Линейный амплитудный детектор синусоидальных сигналов для измерителя параметров пьезокерамических элементов

ЛИТЕРАТУРА

1. Доросинский А.Ю. Повышение точности логометрических схем измерения электрических сопротивлений / А.Ю. Доросинский, А.Н. Винчаков, О.М. Шарунова // Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажёров: сб. статей. - Пенза, Изд-во ПензГТУ, 2015. - С. 51 - 56.

2. Виньчаков А.Н. Перспективы использования микроконтроллера ADuCM360 для измерения сопротивлений с высокой точностью / А.Н. Виньчаков, А.Ю. Доросинский // Интеллектуальные информационные технологии: труды международной научно-практической молодёжной конференции. - Пенза, Изд-во ПензГТУ, 2016. - С. 54 - 62.

УДК 621.317.3

Князьков А.В., Колдов А.С., Родионова Н.В., Светлов А.В.

ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия

ЛИНЕЙНЫЙ АМПЛИТУДНЫЙ ДЕТЕКТОР СИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ ДЛЯ ИЗМЕРИТЕЛЯ ПАРАМЕТРОВ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Приведена структурная схема аппаратной части измерителя параметров пьезокерамических элементов. Показано, что в составе этого измерителя необходимо использовать линейный амплитудный детектор. Предложено в качестве такого детектора использовать микросхему AD8361 фирмы Analog Devices. Приведена функциональная схема детектора и принципиальная схема его включения. Показана возможность повышения линейности преобразования среднеквадратического значения переменного входного напряжения в постоянное выходное напряжение Ключевые слова:

измеритель параметров пьезокерамических элементов, линейный амплитудный детектор

Введение

При построении разнообразных систем сбора измерительной информации и управления в качестве датчиков различных физических величин и элементов прецизионного позиционирования широкое применение находят пьезокерамические элементы (ПКЭ) [1]. В связи с расширением производства и применения ПКЭ приобретает актуальность задача разработки специальных измерительных средств, позволяющих контролировать основные параметры ПКЭ.

Для определения электрических параметров ПКЭ может быть использован метод совокупных измерений с использованием нескольких тестовых синусоидальных сигналов и последующим решением системы уравнений, описывающих выходные сигналы измерительной схемы на частотах, соответствующих характерным точкам амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) измерительной схемы [2, 3]. Для измерений амплитуд выходных сигналов измерительной схемы на этих частотах необходим линейный амплитудный детектор, которому и посвящена данная работа.

1. Назначение амплитудного детектора в структуре измерителя параметров ПКЭ

Важнейшими измеряемыми электрическими параметрами ПКЭ являются: частота последовательного резонанса, частота параллельного резонанса (антирезонанса) и добротность О. Кроме того, дополнительная информация о свойствах и характеристиках ПКЭ может быть получена при их представлении четырехэлементной эквивалентной

электрической схемой, приведенной на рисунке 1, где Сг, Ьг, Кг - динамические емкость, индуктивность и сопротивление; С2 - параллельная емкость. Соотношения между параметрами эквивалентной электрической схемы и упомянутыми выше измеряемыми частотными параметрами приведены в [2].

Ll R\ ^

C2

Рисунок 1 - Четырехэлементная эквивалентная электрическая схема ПКЭ

Структурная схема аппаратной части измерителя параметров ПКЭ приведена на рисунке 2.

Разработанный авторами измеритель параметров ПКЭ, по сути, представляет собой измерительный комплекс, гибкость и многофункциональность которого обеспечиваются использованием программируемой системы на кристалле PSoC 5 (Programmable System on Chip) фирмы Cypress [4]. PSoC содержит развитую периферию в виде блоков различного назначения: АЦП, операционных усилителей, компараторов, аналоговых и цифровых мультиплексоров и др. Отличительной особенностью является возможность конфигурации периферии PSoC независимо от процессора, что выгодно отличает PSoC от других микроконтроллеров.

DDS генератор

Аттенюатор

Измерительная схема

Z1

'Co

OUT

+V -V

DA1

Амплитудный детектор

Персональный

компьютер ' ft '

Программируемая > система на кристалле PSoC

К источнику питания

Е-

Рисунок 2 - Структурная схема аппаратной части измерителя параметров ПКЭ

Исследуемый ПКЭ (Z1) включается во входной цепи измерительной схемы на основе быстродействующего операционного усилителя ВА1 ОРА656 [5], в цепи отрицательной обратной связи которого включен опорный конденсатор с емкостью Со.

