Синхронный усилитель с сигнальной инвариантностью к синфазному сигналу

Бьен Буй Дык
Бесплатно
В избранное
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

Введение ………………………………………………………………………………………………………….. 5
Глава 1 Синхронные усилители ……………………………………………………………………. 11
1.1 Принцип работы синхронных усилителей …………………………………………… 11
1.2 Уровень современного развития синхронных усилителей ………………………… 18
1.3 Области применения синхронных усилителей …………………………………….. 20
1.4 Источники погрешностей функциональных блоков синхронных
усилителей ……………………………………………………………………………………….. 26
1.4.1 Инструментальный усилитель …………………………………………………… 26
1.4.2 Операционный усилитель …………………………………………………………. 31
1.4.3 Синхронный детектор……………………………………………………………….. 35
1.4.4 Аналогово-цифровой преобразователь………………………………………. 38
1.4.5 Фильтр нижних частот ……………………………………………………………… 39
Выводы к главе 1 ……………………………………………………………………………………… 40
Глава 2 Методы подавления синфазного сигнала ……………………………………….. 42
2.1 Выделение дифференциального сигнала ……………………………………………… 42
2.2 Схема компенсации синфазного сигнала …………………………………………….. 44
2.3 Схема на трех инструментальных усилителях …………………………………….. 48
2.4 Схема со следящим питанием……………………………………………………………… 50
2.4.1 Следящее питание с выходным каскадом на транзисторах ………… 53
2.4.2 Следящее питание с выходным каскадом на фотоэлектрических
модулях …………………………………………………………………………………… 56
2.5 Повышение точности повторителя напряжения …………………………………… 58
2.5.1 Фазовая компенсация повторителя напряжения ………………………… 58
2.5.2 Каскадирование повторителей напряжения ……………………………….. 66
Выводы к главе 2 ……………………………………………………………………………………… 72
Глава 3 Разработка двухканального аналогового синхронного усилителя … 74
3.1 Структурная схема синхронного усилителя ………………………………………… 74
3.2 Расчет и анализ блоков синхронного усилителя ………………………………….. 76
3.2.1 Блок выделения дифференциального сигнала ……………………………. 76
3.2.2 Повторитель напряжения с выходным каскадом на
комплементарных транзисторах ………………………………………………. 78
3.2.3 Повторитель напряжения с выходным каскадом на
фотоэлектрических модулях …………………………………………………….. 81
3.2.4 Определение нагрузочной способности повторителей……………….. 84
3.2.5 Разделительный трансформатор………………………………………………… 85
3.2.6 Программируемый трехкаскадный усилитель……………………………. 87
3.2.7 Двухкаскадный фильтр …………………………………………………………….. 90
3.2.8 Синхронный детектор……………………………………………………………….. 96
3.2.9 Выходной фильтр нижних частот ……………………………………………… 98
3.2.10 Устройство выборки и хранения ……………………………………………. 101
3.2.11 АЦП, микроконтроллер …………………………………………………………. 105
3.2.12 Источник питания …………………………………………………………………. 106
3.3 Определение метрологических характеристик синхронного усилителя 108
3.3.1 Определение коэффициента ослабления синфазного сигнала
синхронного усилителя ………………………………………………………….. 108
3.3.2 Оценка шумовой составляющей ……………………………………………… 110
3.3.3 Определение разрешающей способности синхронного
усилителя ………………………………………………………………………………. 113
3.3.4 Определение диапазона частот сравниваемых напряжений ……… 117
3.3.5 Определение диапазона сравниваемых напряжений ………………… 118
Выводы к главе 3 ……………………………………………………………………………………. 122
Глава 4 Разработка двухканального цифрового синхронного усилителя …. 123
4.1 Структурная схема блока цифровой обработки сигналов …………………… 123
4.2 Алгоритм работы программного обеспечения цифрового синхронного
усилителя ……………………………………………………………………………………… 125
4.3 Цифровой фильтр нижних частот ……………………………………………………… 127
4.4 Алгоритм цифровой фильтрации на основе дискретной временной
свертки……………………………………………………………………………………………… 136
4.5 Алгоритм цифровой фильтрации на основе быстрого преобразования
Фурье ……………………………………………………………………………………………….. 137
4.6 Фильтрация шумов……………………………………………………………………………. 139
4.7 Цифровое устройство выборки и хранения………………………………………… 144
4.8 Определение метрологических характеристик цифрового синхронного
усилителя …………………………………………………………………………………………. 146
4.8.1 Определение коэффициента ослабления синфазного сигнала
цифрового синхронного усилителя…………………………………………. 146
4.8.2 Оценка уровня шумов цифрового синхронного усилителя ………. 148
4.8.3 Определение разрешающей способности цифрового синхронного
усилителя ……………………………………………………………………………………….. 149
4.8.4 Определение диапазона частот сравниваемых напряжений ……… 153
4.8.5 Определение диапазона сравниваемых напряжений ………………… 155
Выводы к главе 4 ……………………………………………………………………………………. 158
Заключение ………………………………………………………………………………………………….. 159
Список литературы……………………………………………………………………………………… 161
Приложение А. Патент на изобретение «Аналоговый синхронный усилитель» . 176
Приложение Б. Свидетельство о Государственной регистрации программы для
ЭВМ «Цифровой обработчик сигнала синхронного усилителя» ……………………… 177
Приложение В. Патент на изобретение «Микромеханический гироскоп» ……….. 178
Приложение Г. Акты внедрения диссертационной работы ……………………………… 179

