Вступ. У сучасній техніці експерименту відомо напрямок, пов'язаний з розробкою інформаційно-вимірювальних систем реєстрації, попередньої обробки та аналізу надлишкових низькочастотних шумів (мерехтіння шумів). В даний час з-за великої різноманітності цілей і завдань досліджень такі вимірювальні системи представлені у вигляді приватних рішень. У той же час для автоматизації експерименту вельми затребувані багатоканальні вимірювальні комплекси з можливістю гнучкої реконфігурації вимірювального каналу згідно поставленому завданню. Будь-розподілений вимірювальний канал представлений у вигляді многокаскадной схеми із заданими функціями і параметрами кожного каскаду, що ускладнює адаптацію вимірювальної системи до конкретних умов і завдань експерименту. Логічним рішенням описаної проблеми є глибока уніфікація всіх компонентів вимірювального каналу при збереженні високих експлуатаційних характеристик. При цьому однією з основних проблем є оцінка власних шумів електронних елементів, що забезпечують зміну параметрів усілітеля.Цель роботи. Аналіз власних шумів електронних потенціометрів, розробка концепції та дослідження параметрів малошумящего підсилювача постійного струму з високим ступенем уніфікації, можливостями зовнішнього електронного урядування та вбудованими алгоритмами корекції характерістік.Матеріали і методи. Для досягнення поставленого результату запропонований спосіб вимірювання шумів електронних потенціометрів і виконані експериментальні ісследованія.Результати. За результатами розрахунку і експериментальних досліджень показано, що питомі шуми електронних потенціометрів відповідають шумів металоплівкових резисторів, що робить можливим їх використання в малошумливих каскадах посилення. Розроблені схемотехнічні рішення дозволяють реалізувати на базі електронних потенціометрів уніфікований підсилювальний модуль з можливістю каскадування для побудови малошумливих вимірювальних трактів постійного струму. Зовнішнє і внутрішнє цифрове управління дозволяє значно підвищити продуктивність вимірювального тракту в цілому і адаптувати його до широкого кола вирішуваних задач.Заключеніе. Запропоновано спосіб вимірювання шумів електронних потенціометрів, проведені аналітичні та експериментальні дослідження, розроблено та досліджено прототип малошумящего підсилювача.

Анотація наукової статті з електротехніки, електронної техніки, інформаційних технологій, автор наукової роботи - Іванов В. Е., Чиє Ен Ун


Low Noise Programmable DC Amplifier with Remote Control

Introduction. In modern experimental technology, the direction associated with the development of information-measuring systems for recording, pre-processing and analyzing excess low-frequency noise (flicker noise) Is well known. Currently, such measuring systems are mainly presented in the form of particular solutions, due to the large variety of research goals and objectives. At the same time, for automation of the experiment, multichannel measuring complexes with the possibility of flexible reconfiguration of the measuring channel according to the task are highly demanded. It is obvious that any distributed measuring channel is represented as a multi-stage scheme with given functions and parameters of each stage, which makes it difficult for the measuring system to adapt to different conditions and tasks of the experiment. The logical solution to this problem is a deep unification of all components of the measuring channel while maintaining good performance characteristics. One of the main problems with this is the evaluation of the intrinsic noise of electronic elements, which provide for changing the parameters of the amplifier.Objective. Experimental analysis of the intrinsic noise of electronic potentiometers, development of the concept and study of parameters of a low-noise DC amplifier with a high degree of unification, the possibility of external electronic control and the use of built-in characteristics correction algorithms.Materials and methods. To achieve the set result, a method for measuring the noise of electronic potentiometers was proposed and experimental studies were carried out.Results. According to the calculation results and experimental studies, it was shown that the specific noise of the electronic potentiometers corresponds to the noise of the metal-film resistors, which makes it possible to use them in low-noise amplification stages. The developed circuit solutions allow the implementation of a unified amplifying module with cascading to build low-noise measuring DC paths based on electronic potentiometers. External and internal digital control allows you to significantly improve the performance of the measuring path as a whole and allows you to adapt it to a wide range of tasks.Conclusion. As part of the study, a method was proposed for measuring the noise of electronic potentiometers, analytical and experimental studies were carried out, and a prototype of a low-noise amplifier was developed and investigated.


Область наук:
  • Електротехніка, електронна техніка, інформаційні технології
  • Рік видавництва: 2019
    Журнал
    Известия вищих навчальних закладів Росії. Радіоелектроніка
    Наукова стаття на тему 'малошумящими ПРОГРАМОВАНИЙ УСИЛИТЕЛЬ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ З ДИСТАНЦІЙНИМ УПРАВЛІННЯМ'

    Текст наукової роботи на тему «малошумящими ПРОГРАМОВАНИЙ УСИЛИТЕЛЬ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ З ДИСТАНЦІЙНИМ УПРАВЛІННЯМ»

    ?ORIGINAL ARTICLE

    Метрологія та інформаційно-вимірювальні прилади і системи Metrology, Information and Measuring Devices and Systems

    УДК 621.375.024 https://doi.org/10.32603/1993-8985-2019-22-4-99-108

    Малошумящий програмований підсилювач постійного струму з дистанційним управлінням

    В. Е. Іванівна, Чиє Ен Ун

    Тихоокеанський державний університет вул. Тихоокеанська, д. 136, Хабаровськ, 680035, Росія

    н Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    анотація

    Вступ. У сучасній техніці експерименту відомо напрямок, пов'язаний з розробкою інформаційно-вимірювальних систем реєстрації, попередньої обробки та аналізу надлишкових низькочастотних шумів (мерехтіння шумів). В даний час з-за різноманітності цілей і завдань досліджень такі вимірювальні системи представлені у вигляді приватних рішень. У той же час для автоматизації експерименту вельми затребувані багатоканальні вимірювальні комплекси з можливістю гнучкої реконфігурації вимірювального каналу згідно поставленому завданню. Будь-розподілений вимірювальний канал представлений у вигляді многокаскадной схеми із заданими функціями і параметрами кожного каскаду, що ускладнює адаптацію вимірювальної системи до конкретних умов і завдань експерименту. Логічним рішенням описаної проблеми є глибока уніфікація всіх компонентів вимірювального каналу при збереженні високих експлуатаційних характеристик. При цьому однією з основних проблем є оцінка власних шумів електронних елементів, що забезпечують зміну параметрів підсилювача.

