Помощь студентам в учебе
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
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
Актуальность темы
При измерениях малых отклонений напряжения, порядка 1 мкВ и менее, актуальной является проблема выделения полезного сигнала на фоне помех. Данная проблема актуальна при метрологическом обеспечении измерительных преобразователей, таких как делители напряжения, токовые шунты, усилители и т.д., при определении амплитудно-частотных характеристик цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей, измерениях колебаний микромеханических инерциальных датчиков (гироскопов, акселерометров) и др.
В настоящее время для измерения малых отклонений на фоне помех различной природы при измерении переменных сигналов в широком динамическом диапазоне частот и напряжений в качестве средства сравнения (ноль-индикатора) применяют синхронные усилители с дифференциальным входом.
Разрешающая способность синхронных усилителей и соответственно точность измерений во многом определяется коэффициентом ослабления синфазного сигнала в измерительном канале синхронного усилителя. Под синфазным сигналом будем понимать полусумму сравниваемых напряжений, действующих на измерительных входах синхронного усилителя. Например, для сравнения двух напряжений амплитудой 10 В с разрешающей способностью 1 нВ, коэффициент ослабления синфазного сигнала должен составлять более 200 дБ.
Разрешающая способность лучших коммерчески доступных синхронных усилителей составляет 1 нВ и ограничена коэффициентом ослабления синфазного сигнала порядка 100 - 120 дБ, а максимальное входное напряжение не превышает 1 - 3 В, что недостаточно, например, для метрологического обеспечения
современных средств измерений, где требуется сравнение напряжений до 10 В среднеквадратического значения с разрешающей способностью до единиц нановольт.
Для достижения реальной разрешающей способности в 1 - 10 нВ в
синхронном усилителе при сравниваемых напряжениях амплитудой более 1 В необходимо достичь полной или частичной независимости результата измерительных преобразований от синфазного сигнала, то есть реализовать сигнальную инвариантность к синфазному сигналу.
Целью диссертационной работы является разработка, аппаратнопрограммная реализация и экспериментальное исследование синхронного усилителя с дифференциальным входом, обладающего сигнальной инвариантностью к синфазному сигналу.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи исследования:
1. Анализ факторов, ограничивающих разрешающую способность измерения в синхронных усилителях с дифференциальным входом.
2. Поиск возможных схемотехнических и алгоритмических способов увеличения разрешающей способности измерения в синхронных усилителях с дифференциальным входом.
3. Разработка, изготовление и экспериментальное исследование синхронного усилителя с дифференциальным входом, обладающего сигнальной инвариантностью к синфазному сигналу.
4. Создание и исследование алгоритмов цифровой обработки измерительной информации в синхронных усилителях с дифференциальным входом для повышения разрешающей способности.
Методы исследования. Теоретическая часть работы выполнена на основе методов теории электрических цепей, теории графов, теории погрешностей, дифференциального и интегрального исчисления, математического моделирования. При расчетах и моделировании использовались программные пакеты Mathcad, Multisim, Statistica, LabVIEW. Экспериментальные исследования проводились в метрологических лабораториях.
Достоверность полученных результатов диссертационной работы подтверждается совпадением с достаточной на практике точностью экспериментальных данных, полученных при апробации синхронного усилителя с применением эталонных средств измерений, с результатами моделирования и теоретических исследований. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях с использованием современных прецизионных средств измерений, прошедших периодическую поверку.
Научная новизна работы
1. Разработано и исследовано устройство выделения дифференциального
сигнала на основе фотоэлектрического модуля, позволяющая
реализовать синхронный усилитель с дифференциальным входом, обладающий сигнальной инвариантностью к синфазному сигналу.
2. Предложен и экспериментально проверен алгоритм цифровой фильтрации на основе последовательного включения sinc-фильтра, фильтров среднего и Калмана, который позволил в 10 раз повысить разрешающую способность измерения разности напряжений в синхронных усилителях.
3. Реализован и экспериментально исследован синхронный усилитель для измерения разности переменных напряжений с разрешающей способностью до 1 нВ.
