АНАЛОГОВЫЙ СИНХРОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
ANALOGUE SYNCHRONOUS AMPLIFIER

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а именно к приборам для измерения напряжений и может быть использовано для сравнения двух переменных напряжений и измерения их разности в метрологических установках, например, в индуктивном делителе.
Известен аналоговый синхронный усилитель [Analog Lock-In Amplifier Operation and Service Manual https://www.thinksrs.com/downloads/pdfs/manuals/SR124m.pdf, стр. 2-4, рисунок 2.1], содержащий дифференциальный усилитель, интвертирующий вход которого подключен к источнику эталонного напряжения, а неинвертирующий вход соединен с источником сравниваемого напряжения. Выход дифференциального усилителя последовательно через режекторный фильтр и усилитель напряжения соединен с первым входом синхронного детектора. Со вторым входом синхронного детектора через фазовращатель соединен генератор опорного напряжения. Выход синхронного детектора через фильтр нижних частот и усилитель напряжения соединен с выходом синхронного усилителя.
Такое устройство обеспечивает низкое подавление синфазного сигнала в диапазоне рабочих частот, что уменьшает точность измерения.
Известен аналоговый синхронный усилитель [Baranov P., Borikov V., Ivanova V., Bien Bui Due, Uchaikin S., Cheng-Yang Liu Lock-in amplifier with a high common-mode rejection ratio in the range of 0.02 to 100 kHz // Acta IMEKO, 2019, vol. 8, no. 1, 103-110., рисунок 11], который содержит дифференциальный усилитель, инвертирующий вход которого подключен к источнику эталонного напряжения, а неинвертирующий вход соединен с источником сравниваемого напряжения. Выход дифференциального усилителя через усилитель напряжения соединен с первым входом синхронного детектора. Со вторым входом синхронного детектора соединен выход генератора опорного напряжения. Выход синхронного детектора через фильтр нижних частот подключен к устройству выборки хранения, выход которого подсоединен к аналого-цифровому преобразователю. Выход аналого-цифрового преобразователя подключен к микроконтроллеру. Инвертирующий вход дифференциального усилителя подключен к эмиттерному повторителю напряжения, имеющему три выхода. На первом выходе повторителя напряжения формируется напряжение, содержащее постоянную составляющую положительной амплитуды и переменную составляющую, равную напряжению на входе повторителя напряжения. На втором выходе повторителя напряжения формируется напряжение, содержащее постоянную составляющую отрицательной амплитуды и переменную составляющую, равную напряжению на входе повторителя напряжения. На третьем выходе повторителя напряжения формируется напряжение, равное напряжению на входе повторителя напряжения. Первый и второй выходы повторителя напряжения подключены к положительному и отрицательному входам питания дифференциального усилителя, а третий выход - подключен к общей точке питания дифференциального усилителя. Таким образом, эмиттерный повторитель напряжения образует схему следящего питания для дифференциального усилителя.
Этот аналоговый синхронный усилитель является структурно сложным из-за наличия эмиттерного повторителя напряжения, что снижает надежность работы. Использование неинвертирующей схемы построения эмиттерного повторителя напряжения приводит к его самовозбуждению, что снижает подавление синфазного сигнала в диапазоне рабочих частот и уменьшает точность измерения.
Известен аналоговый синхронный усилитель [RU 2718148 С1, МПК G01R 19/10 (2006.01), опубл. 30.03.2020], принятый за прототип, который содержит генератор опорного напряжения, дифференциальный усилитель, инвертирующий вход которого подключен к источнику эталонного напряжения, а неинвертирующий вход соединен с источником сравниваемого напряжения. Выход дифференциального усилителя через усилитель напряжения соединен с первым входом синхронного детектора, выход которого связан с фильтром нижних частот. Вход буферного операционного усилителя подключен к источнику эталонного напряжения. Выход буферного операционного усилителя через общую точку подключен к отрицательному выходу первого фотоэлектрического солнечного модуля и положительному выходу второго фотоэлектрического солнечного модуля. Положительный выход первого фотоэлектрического солнечного модуля подключен к положительному входу питания дифференциального усилителя, отрицательный вход питания которого соединен с отрицательным выходом второго фотоэлектрического солнечного модуля. Генератор опорного напряжения подключен к фазовращателю, который соединен со вторым входом синхронного детектора. К фильтру нижних частот подключен аналого-цифровой преобразователь, который подключен к микроконтроллеру.