Для формирования синусоидальных тестовых сигналов используется выполненный на базе микросхемы AD9850 [6] генератор прямого цифрового синтеза (DDS) с быстрой программно-управляемой перестройкой частоты. Программно-управляемый аттенюатор осуществляет автоматическое снижение

амплитуды входного воздействия по мере приближения к резонансу ПКЭ, чтобы избежать превышения максимального допустимого значения входного напряжения ОУ измерительной схемы.

Для выделения огибающей выходного напряжения измерительной схемы используется линейный амплитудный детектор, подробно рассмотренный ниже.

Считывание выходного сигнала с детектора, а также управление БЭЗ-генератором и взаимодей-

ствие между измерительным комплексом и персональным компьютером осуществляется с помощью программируемой системы на кристалле РЗоС 5.

В соответствии с методикой совокупных измерений параметров ПКЭ [3] разработан алгоритм функционирования измерителя, в среде ЬаЬУ1ЕК созданы соответствующие виртуальные приборы, позволяющие в автоматизированном режиме проводить необходимые измерительные процедуры, в том числе:

- автоматизированный поиск резонансной частоты /о , при которой выходное напряжение измерительной схемы принимает максимальное значение

- автоматизированное определение частот ] и / ниже и выше резонансной, при которых ампли-

<2 =

используется /0

при

вычислении добротности

туда выходного напряжения составля

ет 0,707 П

//"

- автоматизированный поиск частоты антирезонанса , при которой выходное напряжение измерительной схемы принимает минимальное значение (рисунок 4).

Программа обработки результатов измерений обеспечивает автоматизированное составление системы уравнений, решение которой позволяет определить параметры Сг, Сг, Ьг, Кг по измеренным частотным параметрам ПКЭ.

Непременным условием реализуемости изложенной методики измерения параметров ПКЭ является высокая точность определения значений отсчетов выходного напряжения измерительной схемы в характерных точках АЧХ. Это означает, что к используемому в структуре измерителя (рис. 2) амплитудному детектору предъявляются высокие требования.

f 100,70 100,75 /" 100,85 100,90 100,95 101,0

Л кГц

Рисунок 3 - Фрагмент АЧХ измерительной схемы в области частоты резонанса ПКЭ

7,0

И, мВ

6,0

5,0

4.0

3,0

2,0

1.0

;;;; —•• ;;;;; ;;;;;;; "Г-""" ;;;;

.....Г-- -1..... .... .... ..... ..... "Г™!..... .....

.... ....... !

т - г

..... .... .... .... :::: :::: ..... .... ..... .... .... .... .....

е.. ----- :::::::: .....

! Г ! -4-

:::: — ...

— — — — "1- — .... — ... — . — .. — — — — — — — —

—- —-- —- —- --- - —. -- --- - - -- -- ---

г .... .....

_____

Г

::: :::

111.0

Рисунок 4

111,5

112,0

1

113,0

113,5

114,0

/, кГц

114,5

Фрагмент АЧХ измерительной схемы в области частоты антирезонанса ПКЭ

и^ (рисунок 3);

2. Обоснование выбора амплитудного детектора для измерителя параметров ПКЭ

К амплитудному детектору в составе измерителя параметров ПКЭ предъявляются высокие требования по целому ряду технических характеристик, прежде всего, по линейности детекторной характеристики, что обеспечивает высокую точность совокупных измерений параметров ПКЭ, представляемых четы-рехэлементной эквивалентной электрической схемой (рис. 1). Детектор должен также обладать стабильностью параметров, высокой чувствительностью, широкой полосой рабочих частот. Поскольку использование обычных диодных детекторов не позволяет обеспечить требуемые характеристики, предложено для построения амплитудного

детектора использовать готовое законченное решение в виде одной из интегральных схем фирмы Analog Devices [7]. Анализ технических характеристик детекторов этой фирмы позволил авторам остановить свой выбор на микросхеме AD8361 [8, 9].