Практическая ценность работы. Разработанный в ходе диссертационных исследований синхронный усилитель может найти широкое применение в метрологической практике, как средство сравнения с мерой, в физическом эксперименте как высокочувствительный полосовой фильтр, в химическом анализе для выделения зашумленных откликов реакций, в навигационной технике для анализа и настройки микромеханических сенсоров угловой скорости и ускорения, и многих других областях.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований использованы при выполнении следующих НИР:
• Грант Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук № МК-
873.2020.8 Высокочувствительные средства сравнения для передачи единиц физических величин, 2020 г.
• Грант РФФИ № 15-08-01007 "Научные основы проектирования
синхронных усилителей с дифференциальным входом для измерений малых отклонений физических величин на фоне большой синфазной помехи", 2016-2017 гг.
• Грант 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.
• Грант 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.
Результаты работы также используются: в ООО «Машиностроительное предприятие «Ильма» при реализации проекта по созданию системы навигации горнопроходческого комбайна для обработки выходных сигналов с гироскопов и акселерометров; в учебном процессе в отделение Электронной инженерии Томского политехнического университета.
Положения, выносимые на защиту
1. Использование фотоэлектрического модуля для организации следящего питания схемы выделения дифференциального сигнала позволяет увеличивать коэффициент ослабления синфазного сигнала микросхем инструментальных усилителей на 80 дБ в диапазоне рабочих частот.
2. Использование разработанного алгоритма обработки измерительной информации в синхронных усилителях с дифференциальным входом позволяет в 10 раз повысить разрешающую способность измерения разности напряжений.
3. Разработанный цифровой синхронный усилитель с дифференциальным входом, позволяет производить сравнение двух напряжений амплитудой до 10 В среднеквадратического значения с разрешающей способностью до 1 нВ в диапазоне частот от 20 Гц до 100 кГц.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
• V Международный молодёжный форум «Инженерия для освоения космоса», г. Томск, 2017 г.;
• XI Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (НТИ-2017), г. Новосибирск, 2017 г.;
• VI Международный молодёжный форум «Инженерия для освоения космоса», т. Томск, 2018 г.;
• XII Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (НТИ-2018), г. Новосибирск, 2018 г.;
• XIII Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (НТИ-2019), г. Новосибирск, 2019 г.;
• 4th International Conference on Mechatronics and Electrical Systems (ICMES 2019), г. Прага, Республика Чехия, 2019 г.
Публикации. Основные результаты исследований отражены в 11 публикациях: 3 статьи в изданиях, индексируемых в базах данных Web of Science (WoS) и Scopus; 5 статей в рецензируемых научных сборниках трудов международных и российских конференций; 2 патента на изобретение, 1 свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 157 наименования и приложений. Работа содержит 181 страницы основного текста, включая 101 рисунок и 43 таблицы.
В первой главе описан принцип работы синхронных усилителей. Рассмотрены уровень развития современных синхронных усилителей, их типовая функциональная схема, приведены типовые метрологические характеристики. Проводится анализ источников погрешностей основных функциональных блоков, входящих в структуру синхронного усилителя с дифференциальным входом.
Во второй главе рассмотрены методы подавления синфазного сигнала в схемах выделения дифференциального сигнала на инструментальных усилителях. Анализируются схемы компенсации синфазного сигнала, коррекции показаний на основе информации о синфазном сигнале и схемы следящего питания для увеличения коэффициента ослабления синфазного сигнала. Для схем следящего питания предлагаются способы повышения точности, и проводится их экспериментальная апробация.
В третьей главе описана разработка двухканального аналогового синхронного усилителя на основе решений, предложенных во второй главе. Приведены схемотехнические решения по реализации отдельных блоков аналогового синхронного усилителя. Проведена экспериментальная оценка характеристик разработанных блоков синхронного усилителя. Определены метрологические характеристики изготовленного двухканального аналогового синхронного усилителя.
В четвертой главе приводится описание работ по совершенствованию разработанного в третьей главе аналогово синхронного усилителя, замене части аналоговых блоков на их цифровые эквиваленты и повышению разрешающей способности синхронного усилителя с дифференциальным входом за счет применения алгоритмов цифровой обработки сигналов. Приводится описание разработанного алгоритма цифровой обработки сигналов и созданного программного обеспечения. Проводится определение метрологических характеристик цифрового двухканального синхронного усилителя и сравнение с достигнутыми метрологическими характеристиками разработанного аналогового синхронного усилителя.