С помощью этого устройства возможно определение только синфазной составляющей сигнала, что не позволяет в полной мере оценить сравниваемое напряжение.
Технический результат предложенного нами изобретения заключается в расширении арсенала средств измерения и увеличении информативности производимых измерений.
Аналоговый синхронный усилитель, также как в прототипе, содержит генератор опорного напряжения, первый аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, дифференциальный усилитель, инвертирующий вход которого подключен к источнику эталонного напряжения, а неинвертирующий вход соединен с источником сравниваемого напряжения, причем выход дифференциального усилителя соединен с усилителем напряжения, первый синхронный детектор, к первому входу которого подключен фазовращатель, а выход первого синхронного детектора подключен к первому фильтру нижних частот, буферный операционный усилитель, вход которого подключен к источнику эталонного напряжения, а выход буферного операционного усилителя через общую точку подключен к отрицательному выходу первого фотоэлектрического солнечного модуля и положительному выходу второго фотоэлектрического солнечного модуля, положительный выход первого фотоэлектрического солнечного модуля подключен к положительному входу питания дифференциального усилителя, отрицательный вход питания которого соединен с отрицательным выходом второго фотоэлектрического солнечного модуля.
Согласно изобретению положительный выход первого фотоэлектрического солнечного модуля через общую точку подключен к положительному входу усилителя напряжения и положительному входу первого аналого-цифрового преобразователя. Отрицательный выход второго фотоэлектрического солнечного модуля через общую точку подключен отрицательному входу усилителя напряжения и отрицательному входу первого аналого-цифрового преобразователяю. Выход усилителя напряжения соединен с входом первого аналого-цифрового преобразователя, который соединен с блоком гальванической развязки, который через общую точку подключен к второму входу первого синхронного детектора и первому входу второго синхронного детектора. Первый фильтр нижних частот подключен к первому цифровому входу микроконтроллера. Выход генератора опорного напряжения соединен с входом второго аналого-цифрового преобразователя, который подключен к фазовращателю, второй выход которого соединен со вторым входом второго синхронного детектора, выход которого через второй фильтр нижних частот подключен ко второму цифровому входу микроконтроллера, который подключен к экрану.
Предложенный аналоговый синхронный усилитель позволяет помимо синфазной составляющей определять и квадратурную составляющую сигнала сравниваемого напряжения, обеспечивая, таким образом, повышение информативности проводимых измерений за счет увеличения числа измеряемых параметров. Полученные синфазная и квадратурная составляющие сигнала в дальнейшем могут быть использованы для определения модуля и фазы сравниваемого напряжения, что в свою очередь приводит к дополнительному увеличению информативности проводимых измерений.
На фиг. 1 представлена структурная схема аналогового синхронного усилителя.