    Мета роботи. Аналіз власних шумів електронних потенціометрів, розробка концепції та дослідження параметрів малошумящего підсилювача постійного струму з високим ступенем уніфікації, можливостями зовнішнього електронного урядування та вбудованими алгоритмами корекції характеристик. Матеріали та методи. Для досягнення поставленого результату запропонований спосіб вимірювання шумів електронних потенціометрів і виконані експериментальні дослідження.

    Результати. За результатами розрахунку і експериментальних досліджень показано, що питомі шуми електронних потенціометрів відповідають шумів металоплівкових резисторів, що робить можливим їх використання в малошумливих каскадах посилення. Розроблені схемотехнічні рішення дозволяють реалізувати на базі електронних потенціометрів уніфікований підсилювальний модуль з можливістю каскадування для побудови малошумливих вимірювальних трактів постійного струму. Зовнішнє і внутрішнє цифрове управління дозволяє значно підвищити продуктивність вимірювального тракту в цілому і адаптувати його до широкого кола вирішуваних завдань. Висновок. Запропоновано спосіб вимірювання шумів електронних потенціометрів, проведені аналітичні та експериментальні дослідження, розроблено та досліджено прототип малошумящего підсилювача.

    Ключові слова: малошумящий передпідсилювач, електронний цифровий потенціометр, фільтр на перемикаються конденсаторах, підсилювач постійного струму, низькочастотний надмірний шум, мерехтіння шум

    Для цитування: Іванов В. Е., Чиє Ен Ун. Малошумящий програмований підсилювач постійного струму з дистанційним управлінням // Изв. вузів Росії. Радіоелектроніка. 2019. Т. 22, № 4. С. 99-108. с1сн: 10.32603 / 1993-8985-2019-22-4-99-108

    Конфлікт інтересів. Автори заявляють про відсутність конфлікту інтересів.

    Стаття надійшла до редакції 30.04.2019; прийнята до публікації після рецензування 07.05.2019; опублікована онлайн 27.09.2019

    © Іванов В. Е., Чиє Ен Ун, 2019

    Контент доступний на умовах ліцензії Creative Commons Attribution 4.0 License This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License

    Метрологія та інформаційно-вимірювальні прилади і системи Metrology, Information and Measuring Devices and Systems

    ORIGINAL ARTICLE

    Low Noise Programmable DC Amplifier with Remote Control

    Viktor E. IvanoVa, Chye En Un

    Pacific National University 136, Tikhookeanskaya Str., 680 035, Khabarovsk, Russia

    Abstract

    Introduction. In modern experimental technology, the direction associated with the development of information-measuring systems for recording, pre-processing and analyzing excess low-frequency noise (flicker noise) is well known. Currently, such measuring systems are mainly presented in the form of particular solutions, due to the large variety of research goals and objectives. At the same time, for automation of the experiment, multichannel measuring complexes with the possibility of flexible reconfiguration of the measuring channel according to the task are highly demanded. It is obvious that any distributed measuring channel is represented as a multi-stage scheme with given functions and parameters of each stage, which makes it difficult for the measuring system to adapt to different conditions and tasks of the experiment. The logical solution to this problem is a deep unification of all components of the measuring channel while maintaining good performance characteristics. One of the main problems with this is the evaluation of the intrinsic noise of electronic elements, which provide for changing the parameters of the amplifier.

    Objective. Experimental analysis of the intrinsic noise of electronic potentiometers, development of the concept and study of parameters of a low-noise DC amplifier with a high degree of unification, the possibility of external electronic control and the use of built-in characteristics correction algorithms.

    Materials and methods. To achieve the set result, a method for measuring the noise of electronic potentiometers was proposed and experimental studies were carried out.

    Results. According to the calculation results and experimental studies, it was shown that the specific noise of the electronic potentiometers corresponds to the noise of the metal-film resistors, which makes it possible to use them in low-noise amplification stages. The developed circuit solutions allow the implementation of a unified amplifying module with cascading to build low-noise measuring DC paths based on electronic potentiometers. External and internal digital control allows you to significantly improve the performance of the measuring path as a whole and allows you to adapt it to a wide range of tasks.

    Conclusion. As part of the study, a method was proposed for measuring the noise of electronic potentiometers, analytical and experimental studies were carried out, and a prototype of a low-noise amplifier was developed and investigated.

    Key words: low noise preamplifier, electronic digital potentiometer, switch capacitor filter, DC amplifier, low-frequency excess noise, flicker noise

    For citation: Ivanov V. E., Chye En Un. Low Noise Programmable DC Amplifier with Remote Control. Journal of the Russian Universities. Radioelectronics. 2019, vol. 22, no. 4, pp. 99-108. doi: 10.32603 / 1993-8985-2019-22-4-99-108

    Conflict of interest. The authors declares no conflict of interest.

    Submitted 30.04.2019; accepted 07.05.2019; published online 27.09.2019

    Вступ. Вимірювальні системи, призначені для реєстрації і аналізу надлишкових низькочастотних шумів, в даний час представлені у вигляді приватних рішень. Це пов'язано в першу чергу з вузьким класом вирішуваних завдань. Вимірювальний канал, оптимізований для даних задач, зазвичай має малошумящий попередній підсилювач (МПУ), підсилювач другого ступеня (проміжний підсилювач - ПУ), фільтри нижніх і верхніх частот (ФНЧ, ФВЧ) [1].

