
модулях …………………………………………………………………………………… 56
2.5 Повышение точности повторителя напряжения …………………………………… 58
2.5.1 Фазовая компенсация повторителя напряжения ………………………… 58
2.5.2 Каскадирование повторителей напряжения ……………………………….. 66
Выводы к главе 2 ……………………………………………………………………………………… 72
Глава 3 Разработка двухканального аналогового синхронного усилителя … 74
3.1 Структурная схема синхронного усилителя ………………………………………… 74
3.2 Расчет и анализ блоков синхронного усилителя ………………………………….. 76
3.2.1 Блок выделения дифференциального сигнала ……………………………. 76
3.2.2 Повторитель напряжения с выходным каскадом на
комплементарных транзисторах ………………………………………………. 78
3.2.3 Повторитель напряжения с выходным каскадом на
фотоэлектрических модулях …………………………………………………….. 81
3.2.4 Определение нагрузочной способности повторителей……………….. 84
3.2.5 Разделительный трансформатор………………………………………………… 85
3.2.6 Программируемый трехкаскадный усилитель……………………………. 87
3.2.7 Двухкаскадный фильтр …………………………………………………………….. 90
3.2.8 Синхронный детектор……………………………………………………………….. 96
3.2.9 Выходной фильтр нижних частот ……………………………………………… 98
3.2.10 Устройство выборки и хранения ……………………………………………. 101
3.2.11 АЦП, микроконтроллер …………………………………………………………. 105
3.2.12 Источник питания …………………………………………………………………. 106
3.3 Определение метрологических характеристик синхронного усилителя 108
3.3.1 Определение коэффициента ослабления синфазного сигнала
синхронного усилителя ………………………………………………………….. 108
3.3.2 Оценка шумовой составляющей ……………………………………………… 110
3.3.3 Определение разрешающей способности синхронного
усилителя ………………………………………………………………………………. 113
3.3.4 Определение диапазона частот сравниваемых напряжений ……… 117
3.3.5 Определение диапазона сравниваемых напряжений ………………… 118
Выводы к главе 3 ……………………………………………………………………………………. 122
Глава 4 Разработка двухканального цифрового синхронного усилителя …. 123
4.1 Структурная схема блока цифровой обработки сигналов …………………… 123
4.2 Алгоритм работы программного обеспечения цифрового синхронного
усилителя ……………………………………………………………………………………… 125
4.3 Цифровой фильтр нижних частот ……………………………………………………… 127
4.4 Алгоритм цифровой фильтрации на основе дискретной временной
свертки……………………………………………………………………………………………… 136
4.5 Алгоритм цифровой фильтрации на основе быстрого преобразования
Фурье ……………………………………………………………………………………………….. 137
4.6 Фильтрация шумов……………………………………………………………………………. 139
4.7 Цифровое устройство выборки и хранения………………………………………… 144
4.8 Определение метрологических характеристик цифрового синхронного
усилителя …………………………………………………………………………………………. 146
4.8.1 Определение коэффициента ослабления синфазного сигнала
цифрового синхронного усилителя…………………………………………. 146
4.8.2 Оценка уровня шумов цифрового синхронного усилителя ………. 148
4.8.3 Определение разрешающей способности цифрового синхронного
усилителя ……………………………………………………………………………………….. 149
4.8.4 Определение диапазона частот сравниваемых напряжений ……… 153
4.8.5 Определение диапазона сравниваемых напряжений ………………… 155
Выводы к главе 4 ……………………………………………………………………………………. 158
Заключение ………………………………………………………………………………………………….. 159
Список литературы……………………………………………………………………………………… 161
Приложение А. Патент на изобретение «Аналоговый синхронный усилитель» . 176
Приложение Б. Свидетельство о Государственной регистрации программы для
ЭВМ «Цифровой обработчик сигнала синхронного усилителя» ……………………… 177
Приложение В. Патент на изобретение «Микромеханический гироскоп» ……….. 178
Приложение Г. Акты внедрения диссертационной работы ……………………………… 179

1. Проведен анализ источников погрешности функциональных блоков
синхронных усилителей, который показал, что основное влияние на
разрешающую способность в синхронных усилителях при сравнении
двух напряжений оказывает синфазная помеха в инструментальном
усилителе входного каскада, где непосредственно происходит
выделение дифференциального сигнала.
2. Для увеличения коэффициента ослабления синфазного сигнала в
схемах на инструментальных усилителях и построения синхронного
усилителя, обладающего инвариантностью к синфазному сигналу
предложено использовать схемы следящего питания на основе
повторителей напряжения с выходным каскадом на фотоэлектрических
модулях, что позволило увеличить коэффициент ослабления
синфазного сигнала на 80 дБ в диапазоне рабочих частот.
3. На основе предложенных схемотехнических решений разработан,
практически реализован и экспериментально апробирован аналоговый
синхронный усилитель, обладающий инвариантностью к синфазному
сигналу и реализующий одновременное сравнение входных сигналов
от 10√2 мкВ до 10√2 В по амплитудам синфазных и квадратурных
составляющих в диапазоне частот от 20 Гц до 100 кГц с разрешающей
способностью до 10 нВ.
4. Разработан алгоритм цифровой обработки измерительной информации
в синхронных усилителях с дифференциальным входом, который
позволил в 10 раз повысить разрешающую способность измерения
разности напряжений по сравнению с реализованным аналоговым
решением.
5. Совокупность разработанных схемотехнических решений для
организации следящего питания схемы выделения дифференциального
сигнала на основе фотоэлектрического модуля и алгоритмических
решений по цифровой обработке позволила увеличить коэффициент
ослабления синфазного сигнала микросхем инструментальных
усилителей на 100 дБ в диапазоне рабочих частот и практически
реализовать цифровой синхронный усилитель, обладающий
инвариантностью к синфазному сигналу, реализующий одновременное
сравнение входных сигналов от 10√2 мкВ до 10√2 В по амплитудам
синфазных и квадратурных составляющих в диапазоне частот от 20 Гц
до 100 кГц с разрешающей способностью до 1 нВ.
6. Результаты работы применены при выполнении следующих НИР:
РФФИ № 15-08-01007 «Научные основы проектирования синхронных
усилителей с дифференциальным входом для измерений малых
отклонений физических величин на фоне большой синфазной помехи»
2015-2017 гг; ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным
направлениям развития научно-технологического комплекса России»,
контракт № 14.575.21.0068 «Разработка методов проектирования
многокомпонентных интегрированных микроэлектромеханических
гироскопов и акселерометров, устойчивых к дестабилизирующим
воздействиям», 2014-2016 гг; ФЦП «Исследования и разработки по
приоритетным направлениям развития научно-технологического
комплекса России», контракт № 14.578.21.0232 «Интеллектуальный
инерциальный модуль на основе микроэлектромеханических датчиков
с функциями гироскопа, акселерометра и магнитометра для систем
ориентации и навигации транспортных средств с автоматизированным
управлением», 2017-2020 гг.
7. Разработанный синхронный усилитель используется: в
ООО «Машиностроительное предприятие «Ильма» при реализации
проекта по созданию системы навигации горнопроходческого
комбайна для обработки выходных сигналов с гироскопов и
акселерометров и в учебном процессе отделения Электронной
инженерии Томского политехнического университета, что
подтверждено актами внедрения результатов диссертационной работы.