Аналоговый синхронный усилитель содержит дифференциальный усилитель 1 (ДУ), инвертирующий вход которого подключен к источнику эталонного напряжения 2 (ИЭН), а неинвертирующий вход соединен с источником сравниваемого напряжения 3 (ИСН). Выход источника эталонного напряжения 2 (ИЭН) соединен с входом буферного операционного усилителя 4 (БУ), выход которого через общую точку подключен к отрицательному выходу первого фотоэлектрического солнечного модуля 5 (ФСМ1) и положительному выходу второго фотоэлектрического солнечного модуля 6 (ФСМ2). Положительный выход первого фотоэлектрического солнечного модуля 5 (ФСМ1) через общую точку подключен к положительному входу питания дифференциального усилителя 1 (ДУ), положительному входу усилителя напряжения 7 (У) и положительному входу первого аналого-цифрового преобразователя 8 (АЦП1). Отрицательный выход второго фотоэлектрического солнечного модуля 6 (ФСМ2) через общую точку подключен к отрицательному входу питания дифференциального усилителя 1 (ДУ), отрицательному входу усилителя напряжения 7 (У) и отрицательному входу первого аналого-цифрового преобразователя 8 (АЦП1). К выходу дифференциального усилителя 1 (ДУ) подключен усилитель напряжения 7 (У), выход которого соединен со входом первого аналого-цифрового преобразователя 8 (АЦП1), который соединен с блоком гальванической развязки 9 (БГР), который через общую точку подключен к первому входу первого синхронного детектора 10 (СД1) и первому входу второго синхронного детектора 11 (СД2). Выход первого синхронного детектора 10 (СД1) через первый фильтр нижних частот 12 (ФНЧ1) подключен к первому цифровому входу микроконтроллера 13 (МК). Выход генератора опорного напряжения 14 (ГОН) соединен со входом второго аналого-цифрового преобразователя 15 (АЦП2), выход которого подключен к входу фазовращателя 16 (ФЗ). Первый выход фазовращателя 16 (ФЗ) подключен ко второму входу первого синхронного детектора 10 (СД1). Второй выход фазовращателя 16 (ФЗ) соединен со вторым выходом второго синхронного детектора 11 (СД2), выход которого через второй фильтр нижних частот 17 (ФНЧ2) подключен ко второму цифровому входу микроконтроллера 13 (МК). Выход микроконтроллера подключен к экрану 18 (Э).
x
x
0
0
Дифференциальный усилитель 1 (ДУ) может быть построен на базе операционного усилителя AD620. Усилитель напряжения 7 (У) может быть реализован по типовой схеме инвертирующего включения операционного усилителя. Блок гальванической развязки 9 (БГР) может быть выполнен на базе диодной оптопары, например, АОД130А. Генератор опорного напряжения 14 (ГОН) может быть выполнен по типовой схеме генератора на основе прямого цифрового синтеза. В качестве аналого-цифровых преобразователей 8 (АЦП1) и 15 (АЦП2) может быть использован любой сигма-дельта аналого-цифровой преобразователь. Микроконтроллер - 13 (МК) любой 8-битный микроконтроллер, например, AT89C2051-24PU. В качестве фотоэлектрических солнечных модулей 5 (ФСМ1) и 6 (ФСМ2) могут быть использованы любые фотоэлектрические солнечные модули с выходным напряжением не менее 5 В постоянного тока и нагрузочной способностью не менее 15 мА, например, монокристаллическая солнечная батарея 10 Вт, 12 В, производства Chinaland Solar Energy, модель CHN10-36М. Буферный операционный усилитель 4 (БУ) может быть реализован по типовой схеме повторителя напряжения на операционном усилителе. В качестве источника сравниваемого напряжения 3 (ИСН) может быть использован любой источник переменного напряжения с сигналом на выходе u(t)=Ucos(ωt) g качестве источника эталонного напряжения 2 (ИЭН) может быть использован любой источник переменного напряжения с сигналом на выходе u(t)=Ucos(ωt). Фазовращатель 16 (ФЗ) может быть реализован на шестиразрядном цифровом фазовращателе HMC647ALP6E. Синхронные детекторы 10 (СД1) и 11 (СД2) могут быть построены на базе матричного умножителя. Фильтры нижних частот 12 (ФНЧ1) и 17 (ФНЧ2) могут быть выполнены на микросхеме К561ЛЕ5 и CD4013. В качестве экрана 18 (Э) может быть использован OLED-индикатор WEH002004BLPP5N00000 производства Winstar.
Аналоговый синхронный усилитель работает следующим образом.
x
x
0
0
От источника сравниваемого напряжения 3 (ИСН) на неинвертирующий вход дифференциального усилителя 1 (ДУ) поступает сигнал u(t)=Ucos(ωt). От источника эталонного напряжения 2 (ИЭН) через общую точку на буферный операционный усилитель 4 (БУ) и на инвертирующий вход дифференциального усилителя 1 (ДУ) поступает сигнал u(t)=Ucos(ωt). С учетом коэффициента передачи буферного операционного усилителя 4 (БУ), эталонное напряжение переменного тока поступает в общую точку первого 5 (ФСМ1) и второго 6 (ФСМ2) фотоэлектрического солнечного модуля, подавая, тем самым, напряжения на отрицательный и положительный входы питания дифференциального усилителя 1 (ДУ), усилителя напряжения 7 (У) и первого аналого-цифрового преобразователя 8 (АЦШ).
На выходе дифференциального усилителя 1 (ДУ) выделяется напряжение переменного тока в соответствии с формулой:
П
где К - коэффициент передачи буферного операционного усилителя 4 (БУ);
ОСС
K - коэффициент подавления синфазного сигнала дифференциального усилителя 1 (ДУ).
Так как разность сравниваемых напряжений много меньше их амплитуд, то эффективный коэффициент подавления синфазного сигнала дифференциального усилителя 1 (ДУ) определяется по формуле:
При коэффициенте передачи буферного операционного усилителя 4 (БУ), стремящемся к 1, коэффициент подавления синфазного сигнала дифференциального усилителя 1 (ДУ) стремится к бесконечности.
Напряжение переменного тока от дифференциального усилителя 1 (ДУ) усиливается усилителем напряжения 7 (У) и определяется формулой:
y
где K - коэффициент усиления усилителя напряжения 7 (У).
Напряжение переменного тока с выхода усилителя напряжения 7 (У) поступает на вход первого аналого-цифрового преобразователя 8 (АЦП1). Оцифрованный сигнал через блок гальванической развязки 9 (БГР) через общую точку поступает на первый вход синхронного детектора 10 (СД1) и на первый вход второго синхронного детектора 11 (СД2).
С выхода генератора опорного напряжения 14 (ГОН) на вход второго аналого-цифрового преобразователя 15 (АЦП2) поступает напряжение переменного тока
reƒ
где u(t) - опорное напряжение;
reƒ
U - амплитуда опорного напряжения.
reƒ1
Оцифрованное напряжение переменного тока поступает на вход фазовращателя 16 (ФЗ). С первого выхода фазовращателя 16 (ФЗ) на второй вход первого синхронного детектора (СД1) поступает сигнал u:
Со второго выхода фазовращателя 16 (ФЗ) на второй вход синхронного детектора 11 (СД2) поступает сигнал, сдвинутый по фазе на 90° относительно сигнала на входе фазовращателя
В первом блоке синхронного детектора 10 (СД1) входные сигналы перемножаются, формируя сигнал на выходе
После прохождения первого фильтра нижних частот 12 (ФНЧ1) на выходе формируется сигнал, который является синфазной составляющей сравниваемого напряжения
Сигнал, определяющий синфазную составляющую сравниваемого напряжения, регистрируется первым цифровым входом микроконтроллера 13 (МК).
С выхода второго синхронного детектора 11 (СД2) на второй фильтр нижних частот 17 (ФНЧ2) поступает сигнал
Во втором фильтре нижних частот 17 (ФНЧ2) производится выделение квадратурной составляющей сравниваемого напряжения:
Сигнал, определяющий квадратурную составляющую сравниваемого напряжения, регистрируется вторым цифровым входом микроконтроллера 13 (МК). Результаты регистрации синфазной и квадратурной составляющей сравниваемого напряжения отображаются пользователю на экране 18 (Э).