    Забезпечити високий коефіцієнт посилення зазвичай менш складно, ніж компенсувати складову постійного струму і дрейф напруги. ФВЧ, що обмежує смугу пропускання каналу знизу, використовується для вирішення проблеми дрейфу. Оскільки МПУ, як правило, має невелике посилення (для збереження найкращого відносини сигнал / шум і запобігання насичення через наявність в сигналі постійної складової), фільтр включається між сліду-

    ORIGINAL ARTICLE

    Метрологія та інформаційно-вимірювальні прилади і системи Metrology, Information and Measuring Devices and Systems

    ющими ступенями посилення, де напруга зсуву набагато вище. Однак застосування ФВЧ обмежує чутливість методу діагностики на основі вимірів низькочастотного шуму. ФНЧ зі змінною частотою зрізу необхідний для усунення ефектів накладення, що особливо актуально для реєстрації сигналів з широким спектром (шумів).

    Важливою проблемою є задача узгодження виходу тестованого пристрою (OUT) і входу вимірювального підсилювача. У більшості випадків достатньо правильно вибрати операційний підсилювач (ОУ), щоб забезпечити оптимальне співвідношення його шумового струму і шумової напруги в поєднанні з вихідним опором джерела сигналу. У рідкісних випадках необхідно застосовувати спеціальні рішення. З цієї причини МПУ зазвичай мають фіксований коефіцієнт посилення по напрузі і задану смугу посилення, а також деякі типові рішення узгодження з джерелом сигналу.

    Експериментальні вимірювальні системи з описаними принципами побудови вимірювального каналу розглянуті в [2-8]. У зазначених прикладах загальне посилення по напрузі невелика, оскільки аналізатор спектру, який використовується для подальшого аналізу і обробки, вже має вбудований МПУ. В цілому використовуються методи і технічні рішення спрямовані на адаптацію вимірювального каналу до конкретних умов експерименту і представлені як приватні рішення.

    У деяких роботах [9-13] представлені підсилювачі, оптимізовані для конкретних умов застосування (наприклад, зменшення власних мерехтіння шумів). У більшості випадків використовується технологія паралельного з'єднання декількох каналів з підсумовуванням вихідних напруг або з використанням техніки крос-кореляції. На окрему увагу заслуговує робота [10], де автори роблять спробу розширення можливостей ма-лошумящіх підсилювачів за рахунок модульного підходу, поєднуючи раніше запропоновані методи крос-кореляції, схемотехнічні особливості диференціальних підсилювачів і їх каскадного з'єднання для загального зниження рівня шуму.

    Мета і постановка задачі. Для забезпечення високого ступеня уніфікації авторами запропонована концепція універсального МПУ, який може виконувати будь-яку функцію в складі вимірювального тракту. При цьому не передбачається відмінностей між першим і подальшими каскадами, а також відсутня необхідність введення схемотехнік для параметричної компенсації дрейфу. Основними вимогами є: низький рівень власних шумів, можливість дистанційного зміни коефіцієнта посилення і напруги зсуву, низькочастотна фільтрація сигналу з програмованої частотою зрізу, вбудована цифрова корекція дрейфу, відсутність обмежень частотної характеристики знизу (робота на постійному струмі), наявність цифрової системи компенсації дрейфу як в окремому модулі, так і в складі вимірювального тракту в цілому. Таким чином, універсальний підсилювач можна використовувати як окремо, так і в складі многокаскадной системи, що значно розширює його можливості [14, 15]. Основною проблемою при розробці такого підсилювача є необхідність вибору і використання електронних компонентів для регулювання посилення і зміщення, що впливають на шумові характеристики.

    Електронні цифрові потенціометри як елементи регулювання. Електронні цифрові потенціометри (ЕЦП) широко використовуються в якості елементів управління в електронних пристроях загального призначення [16]. Для регулювання коефіцієнта посилення зазвичай використовуються три основні схеми підключення потенціометра (рис. 1).

    Застосування ЕЦП в малошумливих підсилювачах може бути обмежена надлишковими шумами (в порівнянні з метало плівкові резистори), необхідністю униполярного напруги харчування і невеликим граничним значенням наскрізного струму, зазвичай обмеженим 3 ... 5 мА. Схемні рішення на рис. 1, а, б мають перевагу в тому, що забезпечують постійну силу струму через потенціометр, незалежно від значення заданого коефіцієнта посилення по напрузі (Кі). Залежність Кі (^) є нелінійної, що особливо характерно для схеми, представленої на рис. 1, б.

    Метрологія та інформаційно-вимірювальні прилади і системи Metrology, Information and Measuring Devices and Systems

    ORIGINAL ARTICLE

    Uin

    r "L

    R

    ?E = J

    Uin

    R

    : L I

    R

    i I

    + >

    -

    а

    + >

    -

    R

    U o

    U

    out «

    Uin

    I -

    б

    ^ R

    'L i

    >

    U

    out «

    R

    Мал. 1. Схеми підключення потенціометра для регулювання коефіцієнта посилення

    Fig. 1. Potentiometer wiring to adjust the gain: a - gain control with R; б - gain control with R1 і RL; в - gain control with RL

    Схема на рис. 1, в найбільш краща для МПУ, оскільки для резистора Rl шумове посилення становить Gn rl = 1 [17]. Однак в

    цією схемою при малому значенні Ri можна користуватися тільки в режимі малого сигналу, в іншому випадку через насичення підсилювального каскаду можливе перевантаження Rl. Дана проблема усувається підвищенням номіналів всіх резисторів, однак при цьому істотно зростає внесок кожного компонента в загальний рівень шуму каскаду. Обмеження струму через потенціометр з метою запобігання перевантаження може бути забезпечено цифровий регулюванням посилення в реальному часі за допомогою вбудованого алгоритму (цифрова стежить зворотний зв'язок по току).