AD8361 - это высокочастотная интегральная микросхема, обеспечивающая возможность линейного детектирования среднеквадратического значения сигнала. Микросхема способна выполнять преобразование ВЧ сигнала в диапазоне частот до 2,5 ГГц в постоянное напряжение, которое соответствует среднеквадратическому уровню сигнала. Динамический диапазон измерений равен 30 дБ.

Функциональная схема AD8361 представлена на рисунке 5.

Рисунок 5

Переменное входное напряжение (t) ,

IREF

Функциональная схема детектора AD8361

подава-

емое на высокочастотный вход ЯПЫ микросхемы, поступает на квадратор (аналоговый умножитель), выходной ток которого пропорционален квадрату входного напряжения:

2

i (t) = Кп  и2ш (t) ,

^VI

с размерностью а/в2 .

Выходное напряжение фильтра нижних частот (ФНЧ) пропорционально среднему значению полученного тока и, следовательно, среднеквадратиче-скому значению входного напряжения, причем постоянную времени усреднения ФНЧ можно увеличивать подключением внешнего конденсатора между выводами микросхемы УРОЗ и ЕЬТЯ.

Далее, выходное напряжение ФНЧ подается на неинвертирующий вход усилителя ошибки с высоким коэффициентом усиления. На инвертирующий вход

усилителя подается напряжение с выхода второго квадратора, который вычисляет среднеквадратиче-ское значение выходного напряжения усилителя ошибки. К выходу усилителя ошибки подключен дополнительный буферный усилитель, напряжение постоянного тока по выводу УЯИЗ линейно зависит от среднеквадратического значения напряжения переменного тока по входу ЯПЫ.

Линейность преобразования среднеквадратиче-ского значения переменного входного напряжения в постоянное выходное напряжение может быть повышена путем создания смещения на выводе ГЬТЯ микросхемы [10]. На рисунке 6 представлена принципиальная схема включения микросхемы. Переменный резистор, подключен к стабилизированному источнику питания и служит для регулирования напряжения смещения. Постоянный резистор сопротивлением 1 МОм, включенный между выводом ГЬТЯ микросхемы АБ8361 и переменным резистором, ограничивает ток в цепи смещения.

Рисунок 6 - Принципиальная схема включения микросхемы AD8361

Оптимальное значение напряжения смещения устанавливается таким образом, чтобы при отсутствии входного сигнала на разъеме XW1, напряжение на выходе детектора XW2 было примерно 3 - 5 милливольт.

Заключение

Показано, что в структуре измерителя параметров пьезокерамических элементов необходимо использовать линейный амплитудный детектор. В качестве такого детектора целесообразно использовать микросхему AD8361 фирмы Analog Devices.

ЛИТЕРАТУРА

1. Контроль и управление в системах прецизионного позиционирования на основе пьезоэлектрических актюаторов / В. А. Бардин, В. А. Васильев, П. Г. Рудаков, Р. В. Юлоськов // Надёжность и качество - 2016: Труды Международного симпозиума: в 2-х т. - Пенза, 2016. - Том 1. - С. 308 - 312.

2. Совокупные измерения электрических параметров пьезокерамических элементов / А. В. Светлов, А. С. Колдов, Н. В. Родионова, Е. А. Ломтев, Б. В. Цыпин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2015. - № 2 (34). - С. 123 - 135.

3. Колдов А.С., Родионова Н.В., Светлов А.В. Методика совокупных измерений параметров пьезоке-рамических элементов с использованием синусоидальных сигналов // Надежность и качество - 2015: Труды Международного симпозиума: в 2-х т. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2015. - Том 2. - С. 44 - 46.

4. PSoC5 Programmable System-on-Chip. URL: http://www.cypress.com/products/psoc-5.

5. OPA656 Wideband, Unity-Gain Stable, FET-Input Operational Amplifier. URL: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/opa656.pdf.

6. AD9850 CMOS 125 MHz Complete DDS Synthesizer. - Analog Devices, Inc., 2004. URL: http://www.an-alog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ad9850.pdf.

7. M. Pilotte. Operation of RF Detector Products at Low Frequency. AN-691 Application Note -Analog Devices Inc., 2005. URL: http://www.analog.com/media/ru/technical-documentation/application-notes/AN-691.pdf.

8. AD8361 LF to 2.5 GHz TruPwr™ Detector. - Analog Devices Inc. URL: http://www.analog.com/me-dia/en/technical-documentation/data-sheets/AD8 3 61.pdf.