Актуальность темы
При измерениях малых отклонений напряжения, порядка 1 мкВ и менее,
актуальной является проблема выделения полезного сигнала на фоне помех.
Данная проблема актуальна при метрологическом обеспечении измерительных
преобразователей, таких как делители напряжения, токовые шунты, усилители и
т.д., при определении амплитудно-частотных характеристик цифро-аналоговых и
аналого-цифровых преобразователей, измерениях колебаний микромеханических
инерциальных датчиков (гироскопов, акселерометров) и др.
В настоящее время для измерения малых отклонений на фоне помех
различной природы при измерении переменных сигналов в широком
динамическом диапазоне частот и напряжений в качестве средства сравнения
(ноль-индикатора) применяют синхронные усилители с дифференциальным
входом.

1. Проведен анализ источников погрешности функциональных блоков
синхронных усилителей, который показал, что основное влияние на
разрешающую способность в синхронных усилителях при сравнении
двух напряжений оказывает синфазная помеха в инструментальном
усилителе входного каскада, где непосредственно происходит
выделение дифференциального сигнала.
2. Для увеличения коэффициента ослабления синфазного сигнала в
схемах на инструментальных усилителях и построения синхронного
усилителя, обладающего инвариантностью к синфазному сигналу
предложено использовать схемы следящего питания на основе
повторителей напряжения с выходным каскадом на фотоэлектрических
модулях, что позволило увеличить коэффициент ослабления
синфазного сигнала на 80 дБ в диапазоне рабочих частот.
3. На основе предложенных схемотехнических решений разработан,
практически реализован и экспериментально апробирован аналоговый
синхронный усилитель, обладающий инвариантностью к синфазному
сигналу и реализующий одновременное сравнение входных сигналов
от 10√2 мкВ до 10√2 В по амплитудам синфазных и квадратурных
составляющих в диапазоне частот от 20 Гц до 100 кГц с разрешающей
способностью до 10 нВ.
4. Разработан алгоритм цифровой обработки измерительной информации
в синхронных усилителях с дифференциальным входом, который
позволил в 10 раз повысить разрешающую способность измерения
разности напряжений по сравнению с реализованным аналоговым
решением.
5. Совокупность разработанных схемотехнических решений для
организации следящего питания схемы выделения дифференциального
сигнала на основе фотоэлектрического модуля и алгоритмических
решений по цифровой обработке позволила увеличить коэффициент
ослабления синфазного сигнала микросхем инструментальных
усилителей на 100 дБ в диапазоне рабочих частот и практически
реализовать цифровой синхронный усилитель, обладающий
инвариантностью к синфазному сигналу, реализующий одновременное
сравнение входных сигналов от 10√2 мкВ до 10√2 В по амплитудам
синфазных и квадратурных составляющих в диапазоне частот от 20 Гц
до 100 кГц с разрешающей способностью до 1 нВ.
6. Результаты работы применены при выполнении следующих НИР:
РФФИ № 15-08-01007 «Научные основы проектирования синхронных
усилителей с дифференциальным входом для измерений малых
отклонений физических величин на фоне большой синфазной помехи»
2015-2017 гг; ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным
направлениям развития научно-технологического комплекса России»,
контракт № 14.575.21.0068 «Разработка методов проектирования
многокомпонентных интегрированных микроэлектромеханических
гироскопов и акселерометров, устойчивых к дестабилизирующим
воздействиям», 2014-2016 гг; ФЦП «Исследования и разработки по
приоритетным направлениям развития научно-технологического
комплекса России», контракт № 14.578.21.0232 «Интеллектуальный
инерциальный модуль на основе микроэлектромеханических датчиков
с функциями гироскопа, акселерометра и магнитометра для систем
ориентации и навигации транспортных средств с автоматизированным
управлением», 2017-2020 гг.
7. Разработанный синхронный усилитель используется: в
ООО «Машиностроительное предприятие «Ильма» при реализации
проекта по созданию системы навигации горнопроходческого
комбайна для обработки выходных сигналов с гироскопов и
акселерометров и в учебном процессе отделения Электронной
инженерии Томского политехнического университета, что
подтверждено актами внедрения результатов диссертационной работы.

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Помогаем с подготовкой сопроводительных документов

    Совместно разработаем индивидуальный план и выберем тему работы Подробнее
    Помощь в подготовке к кандидатскому экзамену и допуске к нему Подробнее
    Поможем в написании научных статей для публикации в журналах ВАК Подробнее
    Структурируем работу и напишем автореферат Подробнее