    Щоб використовувати електронний потенціометр як регулюючий елемент в МПУ, необхідно оцінити внесок його власних шумів в загальні шуми підсилювального каскаду. Основний

    проблемою при цьому є відсутність в сучасних публікаціях даних, що характеризують характер і склад шумів потенціометра. Тому виявилося необхідним розробити тестову установку для вимірювання шуму ЕЦП і шуму резистора з еквівалентним опором. Для цієї мети можна використовувати схему, представлену на рис. 1, а, оскільки в ній посилення шуму для Щ становить

    ^ П Я = Яь / Я1

    і є найвищим значенням

    для всіх розглянутих варіантів включення.

    Для мінімізації похибки вимірювання необхідно також оцінити процентне відношення шуму Я1 і інших джерел шумів каскаду. Відомо [17], що для схеми, представленої на рис. 1, а, загальне значення среднеквад-ратіческая шуму напруги на виході каскаду буде визначатися як

    Un =

    Jn R

    "En оп + (n опRL) '(1)

    де E

    n Rl

    E

    n R

    среднеквадратические зна-

    ня шумів резисторів Яь і Щ відповідно; ЕП оп - приведений до входу (еквівалентний) шум напруги ОУ; / П опЯь - еквівалентний шум струму входу ОУ.

    Очевидно, що існує деякий оптимальне значення Я [, при якому його внесок в загальне значення шуму буде максимальним. Використовуючи (1), вклад Яь, Я1 і ОУ [%] можна розрахувати наступним чином:

    \ 2

    KR =

    En Rl

    + (

    ((N оп RL)

    Kr =

    коп -

    U 2

    n

    (E 2 En R

    U "2" "

    'E2

    100;

    100;

    / Л

    U 2

    v n

    100.

    (2)

    (3)

    (4)

    Для дослідження був використаний електронний потенціометр загального призначення з наступними параметрами: діапазон значень опору від Ятах = 1 кОм до Ятщ = 50 Ом; число кроків зміни опору = 255.

    +

    в

    ORIGINAL ARTICLE

    Метрологія та інформаційно-вимірювальні прилади і системи Metrology, Information and Measuring Devices and Systems

    K,%

    60

    40

    20

    У

    Г

    \ ОУ

    V

    |T '

    0 200 400 600 800 R, Ом

    Мал. 2. Внесок елементів схеми в шум підсилювача

    Fig. 2. Contribution of circuit elements to amplifier noise: black curves for a fixed gain circuit; gray curves for a circuit with a fixed value of the RL

    Досліджувалися дві схеми вимірювання: з фіксованим посиленням і фіксованим значенням Rl. Перша схема має перевагу в разі, коли загальний коефіцієнт підсилення вимірювального тракту фіксований і не може бути змінений. Однак це вимагає синхронно змінювати значення Rj і Rl для точного регулювання посилення по напрузі, що не дуже зручно на практиці. Друга схема може бути використана в тому випадку, коли вимірювальна установка має широкий динамічний діапазон. Очевидно, що в залежності від типу схеми внесок кожного її елемента буде різним. На рис. 2 показані залежності вкладу зазначених компонентів в загальний рівень шуму для першої і другої схем вимірювання (чорні і сірі криві відповідно). Як видно з рис. 2, внесок кожного компо -нента, розрахований по (2) - (4), практично не залежить від досліджуваного методу. У той же час внесок Rj - найбільший по відношенню до інших джерел шуму, причому особливо превалює в діапазоні опорів 300 ... 400 Ом. Наведені залежності відповідають найпоширенішому випадку, коли номінал резисторів зворотного зв'язку становить 10 ... 1000 Ом,

    Es

    -© н

    R

    що зазвичай використовується в МПУ Збільшення номіналу збільшує його внесок в загальні шуми, одночасно підвищуючи точність вимірювання. Таким чином, на практиці доцільно використовувати схему з фіксованим значенням К ^.

    На рис. 3 представлена ​​функціональна схема експериментальної установки для дослідження шумів електронних потенціометрів. Підсилювачі А1 і А2 на основі ОР37 забезпечують основне посилення (близько 104), підсилювач А3 формує необхідний для модуля збору даних Е14-440 діапазон вихідних напруг +10 В. Таким чином, загальне

    3

    посилення тракту становить близько 660 -10 .

    Фільтр МАХ7400 з зовнішнім управлінням використовується в якості ФНЧ з частотою зрізу, регульованою в діапазоні / ср = 0 ... 20 кГц, яка встановлювалася синтезатором частоти ЕОж з умови / ср = 100 / ^ О8С. середньоквадратичне

    значення напруги шуму вимірювалося з використанням спеціалізованого програмного забезпечення "Ро ^ етОгарЬ" методом смуговий цифровий фільтрації сигналу в діапазоні 1 ... 2 кГц і нормалізації усередненої реалізації спектра щодо цього значення. Для компенсації напруги зміщення і запобігання насичення вимірювального каналу в якості джерела напруги Од і резистора Щ використовувався цифроаналоговий перетворювач АБ5320. Значення Щ вибиралося таким чином, щоб забезпечити необхідний діапазон регулювання і задану точність установки напруги зсуву [1, 14, 15].