При измерениях малых отклонений напряжения, порядка 1 мкВ и менее, актуальной является проблема выделения полезного сигнала на фоне помех. Данная проблема актуальна при метрологическом обеспечении измерительных преобразователей, таких как делители напряжения, токовые шунты, усилители и т.д., при определении амплитудно-частотных характеристик цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей, измерениях колебаний микромеханических инерциальных датчиков (гироскопов, акселерометров) и др.
В настоящее время для измерения малых отклонений на фоне помех различной природы при измерении переменных сигналов в широком динамическом диапазоне частот и напряжений в качестве средства сравнения (ноль-индикатора) применяют синхронные усилители с дифференциальным входом.
Разрешающая способность синхронных усилителей и соответственно точность измерений во многом определяется коэффициентом ослабления синфазного сигнала в измерительном канале синхронного усилителя. Под синфазным сигналом будем понимать полусумму сравниваемых напряжений, действующих на измерительных входах синхронного усилителя. Например, для сравнения двух напряжений амплитудой 10 В с разрешающей способностью 1 нВ, коэффициент ослабления синфазного сигнала должен составлять более 200 дБ.
Разрешающая способность лучших коммерчески доступных синхронных усилителей составляет 1 нВ и ограничена коэффициентом ослабления синфазного сигнала порядка 100 - 120 дБ, а максимальное входное напряжение не превышает 1 - 3 В, что недостаточно, например, для метрологического обеспечения
современных средств измерений, где требуется сравнение напряжений до 10 В среднеквадратического значения с разрешающей способностью до единиц нановольт.
Для достижения реальной разрешающей способности в 1 - 10 нВ в
синхронном усилителе при сравниваемых напряжениях амплитудой более 1 В необходимо достичь полной или частичной независимости результата измерительных преобразований от синфазного сигнала, то есть реализовать сигнальную инвариантность к синфазному сигналу.
Целью диссертационной работы является разработка, аппаратнопрограммная реализация и экспериментальное исследование синхронного усилителя с дифференциальным входом, обладающего сигнальной инвариантностью к синфазному сигналу.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи исследования:
1. Анализ факторов, ограничивающих разрешающую способность измерения в синхронных усилителях с дифференциальным входом.
2. Поиск возможных схемотехнических и алгоритмических способов увеличения разрешающей способности измерения в синхронных усилителях с дифференциальным входом.
3. Разработка, изготовление и экспериментальное исследование синхронного усилителя с дифференциальным входом, обладающего сигнальной инвариантностью к синфазному сигналу.
4. Создание и исследование алгоритмов цифровой обработки измерительной информации в синхронных усилителях с дифференциальным входом для повышения разрешающей способности.
Методы исследования. Теоретическая часть работы выполнена на основе методов теории электрических цепей, теории графов, теории погрешностей, дифференциального и интегрального исчисления, математического моделирования. При расчетах и моделировании использовались программные пакеты Mathcad, Multisim, Statistica, LabVIEW. Экспериментальные исследования проводились в метрологических лабораториях.
Достоверность полученных результатов диссертационной работы подтверждается совпадением с достаточной на практике точностью экспериментальных данных, полученных при апробации синхронного усилителя с применением эталонных средств измерений, с результатами моделирования и теоретических исследований. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях с использованием современных прецизионных средств измерений, прошедших периодическую поверку.
Научная новизна работы
1. Разработано и исследовано устройство выделения дифференциального
сигнала на основе фотоэлектрического модуля, позволяющая
реализовать синхронный усилитель с дифференциальным входом, обладающий сигнальной инвариантностью к синфазному сигналу.
2. Предложен и экспериментально проверен алгоритм цифровой фильтрации на основе последовательного включения sinc-фильтра, фильтров среднего и Калмана, который позволил в 10 раз повысить разрешающую способность измерения разности напряжений в синхронных усилителях.
3. Реализован и экспериментально исследован синхронный усилитель для измерения разности переменных напряжений с разрешающей способностью до 1 нВ.
Практическая ценность работы. Разработанный в ходе диссертационных исследований синхронный усилитель может найти широкое применение в метрологической практике, как средство сравнения с мерой, в физическом эксперименте как высокочувствительный полосовой фильтр, в химическом анализе для выделения зашумленных откликов реакций, в навигационной технике для анализа и настройки микромеханических сенсоров угловой скорости и ускорения, и многих других областях.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований использованы при выполнении следующих НИР:
• Грант Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук № МК-
873.2020.8 Высокочувствительные средства сравнения для передачи единиц физических величин, 2020 г.