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Анна К. ТГПУ им.ЛН.Толстого 2010, ФИСиГН, выпускник
    4.6 (30 отзывов)
    Я научный сотрудник федерального музея. Подрабатываю написанием студенческих работ уже 7 лет. 3 года назад начала писать диссертации. Работала на фирмы, а так же помог... Читать все
    Я научный сотрудник федерального музея. Подрабатываю написанием студенческих работ уже 7 лет. 3 года назад начала писать диссертации. Работала на фирмы, а так же помогала студентам, вышедшим на меня по рекомендации.
    #Кандидатские #Магистерские
    37 Выполненных работ
    Сергей Е. МГУ 2012, физический, выпускник, кандидат наук
    4.9 (5 отзывов)
    Имеется большой опыт написания творческих работ на различных порталах от эссе до кандидатских диссертаций, решения задач и выполнения лабораторных работ по любым напра... Читать все
    Имеется большой опыт написания творческих работ на различных порталах от эссе до кандидатских диссертаций, решения задач и выполнения лабораторных работ по любым направлениям физики, математики, химии и других естественных наук.
    #Кандидатские #Магистерские
    5 Выполненных работ
    Кирилл Ч. ИНЖЭКОН 2010, экономика и управление на предприятии транс...
    4.9 (343 отзыва)
    Работы пишу, начиная с 2000 года. Огромный опыт и знания в области экономики. Закончил школу с золотой медалью. Два высших образования (техническое и экономическое). С... Читать все
    Работы пишу, начиная с 2000 года. Огромный опыт и знания в области экономики. Закончил школу с золотой медалью. Два высших образования (техническое и экономическое). Сейчас пишу диссертацию на соискание степени кандидата экономических наук.
    #Кандидатские #Магистерские
    692 Выполненных работы
    Дмитрий К. преподаватель, кандидат наук
    5 (1241 отзыв)
    Окончил КазГУ с красным дипломом в 1985 г., после окончания работал в Институте Ядерной Физики, защитил кандидатскую диссертацию в 1991 г. Работы для студентов выполня... Читать все
    Окончил КазГУ с красным дипломом в 1985 г., после окончания работал в Институте Ядерной Физики, защитил кандидатскую диссертацию в 1991 г. Работы для студентов выполняю уже 30 лет.
    #Кандидатские #Магистерские
    2271 Выполненная работа
    Логик Ф. кандидат наук, доцент
    4.9 (826 отзывов)
    Я - кандидат философских наук, доцент кафедры философии СГЮА. Занимаюсь написанием различного рода работ (научные статьи, курсовые, дипломные работы, магистерские дисс... Читать все