    На рис. 4 представлено порівняння отриманих експериментально шумових характеристик електронного потенціометра при коефіцієнті уси-

    Rd -t-

    >

    Ku = 103

    щ

    K,

    і 2

    'Л0 K "

    Ku3 «6

    >

    A1

    >

    A2

    ФНЧ

    F

    >

    A3

    U

    out

    ча

    DA1 AD797

    Мал. 3. Функціональна схема експериментальної установки для дослідження шумів електронних потенціометрів Fig. 3. Functional diagram of the experimental setup for the study of the noise of electronic potentiometers

    R

    R

    L

    1

    +

    Метрологія та інформаційно-вимірювальні прилади і системи Metrology, Information and Measuring Devices and Systems

    ORIGINAL ARTICLE

    en, ВД / ГЦ

    4 -10 "

    3-10

    -9 _

    2.1 (T9 | -1 -10 "

    0 200 400 600 800 R, Ом Рис. 4. Еквівалентні значення шуму напруги для підсилювача з електронним потенціометром (експеримент)

    і еквівалентного резистора R1 (розрахунок) Fig. 4. Equivalent voltage noise values ​​for an amplifier with an electronic potentiometer (experiment) and an equivalent resistor R1 (calculation)

    лення МПУ Ku ^ = 11 і розрахункової характеристики

    резистора з еквівалентним значенням опору. Як видно з рис. 4, електронний потенціометр практично еквівалентний металлопл-нічному резистору по шумовим характеристикам, що дозволяє використовувати їх в якості елементів управління в будь-якому МПУ Дані вимірювань відповідають частотам 1 ... 2 кГц і не враховують надлишкові шуми, однак використовуючи дані початкові значення для шуму Джонсона і зіставляючи спектральну характеристику шумів з шумами ОУ, можна зробити висновок, що внесок низькочастотних шумів мінімальний і зневажливо малий у порівнянні з мерехтіння шумом ОУ.

    Схемотехнічна реалізація МПУ. На рис. 5 представлена ​​функціональна схема розробленого МПУ з цифровим дистанційним керуванням. Основою підсилювача є ОУ БЛ1. Оскільки джерела сигналу можуть мати різні вихідні опору, в схемі передбачена можливість заміни його на ОУ іншого типу. Наприклад, ЛБ797 можна замінити на ТЬ071, ОР37, ЛБ795, що дозволяє підбирати необхідний ОУ під заданий вихідний опір датчика без зміни схеми управління. Посилення регулюється за допомогою ЕЦП БАЗ ЛБ8400-1К в діапазоні Ки = 5. "100 з ша-

    ип

    гом ЛК ^ = 0.39 при заданому опорі

    = 10 Ом (для зменшення вкладу в загальні шуми підсилювача).

    Зсув регулюється за допомогою ЕЦП БЛ4 ЛБ8400-10к, включеного за схемою подільника напруги. Діапазон і точність регулювання зміщення вибираються за допомогою додаткових резисторів Л2-Л4. Напруга зсуву на виході підсилювача визначається з рівняння

    Uof =

    2Up

    256

    # 1 - Un

    f 103

    -N2 + 50

    v 256 2

    Л

    R

    (5)

    | 2

    де іпіт - напруга живлення; N1, N2 - значення керуючих кодів, що подаються на БЛ4 і

    Uin

    е-

    DA2 rA

    ± U,

    DA1

    піт

    до-

    TS5A3157DVCR

    R1

    г «-

    Up + >

    -

    DA3

    AD797

    + Un

    DA4

    -U п

    + U п

    DD1

    R5 *

    1-1

    J

    AD8400

    -«Г

    Up SCF OUT

    IN CLK

    3>-

    MAX7403 DD2

    SDI, CLK, CS1, CS2

    + Up

    + Un

    ZQ1

    R3 * + Un AD8400 R4 *

    ~ п_Г

    MCU RB5

    AN0 AN1

    RC6 VDD

    RC0 .. VSS

    RC3 TX

    OSC1 RC5

    OSC2 RX

    З 1*

    U

    out

    foi

    A

    + Un -U п

    R6

    DD3

    DI TRX A

    RE,

    DE

    DI B

    R7

    DD4 LM317

    + U п

    PIC18F2520

    ADM485

    R8

    VR OUT IN GND

    GND OUT IN VR

    + U

    COM

    DD5 LM317

    Мал. 5. Функціональна схема МПУ з цифровим дистанційним керуванням Fig. 5. Functional diagram of the low-noise pre-amplifier with digital remote control

    -U

    R

    L

    B

    Метрологія та інформаційно-вимірювальні прилади і системи Metrology, Information and Measuring Devices and Systems

    ORIGINAL ARTICLE

    DA3 відповідно. Керуючі коди встановлюються мікро контролером (МК) DD2 PIC18F2520 з використанням протоколу SPI, реалізованого на програмному рівні. Аналоговий перемикач DA2 призначений для реалізації режиму періодичної компенсації дрейфу шляхом вимірювання фактичного значення вихідного зміщення і компенсації його за допомогою DA4. Цей режим може використовуватися локально в кожному підсилювачі, але при каскадному підключенні можливий більш складний алгоритм компенсації.

    З використанням (5) можлива настройка підсилювального каскаду, що забезпечує баланс між точністю компенсації зсуву і діапазоном компенсації. Реалізація та дослідження таких алгоритмів є предметом подальшої роботи.

    Очевидно, що при каскадному з'єднанні універсальних підсилювачів можна досягти високої точності установки зміщення нуля на виході всього тракту, якщо кожен підсилювач вимірювального каналу задіяний в цьому алгоритмі. Це також призводить до розширення діапазону компенсації; однак вимагає взаємного обміну інформацією між каскадами підсилювача. Об'єднання всіх підсилювачів в одну мережу на основі інтерфейсу RS-485 робить це можливим.

    Як показали подальші експерименти, аналоговий ключ DA2 не вносить додаткових шумів. Таким чином, в представленому модулі (рис. 5) реалізований один з принципів компенсації з істотним розширенням функцій, що є перевагою перед схемними рішеннями на базі модуляторів і демодуляторів. Виникаючі паразитні гармоніки частоти комутації DA2 можуть бути усунені як програмно, так і організацією збору даних синхронно з частотою комутації.

