Результат интеллектуальной деятельности: АНАЛОГОВЫЙ СИНХРОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

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, инвертирующий 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 соединён с первым входом синхронного детектора. Со вторым входом синхронного детектора через фазовращатель соединён генератор опорного напряжения. Выход синхронного детектора через фильтр нижних частот и усилитель напряжения соединён с выходом синхронного усилителя.

Это устройство обеспечивает низкое подавление синфазного сигнала в диапазоне рабочих частот, что уменьшает точность измерения в этом диапазоне.

Известен аналоговый синхронный усилитель [Baranov P., Borikov V., Ivanova V., Bien Bui Duc, 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], принятый за прототип, 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 соединён с первым входом синхронного детектора. Со вторым входом синхронного детектора соединён 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.

Это устройство 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.

Технический результат предложенного изобретения заключается в усилении подавления синфазного сигнала, что увеличивает точность измерения разности двух напряжений и повышает надежность работы аналогового синхронного усилителя.

Аналоговый синхронный усилитель, также как в прототипе, 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 соединён с первым входом синхронного детектора, выход которого связан с фильтром нижних частот, аналого-цифровой преобразователь подключен к микроконтроллеру.

Согласно изобретению аналоговый синхронный усилитель дополнительно содержит буферный операционный усилитель, вход которого подключен к источнику эталонного напряжения, а выход - через общую точку подключен к отрицательному выходу первого фотоэлектрического солнечного модуля и к 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.

Предложенный аналоговый синхронный усилитель позволяет увеличить подавление синфазного сигнала и повысить надежность работы за счет обеспечения построения схемы следящего питания для дифференциального усилителя на двух фотоэлектрических солнечных модулях и операционном усилителе, включённом по схеме повторителя напряжения. Наличие фазовращателя позволяет изменять фазу опорного напряжения, что позволяет добиться максимальной близости фаз опорного и измеряемого напряжения, что также увеличивает точность 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) подключен к положительному входу питания дифференциального усилителя 1 (ДУ). Отрицательный выход второго фотоэлектрического солнечного модуля 6 (ФСМ2) подключен к отрицательному входу питания дифференциального усилителя 1 (ДУ). К выходу дифференциального усилителя 1 (ДУ) подключен усилитель напряжения 7 (У), который соединён с первым входом синхронного детектора 8 (СД). Ко второму входу синхронного детектора 8 (СД) через фазовращатель 9 (ФЗ) подключен выход генератора опорного напряжения 10 (ГОН). К выходу синхронного детектора 8 (СД) последовательно подключены фильтр нижних частот 11 (ФНЧ), аналого-цифровой преобразователь 12 (АЦП), микроконтроллер 13 (МК).

В качестве дифференциального усилителя 1 (ДУ) может быть использован любой инструментальный операционный усилитель, например, AD620. Усилитель напряжения 7 (У) может быть реализован по типовой схеме инвертирующего включения операционного усилителя. В качестве синхронного детектора 8 (СД) может быть использован любой аналоговый синхронный перемножитель, например, AD734. Фазовращатель 9 (ФЗ) может быть реализован по типовой схеме фазовращателя на операционном усилителе. Генератор опорного напряжения 10 (ГОН) может быть выполнен по типовой схеме генератора на основе прямого цифрового синтеза. Фильтр нижних частот 11 (ФНЧ) может быть выполнен по схеме активного фильтра Бесселя нижних частот третьего порядка на частоту среза 0,1 Гц. В качестве аналого-цифрового преобразователя 12 (АЦП) может быть использован любой сигма-дельта аналого-цифровой преобразователь. В качестве микроконтроллера 13 (МК) может быть использован любой 8-битный микроконтроллер. 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 CHN10-36M.

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 . В качестве источника эталонного напряжения 2 (ИЭН) может быть использован любой источник переменного напряжения с сигналом на выходе .

Аналоговый синхронный усилитель работает следующим образом.

От источника сравниваемого напряжения 3 (ИСН) на неинвертирующий вход дифференциального усилителя 1 (ДУ) поступает сигнал . 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 . С учетом коэффициента передачи буферного операционного усилителя 4 (БУ) эталонное напряжение переменного тока поступает на 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). Таким образом, первый и второй фотоэлектрические солнечные модули 5 (ФСМ1), 6 (ФСМ2) и буферный операционный усилитель 4 (БУ) образуют схему следящего питания для дифференциального усилителя 1 (ДУ).

На выходе дифференциального усилителя 1 (ДУ) выделяется напряжение переменного тока в соответствии с формулой:

где K_П – коэффициент передачи буферного операционного усилителя 4 (БУ);

K _ОСС – 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 поступает на первый вход синхронного детектора 8 (СД). На второй вход синхронного детектора 8 (СД) с выхода генератора опорного напряжения 10 (ГОН) через фазовращатель 9 (ФЗ) поступает напряжение переменного тока

,

где – опорное напряжение;

U_ref – амплитуда опорного напряжения;

φ_ref – фазовое смещение опорного напряжения.

Разностное напряжение переменного тока и опорное напряжение перемножаются синхронным детектором 8 (СД). Напряжения с выхода синхронного детектора 8 (СД) фильтруются фильтром нижних частот 11 (ФНЧ) и оцифровываются аналого-цифровым преобразователем 12 (АЦП). Оцифрованное напряжение обрабатывается микроконтроллером 13 (МК) и представляется пользователю в цифровом виде на экране персонального компьютера в соответствии с выражением:

.