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!

    Мария А. кандидат наук
    4.7 (18 отзывов)
    Мне нравится изучать все новое, постоянно развиваюсь. Могу написать и диссертацию и кандидатскую. Есть опыт в различных сфера деятельности (туризм, экономика, бухучет... Читать все
    Мне нравится изучать все новое, постоянно развиваюсь. Могу написать и диссертацию и кандидатскую. Есть опыт в различных сфера деятельности (туризм, экономика, бухучет, реклама, журналистика, педагогика, право)
    #Кандидатские #Магистерские
    39 Выполненных работ
    Евгений А. доктор, профессор
    5 (154 отзыва)
    Более 40 лет занимаюсь преподавательской деятельностью. Специалист в области философии, логики и социальной работы. Кандидатская диссертация - по логике, докторская - ... Читать все
    Более 40 лет занимаюсь преподавательской деятельностью. Специалист в области философии, логики и социальной работы. Кандидатская диссертация - по логике, докторская - по социальной работе.
    #Кандидатские #Магистерские
    260 Выполненных работ
    Екатерина Б. кандидат наук, доцент
    5 (174 отзыва)
    После окончания института работала экономистом в системе государственных финансов. С 1988 года на преподавательской работе. Защитила кандидатскую диссертацию. Преподав... Читать все
    После окончания института работала экономистом в системе государственных финансов. С 1988 года на преподавательской работе. Защитила кандидатскую диссертацию. Преподавала учебные дисциплины: Бюджетная система Украины, Статистика.
    #Кандидатские #Магистерские
    300 Выполненных работ
    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
    Дарья Б. МГУ 2017, Журналистики, выпускник
    4.9 (35 отзывов)
    Привет! Меня зовут Даша, я окончила журфак МГУ с красным дипломом, защитила магистерскую диссертацию на филфаке. Работала журналистом, PR-менеджером в международных ко... Читать все
    Привет! Меня зовут Даша, я окончила журфак МГУ с красным дипломом, защитила магистерскую диссертацию на филфаке. Работала журналистом, PR-менеджером в международных компаниях, сейчас работаю редактором. Готова помогать вам с учёбой!
    #Кандидатские #Магистерские
    50 Выполненных работ
    Ольга Б. кандидат наук, доцент
    4.8 (373 отзыва)
    Работаю на сайте четвертый год. Действующий преподаватель вуза. Основные направления: микробиология, биология и медицина. Написано несколько кандидатских, магистерских... Читать все
    Работаю на сайте четвертый год. Действующий преподаватель вуза. Основные направления: микробиология, биология и медицина. Написано несколько кандидатских, магистерских диссертаций, дипломных и курсовых работ. Слежу за новинками в медицине.
    #Кандидатские #Магистерские
    566 Выполненных работ
    Антон П. преподаватель, доцент
    4.8 (1033 отзыва)
    Занимаюсь написанием студенческих работ (дипломные работы, маг. диссертации). Участник международных конференций (экономика/менеджмент/юриспруденция). Постоянно публик... Читать все
    Занимаюсь написанием студенческих работ (дипломные работы, маг. диссертации). Участник международных конференций (экономика/менеджмент/юриспруденция). Постоянно публикуюсь, имею высокий индекс цитирования. Спикер.
    #Кандидатские #Магистерские
    1386 Выполненных работ
    Виктор В. Смоленская государственная медицинская академия 1997, Леч...
    4.7 (46 отзывов)
    Имеют опыт грамотного написания диссертационных работ по медицине, а также отдельных ее частей (литературный обзор, цели и задачи исследования, материалы и методы, выв... Читать все
    Имеют опыт грамотного написания диссертационных работ по медицине, а также отдельных ее частей (литературный обзор, цели и задачи исследования, материалы и методы, выводы).Пишу статьи в РИНЦ, ВАК.Оформление патентов от идеи до регистрации.
    #Кандидатские #Магистерские
    100 Выполненных работ
    Родион М. БГУ, выпускник
    4.6 (71 отзыв)
    Высшее экономическое образование. Мои клиенты успешно защищают дипломы и диссертации в МГУ, ВШЭ, РАНХиГС, а также других топовых университетах России.
    Высшее экономическое образование. Мои клиенты успешно защищают дипломы и диссертации в МГУ, ВШЭ, РАНХиГС, а также других топовых университетах России.
    #Кандидатские #Магистерские
    108 Выполненных работ

    Другие учебные работы по предмету