    Еліптичний фільтр восьмого порядку DD1 MAX7403 встановлений на виході DA1. Частота зрізу контролюється MCU або зовнішнім синтезатором частоти. Застосування MCU як генератор тактового сигналу має перевагу в тому випадку, якщо необхідно забезпечити незалежну частоту зрізу для кожного модуля в вимірювальному тракті при відносно невеликому діапазоні фіксованих значень,

    тоді як використання зовнішнього синтезатора дозволяє встановити будь-яку частоту зрізу в діапазоні 0 ... 30 кГц. Фільтр є опціональним модулем, так як його наявність обов'язково тільки в останніх каскадах вимірювального каналу. Фільтр першого порядку Л5С1 обмежує смугу пропускання підсилювача на частотах вище 20 кГц, що значно зменшує паразитні гармоніки DD1 MAX7403 в області низьких частот [1].

    Протокол дистанційного керування. Для зовнішнього управління підсилювачем використовується спеціальний протокол передачі даних і інтерфейс командного рядка. Розробка власного протоколу обгрунтована специфічністю вирішуваних завдань і невиправданим використанням ресурсів MCU для більшості відомих протоколів (наприклад, ModBus-RTU). Найбільш близьким до розробленого є протокол ModbusASCII [18]. Передані дані представляються в коді ASCII, що дозволяє використовувати для управління будь-яку термінальну програму. До протоколу управління ставляться такі вимоги: простота програмної реалізації на стороні МК; можливість обміну даними як між окремими МК в єдиній мережі, так і між центральним пристроєм (Master) і віддаленим пристроєм (Slave) (з'єднання "точка-точка"); можливість нарощування і розвитку системи команд без застосування меню; можливість роботи в посимвольного, построчном і пакетному режимах; введення-виведення в текстовому режимі; можливість використання будь-яких термінальних програм; робота в асинхронному режимі без тайм-аутів; незалежність від зовнішніх бібліотек і підтримка будь-яких МК, що мають вбудований модуль UART; відсутність колізій внаслідок призначення ролей (Master, Slave) кожному пристрою; робота без встановлення з'єднань; фіксовані позиції символів в заголовку кадру. Як показали попередні експерименти, при малих швидкостях передачі даних відхилення топології від стандарту RS-485 за каскадним або древовидному принципом не призводить до збільшення числа помилок. Оптимізація протоколу обміну і можливість передачі даних по лініях харчування є предметом окремих досліджень.

    Метрологія та інформаційно-вимірювальні прилади і системи Metrology, Information and Measuring Devices and Systems

    ORIGINAL ARTICLE

    M C C C 1_1 R P P P 1_1 D D D 1_1 LF

    a

    M C C C 1_1 S P P P 1_1 D D D 1_1 LF

    б

    / N / г A N S Параметри "XXXX", "YYYY" / n / г

    en, ВД / Гц 4-10-9 3 -10-9

    Мал. 6. Кадри передачі даних для управління підсилювачем

    Fig. 6. Data transfer frames for amplifier control: a - reading a given parameter; б - writing a parameter; в - module response

    На рис. 6 показані формати кадрів розробленого протоколу. Ознакою початку кадру є символ "M", після виявлення якого модуль приймає адресу "ССС" в діапазоні 0 ... 255. При збігу адреси аналізується символ типу операції ( "R" - читання (рис. 6, а), "S" - запис (рис. 6, б)). Далі в залежності від типу операції задається адреса параметра в діапазоні 0 ... 255 і при операції запису значення параметра в діапазоні 0 ... 9999. Ознакою кінця кадру є символ "LF". Якщо операція виконана успішно, модуль формує відповідь у вигляді значення параметра, незалежно від виду операції (рис. 6, в).

    У разі функціонування протоколу в рамках одного вимірювального каналу прийнята інша система адресації виду "МХХХХ.УУУУ", де "ХХХХ" - адреса вимірювального каналу, "УУУУ" - адреса модуля в вимірювальному каналі, який визначається за номером каскаду посилення. Всього реалізовано близько 30 базових команд, за допомогою яких конфігурується будь-який підсилювач в багатоканальній системі. Встановлені установки можуть бути збережені в програмованому постійному пристрої, що запам'ятовує МК і застосовані при включенні харчування модуля.

    Результати дослідження шумових характеристик. Результати вимірювання шумів описаного прототипу підсилювача представлені на рис. 7 для наступних параметрів: частота зрізу

    2 -10 "

    JUUn L ^

    1-10

    1 10 100 1000 10 000 F, Tu, Рис. 7. Еквівалентна спектральна щільність шуму напруги малошумящего підсилювача

    Fig. 7. Equivalent voltage noise spectral density of the low noise amplifier

    / Ср = 10 КГЧ fosc = 1 МГц, KUn = 11, частота

    дискретизації збору даних Fд = 50 кГц. як

    видно з малюнка, еквівалентна спектральна щільність шуму напруги на частоті 1 кГц не перевищує значення 1.2 НВД / Гц, незначно відрізняючись від величини en використовуваного ОУ. Як показали подальші вимірювання, це значення підтримується при будь-якому 5 < Ku < 100.

    Крім гармонік промислової частоти в спектрі присутній складова 45 Гц, що є комбінаційної частотою тактового генератора МК.

    Висновок. Розроблений прототип універсального вимірювального підсилювача може бути використаний для побудови складних багатоканальних розподілених вимірювальних систем. Основними перевагами підсилювача є низький рівень власних шумів, робота на постійному струмі, можливість дистанційного керування параметрами без значних змін шумових характеристик, модульність, гнучкість і простота настройки, нечутливість до якості напруги живлення, великі можливості для реалізації вбудованих алгоритмів підвищення чутливості і зниження власних фліккер- шумів.