    Я - кандидат философских наук, доцент кафедры философии СГЮА. Занимаюсь написанием различного рода работ (научные статьи, курсовые, дипломные работы, магистерские диссертации, рефераты, контрольные) уже много лет. Качество работ гарантирую.
    #Кандидатские #Магистерские
    1486 Выполненных работ
    Глеб С. преподаватель, кандидат наук, доцент
    5 (158 отзывов)
    Стаж педагогической деятельности в вузах Москвы 15 лет, автор свыше 140 публикаций (РИНЦ, ВАК). Большой опыт в подготовке дипломных проектов и диссертаций по научной с... Читать все
    Стаж педагогической деятельности в вузах Москвы 15 лет, автор свыше 140 публикаций (РИНЦ, ВАК). Большой опыт в подготовке дипломных проектов и диссертаций по научной специальности 12.00.14 административное право, административный процесс.
    #Кандидатские #Магистерские
    216 Выполненных работ
    Дмитрий Л. КНЭУ 2015, Экономики и управления, выпускник
    4.8 (2878 отзывов)
    Занимаю 1 место в рейтинге исполнителей по категориям работ "Научные статьи" и "Эссе". Пишу дипломные работы и магистерские диссертации.
    Занимаю 1 место в рейтинге исполнителей по категориям работ "Научные статьи" и "Эссе". Пишу дипломные работы и магистерские диссертации.
    #Кандидатские #Магистерские
    5125 Выполненных работ
    Оксана М. Восточноукраинский национальный университет, студент 4 - ...
    4.9 (37 отзывов)
    Возможно выполнение работ по правоведению и политологии. Имею высшее образование менеджера ВЭД и правоведа, защитила кандидатскую и докторскую диссертации по политоло... Читать все
    Возможно выполнение работ по правоведению и политологии. Имею высшее образование менеджера ВЭД и правоведа, защитила кандидатскую и докторскую диссертации по политологии.
    #Кандидатские #Магистерские
    68 Выполненных работ
    Ольга Р. доктор, профессор
    4.2 (13 отзывов)
    Преподаватель ВУЗа, опыт выполнения студенческих работ на заказ (от рефератов до диссертаций): 20 лет. Образование высшее . Все заказы выполняются в заранее согласован... Читать все
    Преподаватель ВУЗа, опыт выполнения студенческих работ на заказ (от рефератов до диссертаций): 20 лет. Образование высшее . Все заказы выполняются в заранее согласованные сроки и при необходимости дорабатываются по рекомендациям научного руководителя (преподавателя). Буду рада плодотворному и взаимовыгодному сотрудничеству!!! К каждой работе подхожу индивидуально! Всегда готова по любому вопросу договориться с заказчиком! Все работы проверяю на антиплагиат.ру по умолчанию, если в заказе не стоит иное и если это заранее не обговорено!!!
    #Кандидатские #Магистерские
    21 Выполненная работа

    Другие учебные работы по предмету