СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ УСИЛИТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА С МОДУЛЯТОРОМ НА ВХОДЕ И ДЕМОДУЛЯТОРОМ НА ВЫХОДЕ
METHOD FOR REDUCING ERRORS OF DIRECT CURRENT AMPLIFIER WITH MODULATOR AT INPUT AND DEMODULATOR AT OUTPUT

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для уменьшения дополнительных погрешностей усилителя постоянного тока.
Известен способ уменьшения погрешностей, заключающийся в том, что входной низкочастотный сигнал с помощью модулятора преобразуют в высокочастотный сигнал, усиливают усилителем высокой частоты, затем с помощью демодулятора и фильтра восстанавливают постоянную и низкочастотную составляющие сигнала [1].
см
Однако такое преобразование устраняет только напряжение смещения нуля U, но не устраняет дополнительную погрешность, заключающуюся в дрейфе напряжения смещения нуля, причем дополнительная погрешность может быть сравнима с напряжением входного сигнала.
1
сму
Действительно, если на вход усилителя подают низкочастотный сигнал U(t), полярность которого инвертируют модулятором в моменты времени t=m∆t, затем усиливают усилителем с коэффициентом усиления K и напряжением смещения нуля U(t) линейно зависящим от времени
то напряжение на входе демодулятора имеет вид
м
1
0
m
U[m]=K((-1)U[m]+U+αm∆t),
1
1
м
м
где U[m]=U(m∆t), U[m]=U(m∆t).
Если демодуляцию осуществляют алгоритму
то выходное напряжение усилителя описывается выражением
2
1
1
U[2m]=K(U[2m]+U[2m-1]+α∆t)/2.
Таким образом, на выходе усилителя присутствует составляющая
обусловленная дрейфом напряжения смещения нуля усилителя.
сму
Известно, что изменение напряжения смещения нуля усилителя U(t) в основном определяется температурным дрейфом [2], поэтому, в случае линейного дрейфа, дополнительная погрешность (3) представима в виде:
где β - температурный коэффициент напряжения смещения нуля усилителя, ∆T=ν∆t - приращение температуры усилителя за время модуляции ∆t,ν - скорость изменения температуры усилителя.
Наиболее близким по существу к заявленному способу является способ коррекции температурной погрешности, применяемый в термопарных усилителях, заключающийся в том, что измеряют температуру усилителя, и формируют сигнал коррекции, пропорциональный температуре Т, который суммируют с выходным сигналом усилителя [3]. Этот способ позволяет компенсировать погрешность, обусловленную термоэдс входных контактов, однако в усилителях постоянного тока с модулятором на входе и демодулятором на выходе не устраняет дополнительную погрешность, обусловленную дрейфом напряжения смещения усилителя. Действительно, как следует из соотношения (4), эта погрешность определяется не температурой T усилителя, а скоростью ее изменения ν.
Целью заявленного изобретения является снижение дополнительной погрешности усилителя постоянного тока с модуляцией на входе и демодуляцией на выходе.
Технический результат достигается тем, что формируют суммируемый с выходным сигналом усилителя постоянного тока сигнал коррекции, напряжение которого пропорционально скорости изменения температуры усилителя, а коэффициент пропорциональности измеряют при градуировке усилителя.
дем0
Для градуировки усилителя постоянного тока измеряют зависимость напряжения смещения нуля от скорости изменения температуры усилителя. Для этого этом входные зажимы усилителя замыкают, затем усилитель охлаждают до нижней рабочей температуры усилителя, после чего помещается в термостат с предустановленной верхней рабочей температурой усилителя, и фиксируют последовательности значений демодулированного напряжения U[2m] и его температуры Т[m] в процессе естественного прогрева усилителя до температуры термостата. Затем вычисляют конечные разности, пропорциональные скорости изменения температуры, по алгоритму
и полученные данные аппроксимируют линейной зависимостью вида
ост
см
см
где γ=Kβ - коэффициент дрейфа, U=KU - остаточное постоянное напряжение, U - приведенное к входу напряжение смещения усилителя постоянного тока, обусловленное, например, коммутационной помехой [1].
кор
ост
Сигнал коррекции U формируют из измеренных значений температуры усилителя Т[m] и коэффициентов корреляции γ и U, по алгоритму
Выходной сигнал усилителя постоянного тока формируют как сумму напряжений сигнала на выходе демодулятора и сигнала коррекции по алгоритму
Заявленный способ реализован в усилителе постоянного тока с модулятором на входе и демодулятором на выходе, блок-схема которого приведена на фиг.1. Усиливаемый сигнал подключен к входу модулятора 1 (ADG884), температура которого измеряется температурным датчиком 2 (термомост на основе платинового терморезистора 700-102ААВ-В00). Выход модулятора подключен к входу усилителя 3 (четыре включенных параллельно неинвертирующих усилителя, реализованных на микросхемах ОРА211), выход которого подключен к первому входу аналого-цифрового преобразователя 4 (AD7190), а ко второму входу преобразователя 4 подключен выход температурного датчика 2. Цифровые коды напряжений выходного сигнала усилителя 3 и температуры датчика 2 подаются на порт ввода-вывода 5 микроконтроллера 6 (ADuC847), который осуществляет программную демодуляцию по алгоритму (2). Таким образом, модулятор 1, усилитель 3 и аналого-цифровой преобразователь 4 совместно с микроконтроллером 6 и входящим в состав микроконтроллера 6 цифро-аналоговым преобразователем 7, образуют усилитель постоянного тока с модулятором на входе и демодулятором на выходе.
ост
Модулятор 1, температурный датчик 2, усилитель 3 и аналого-цифровой преобразователь 4 находятся в тепловом контакте и помещены в теплоизоляционный кожух 8 для выравнивания их температур. Конечные разности, пропорциональные скорости изменения температуры усилителя, полученные по алгоритму (5) и коды демодулированных напряжений, сформированных по алгоритму (2) заносятся в память микроконтроллера 6, который также осуществляет программное управление процессом измерения, хранит коэффициенты корреляции γ и U зависимости (6), формирует сигнал коррекции (7) и с помощью цифро-аналогового преобразователя 7 формирует выходной сигнал по алгоритму (8).
Проведенные исследования показали, что в диапазоне температур 0ºС-40ºС без применения заявленного способа средний тренд приведенного к входу усилителя напряжения смещения нуля составляет 2 нВ/ºС, а с применением заявленного способа - 40 пВ/ºС, среднеквадратичное отклонение отсчетов при постоянной времени 0,85 с составляет 1 нВ как с применением заявленного способа, так и без него. Таким образом, применение заявленного способа позволило достигнуть заявленный технический результат, заключающийся в уменьшении обусловленной температурным дрейфом напряжения смещения нуля дополнительной погрешности усилителя в 50 раз, при этом уровень шума, обусловленный собственным шумом усилителя 3, не изменился.
Источники информации
1) Полонников Д.Е. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 216 с.
2) Дж.Рутковски. Интегральные операционные усилители. Справочное руководство. - М.: Мир, 1987. - 325 с.
3) Техническое описание микросхемы AD595 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://science.cdu.edu.ua/files/pdf/1.pdf.(прототип).