    9

    в

    Список літератури

    1. Chye En Un, Ivanov V. E. Universal Multichannel System for Low Frequency Noise Measurement // Int. Siberian Conf. on Control and Communications, Astana, Kazakhstan, 29-30 June 2017. doi: 10.1109 / SIBCON.2017.7998532

    2. Instrumentation Design for Gate and Drain Low Fre-

    quency Noise Measurements / G. Giusi, F. Crupi, C. Ciofi,

    C. Pace // IMTC Conf. Proc., Sorrento, Italy, 24-27 Apr. 2006. P. 1747-1750. doi: 10.1109 / IMTC.2006.328224

    3. Dedicated Instrumentation for Single-Electron Effects Detection in Si Nanocrystal Memories / C. Pace, F. Crupi, S. Lombardo, G.Giusi // IMTC Conf. Proc., Sorrento, Italy, 24-27 Apr. 2006. P. 1856-1859. doi: 10.1109 / IMTC.2006.328280

    ORIGINAL ARTICLE

    Метрологія та інформаційно-вимірювальні прилади і системи Metrology, Information and Measuring Devices and Systems

    4. Automatic Measurement System for the DC and Low-F Noise Characterization of Fets at Wafer Level / G. Giusi, O. Giordano, G. Scandurra, C. Ciofi, M. Rapisarda, S. Calvi // IEEE Intern. Instrumentation and Measurement Technology Conf. (I2MTC). Piza, Italy, 11-14 May 2015. P. 2095-2100. doi: 10.1109 / I2MTC.2015.7151606

    5. Dedicated Instrumentation for High Sensitive, Low Frequency Noise Measurement Systems / C. Ciofi, G. Giusi, G. Scandurra, B. Neri // Fluctuation and Noise Lett. 2004. Vol. 4, № 2. P. 385-402.

    6. Ultra Sensitive Method for Current Noise Measurements / G. Giusi, F. Crupi, C. Ciofi, C. Pace // Review of Scientific Instruments. 2006. Vol. 77, № 1. P. 015 107 (1-5).

    7. Chengqing Wei, Yong-Zhong Xiong, Xing Zhou. Test Structure for Characterization of Low-Frequency Noise in CMOS Technologies // IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement. 2010. Vol. IM-59, № 7. P. 1860-1865. doi: 10.1109 / TIM. 2009.2028783

    8. Scandurra G., Giusi G., Ciofi C. Multichannel Amplifier Topologies for High-Sensitivity and Reduced Measurement Time in Voltage Noise Measurements // IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement. 2013. Vol. 62, № 5. P. 1145-1153. doi: 10.1109 / TIM.2012.2236719

    9. Four Channels Cross Correlation Method for High Sensitivity Current Noise Measurements / C. Ciofi, G. Scandurra, R. Merlino, G. Cannata, G. Giusi // Proc. of SPIE. Fluctuation and Noise. 2007. Vol. 6600. P. 660012 (1-8).

    10. Configurable Low Noise Amplifier for Voltage Noise Measurements / G. Scandurra, G. Cannata, G. Giusi, C. Ciofi // 22nd Intern. Conf. on Noise and Fluctuations (ICNF), Montpellier, France, 24-28 June 2013. P. 1-4. doi: 10.1109 / ICNF.2013.6578999

    11. Neri B., Pellegrini B., Saletti R. Ultra Low-Noise Preamplifier for Low-Frequency Noise Measurements in Electron Devices // IEEE Trans. on Instrumentation and Measurements. 1991. Vol. IM-40, № 1. P. 2-6. doi: 10.1109 / 19.69939

    12. Three-channel Amplifier for High-Sensitivity Voltage Noise Measurements / G. Giusi, F. Crupi, C. Ciofi, C. Pace // Review of Scientific Instruments. 2006. Vol. 77, № 1. P. 095 104 (1-5).

    13. Giusi G., Crupi F., Pace C. Ultra Sensitive Low Noise Voltage Amplifier for Spectral Analysis // Review of Scientific Instruments. 2008. Vol. 79, № 1. P. 084 701 (1-6).

    14. Ivanov V. E., Chye En Un. Simple Programmable Voltage Reference for Low Frequency Noise Measurements // J. of Physics: Conf. Series. 2018. Vol. 1015. P. 052 011 (1-5). doi: 10.1088 / 1742-6596 / 1015/5/052011

    15. Іванов В. Е., Чиє Ен Ун. Універсальні модулі попередньої обробки для систем реєстрації сигналів // Прилади. 2017. № 3 (201). С. 31-37.

    16. Ivailo M. Pandiev. Analysis And Simulation Modeling of Programmable Circuits using Digital Potentiometers // Intern. J. of microelectronics and computer science. 2014. Vol. 5, № 4. P. 127-135.

    17. Noise Analysis In Operational Amplifier Circuits. Application Report SLVA043B. Digital Signal Processing Solutions. Dallas, Texas: Texas Instruments, 2007. 23 p. URL: http://www.ti.com/lit/an/slva043b/slva043b.pdf (дата звернення: 02.07.2019)

    18. Modbus over serial line for legacy applications only. URL: http://www.modbus.org/docs/PI_MBUS_300.pdf (дата звернення: 02.07.2019)

    Інформація про авторів

    Іванов Віктор Едуардович - кандидат технічних наук (2007), доцент кафедри автоматики та системотехніки Тихоокеанського державного технічного університету (2018). Автор 46 наукових робіт. Сфера наукових інтересів - мікропроцесорні засоби та алгоритми обробки сигналів; інформаційно-вимірювальні системи. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. https://orcid.org/0000-0003-0375-904X

    Чиє Ен Ун - доктор технічних наук (1996), професор (1997), завідувач кафедри автоматики та системотехніки Тихоокеанського державного університету. Почесний працівник вищої професійної освіти РФ (2003), заслужений працівник вищої школи Російської федерації (2016), винахідник СРСР (1983). Автор понад 300 наукових робіт. Сфера наукових інтересів - інформаційно-вимірювальні системи; вимірювальні перетворювачі, прилади, системи і технології. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    References

    1. Chye En Un, Ivanov V. E. Universal multichannel system for low frequency noise measurement. Int. Siberian Conf. on Control and Communications, Astana, Kazakhstan, 2017. doi: 10.1109 / SIBC0N.2017.7998532