9. Дворников, О.В. Микроэлектронные преобразователи переменного напряжения в постоянное по уровню среднеквадратического значения. Часть 2. Преобразователи на аналоговых умножителях напряжения // Компоненты и технологии. - 2005. - № 1. - С. 34 - 39.

10. N. Greenough. Improving the linearity of the AD8361 "Tru-Pwr" RF detector IC. - Princeton Plasma Physics Laboratory, PPPL-4697. - October, 2011 // IEEE Xplore Digital Library. URL: http://ieeexplore.ieee.org/document/6 052 2 65/citations.

УДК 621.317.6

Куроедов С.К., Светлов А.В.

ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия

РЕГУЛЯРИЗАЦИЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИЗМЕРЕНИЙ УЗЛОВЫХ ИМПЕДАНСОВ В ВЫДЕЛЕННЫХ ГРУППАХ КООРДИНАТ

Дана общая постановка задачи диагностики электрической цепи, которая заключается в экспериментальном определении состояний ее компонентов различных уровней иерархии и связей между ними. Приведены результаты сравнительного анализа известных методов диагностики цепей с сосредоточенными параметрами. Сделан вывод о том, что для реализации преимуществ метода узловых импедансов необходима регуляризация решения задачи совокупных измерений узловых адмитансов. Рассмотрена возможность преобразования априорно неизвестной матрицы узловых адмитансов к виду матриц с доминирующей главной диагональю посредством подключения опорных двухполюсников к узловым парам цепи. Для уменьшения числа одновременно подключаемых двухполюсников и упрощения алгоритма оптимизации их параметров предлагается определять элементы обращаемых матриц узловых импедансов в выделенных группах координат. Для оценки эффективности описанной модификации метода узловых импедансов построена и исследована математическая модель совокупных измерений адмитансов в выделенных группах координат

Ключевые слова:

электрическая цепь, диагностика, адмитанс, импеданс

Общая постановка задачи диагностики электрической цепи заключается в экспериментальном определении состояний ее компонентов различных уровней иерархии и связей между ними. Энергетическое состояние цепи с сосредоточенными параметрами на макроуровне, когда цепь представлена одним компонентом, описывается независимыми и зависимыми координатами - напряжениями и токами узловых пар или контуров, значения которых могут быть заданы или определены с помощью внешних источников и измерителей напряжений и токов [1].

Состояние причинно-следственных связей между координатами описывается их инвариантами в виде временных или частотных характеристик цепи - импульсных или переходных характеристик, собственных и взаимных адмитансов и импедансов, передаточных функций напряжений и токов. Если цепь не содержит независимых источников электрической энергии, то данные характеристики полностью определяют оператор Ь:X^У из множества X независимых координат, описываемых вектором X €X , в множество У зависимых координат, описываемых вектором у € У .

Оператор цепи, содержащей независимые источники электрической энергии, не удовлетворяет

свойству сохранения нуля: L(0X) ^ôy ,

где 6x и

y

- нулевые A 2 x и

элементы нормированных пространств независимых и зависимых коор-

Ay 2 Y

динат. Полное описание цепей такого типа на макроуровне кроме характеристик связей между координатами, определяемых без учета влияния независимых источников, должно включать характеристики влияния данных источников на зависимые координаты. Для линейной цепи, оператор которой удовлетворяет условию

L(x) = L (x) + Щх) ,

где Ц :X ^У - оператор, описывающий неавтономную часть цепи, которая не содержит независимых источников, такой характеристикой является автономный сигнал, представленный вектором у = Ь(0) или автономный сигнал, приведенный к независимым координатам, представленный вектором ха = Ц'(уа ) .

Результаты диагностики на макроуровне описывают макромодели цепей и могут быть использованы для функционального контроля цепей различного назначения. Для внутрисхемного контроля, целью которого являются функциональный контроль и локализация неработоспособных компонентов цепи, а также контроль характеристик их связей, необходимо определить состояние цепи на соответствующем микроуровне.

Диагностика цепи с априорно известной структурой на микроуровне заключается в определении координат ее компонентов и характеристик связей между координатами каждого компонента. Если же структура цепи априорно неизвестна, то для ее