• Грант РФФИ № 15-08-01007 "Научные основы проектирования
синхронных усилителей с дифференциальным входом для измерений малых отклонений физических величин на фоне большой синфазной помехи", 2016-2017 гг.
• Грант 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.
• Грант 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.
Результаты работы также используются: в ООО «Машиностроительное предприятие «Ильма» при реализации проекта по созданию системы навигации горнопроходческого комбайна для обработки выходных сигналов с гироскопов и акселерометров; в учебном процессе в отделение Электронной инженерии Томского политехнического университета.
Положения, выносимые на защиту
1. Использование фотоэлектрического модуля для организации следящего питания схемы выделения дифференциального сигнала позволяет увеличивать коэффициент ослабления синфазного сигнала микросхем инструментальных усилителей на 80 дБ в диапазоне рабочих частот.
2. Использование разработанного алгоритма обработки измерительной информации в синхронных усилителях с дифференциальным входом позволяет в 10 раз повысить разрешающую способность измерения разности напряжений.
3. Разработанный цифровой синхронный усилитель с дифференциальным входом, позволяет производить сравнение двух напряжений амплитудой до 10 В среднеквадратического значения с разрешающей способностью до 1 нВ в диапазоне частот от 20 Гц до 100 кГц.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
• V Международный молодёжный форум «Инженерия для освоения космоса», г. Томск, 2017 г.;
• XI Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (НТИ-2017), г. Новосибирск, 2017 г.;
• VI Международный молодёжный форум «Инженерия для освоения космоса», т. Томск, 2018 г.;
• XII Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (НТИ-2018), г. Новосибирск, 2018 г.;
• XIII Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (НТИ-2019), г. Новосибирск, 2019 г.;
• 4th International Conference on Mechatronics and Electrical Systems (ICMES 2019), г. Прага, Республика Чехия, 2019 г.
Публикации. Основные результаты исследований отражены в 11 публикациях: 3 статьи в изданиях, индексируемых в базах данных Web of Science (WoS) и Scopus; 5 статей в рецензируемых научных сборниках трудов международных и российских конференций; 2 патента на изобретение, 1 свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 157 наименования и приложений. Работа содержит 181 страницы основного текста, включая 101 рисунок и 43 таблицы.
В первой главе описан принцип работы синхронных усилителей. Рассмотрены уровень развития современных синхронных усилителей, их типовая функциональная схема, приведены типовые метрологические характеристики. Проводится анализ источников погрешностей основных функциональных блоков, входящих в структуру синхронного усилителя с дифференциальным входом.
Во второй главе рассмотрены методы подавления синфазного сигнала в схемах выделения дифференциального сигнала на инструментальных усилителях. Анализируются схемы компенсации синфазного сигнала, коррекции показаний на основе информации о синфазном сигнале и схемы следящего питания для увеличения коэффициента ослабления синфазного сигнала. Для схем следящего питания предлагаются способы повышения точности, и проводится их экспериментальная апробация.
В третьей главе описана разработка двухканального аналогового синхронного усилителя на основе решений, предложенных во второй главе. Приведены схемотехнические решения по реализации отдельных блоков аналогового синхронного усилителя. Проведена экспериментальная оценка характеристик разработанных блоков синхронного усилителя. Определены метрологические характеристики изготовленного двухканального аналогового синхронного усилителя.
В четвертой главе приводится описание работ по совершенствованию разработанного в третьей главе аналогово синхронного усилителя, замене части аналоговых блоков на их цифровые эквиваленты и повышению разрешающей способности синхронного усилителя с дифференциальным входом за счет применения алгоритмов цифровой обработки сигналов. Приводится описание разработанного алгоритма цифровой обработки сигналов и созданного программного обеспечения. Проводится определение метрологических характеристик цифрового двухканального синхронного усилителя и сравнение с достигнутыми метрологическими характеристиками разработанного аналогового синхронного усилителя.
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 102 мкВ до 102 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 102 мкВ до 102 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.
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 102 мкВ до 102 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 102 мкВ до 102 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.