    2. Giusi G., Crupi F., Ciofi C., Pace C. Instrumentation design for gate and drain low frequency noise meas-

    urements. IMTC Conf. Proc. Sorrento, Italy, 2006, pp. 1747-1750. doi: 10.1109 / IMTC.2006.328224

    3. Pace C., Crupi F., Lombardo S., Giusi G. Dedicated Instrumentation for single-electron effects detection in Si nanocrystal memories. IMTC Conf. Proc. Sorrento, Italy, 2006, pp. 1856-1859. doi: 10.1109 / IMTC.2006.328280

    Метрологія та інформаційно-вимірювальні прилади і системи Metrology, Information and Measuring Devices and Systems

    ORIGINAL ARTICLE

    4. Giusi G., Giordano O., Scandurra G., Ciofi C., Rapisarda M., Calvi S. Automatic measurement system for the DC and low-f noise characterization of FETs at wafer level. IEEE Intern. Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC). Piza, Italy, 2015-го, pp. 2095-2100. doi: 10.1109 / I2MTC.2015.7151606

    5. Ciofi C., Giusi G., Scandurra G., Neri B. Dedicated instrumentation for high sensitive, low frequency noise measurement systems. Fluctuation and Noise Letters. 2004, vol. 4, no. 2, pp. 385-402.

    6. Giusi G., Crupi F., Ciofi C., Pace C. Ultra sensitive method for current noise measurements. Review of Scientific Instruments. 2006, vol. 77, no. 1, pp. 015107015107-5.

    7. Chengqing Wei, Yong-Zhong Xiong and Xing Zhou. Test Structure for Characterization of Low-Frequency Noise in CMOS Technologies. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2010 vol. 59, no. 7, pp. 1860-1865. doi: 10.1109 / TIM.2009.2028783

    8. Scandurra, G. Giusi and C. Ciofi. Multichannel Amplifier Topologies for High-Sensitivity and Reduced Measurement Time in Voltage Noise Measurements. IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement. 2013, vol. 62, no. 5. doi: 10.1109 / TIM.2012.2236719

    9. Ciofi C., Scandurra G., Merlino R., Cannata G., Giusi G. Four channels cross correlation method for high sensitivity current noise measurements. Fluctuation and Noise. Proc. of SPIE. 2007, vol. 6600, pp. 660012-1660012-8.

    10. Scandurra G., Cannata G., Giusi G., Ciofi C. Configurable low noise amplifier for voltage noise measurements. Noise and Fluctuations (ICNF). 22nd International Conference. Montpellier, France, 2013, pp. 1-4. doi: 10.1109 / ICNF.2013.6578999

    11. Neri B., Pellegrini B., Saletti R. Ultra Low-Noise preamplifier for low-frequency noise measurements in electron devices. IEEE transactions on instrumentation and measurements. 1991 року, vol. 40, no. 1, pp. 2-6. doi: 10.1109 / 19.69939

    12. Giusi G., Crupi F., Ciofi C., Pace C. Three-channel amplifier for high-sensitivity voltage noise measurements. Review of Scientific Instruments. 2006, vol. 77 (1), pp. 095104-1-095104-5.

    13. Giusi G., Crupi F., Pace C. Ultra sensitive low noise voltage amplifier for spectral analysis. Review of Scientific Instruments, 2008, vol. 79 (1), pp. 084701-1084701-6.

    14. Ivanov V. E., Chye En Un. Simple programmable voltage reference for low frequency noise measurements. Journal of Physics: Conf. Series. 2018, vol. 1015, 052 011, pp. 1-5. doi: 10.1088 / 1742-6596 / 1015/5/052011

    15. Ivanov V. E., Chye En Un. Universal preprocessing modules for signal acquisition systems. Pribory [Devices]. 2017, no. 3 (201), pp. 31-37. (In Russ.)

    16. Pandiev I. M. Analysis and simulation modeling of programmable circuits using digital potentiometers. Intern. journ. of microelectronics and computer science. 2014 року, vol. 5, no. 4, pp. 127-135.

    17. Noise Analysis In Operational Amplifier Circuits. Application Report SLVA043B. Digital Signal Processing Solutions. Dallas, Texas: Texas Instruments, 2007. 23 p. Available at: http://www.ti.com/lit/an/slva043b/slva043b.pdf (accessed 02.07.2019)

    18. Modbus over serial line for legacy applications only. Available at: http://www.modbus.org/docs /PI_MBUS_300.pdf (accessed 02.07.2019)

    Information about the authors

    Viktor E. Ivanov - Cand. Sci. (Engineering) (1994), Associate Professor of the Department of Automation and system engineering of Pacific National University (2018). The author of 46 scientific publications. Area of ​​expertise: microprocessor systems and signal processing algorithms; information-measuring systems. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. https://orcid.org/0000-0003-0375-904X

    En Un Chye - Dr. Sci. (Engineering) (1996), Professor (1997), Head of the Department of Automation and Systems Engineering of the Pacific National University. Honorary Worker of Higher Professional Education of the Russian Federation (2003), Honored Worker of Higher School of the Russian Federation (2016), inventor of the USSR (1983). The author of more than 300 scientific publications. Area of ​​expertise: information measuring systems; measuring transducers, devices, systems and technologies. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.


    Ключові слова: малошумящими Предпідсилювачі /ЕЛЕКТРОННИЙ ЦИФРОВИЙ Потенціометром /ФІЛЬТР НА перемикаються конденсаторах /ПІДСИЛЮВАЧ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ /Низькочастотні Надмірна ШУМ /Мерехтіння ШУМ /LOW NOISE PREAMPLIFIER /ELECTRONIC DIGITAL POTENTIOMETER /SWITCH CAPACITOR FILTER /DC AMPLIFIER /LOWFREQUENCY EXCESS NOISE /FLICKER NOISE

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити