Прецизионный усилитель с синхронным детектированием для измерения низких напряжений

В этой статье представлена практическая схема, в которой для усиления малых постоянных напряжений с высокой линейностью и превосходной помехоустойчивостью используется синхронное детектирование. Такие схемы необходимы при измерениях сигналов токовых шунтов, тензодатчиков, термопар и т. д. Принцип синхронного детектирования объясняется во многих книгах, статьях и руководствах по эксплуатации. Для тех, кто не знаком с этой темой, хорошей отправной точкой будет [1].

LED-драйверы MEAN WELL – выбор больше, стоимость ниже

Блок-схема усилителя показана на Рисунке 1. Он обеспечивает фиксированное усиление в 1000 раз, разделенное между инструментальным усилителем, регулируемым неинвертирующим усилителем и фильтром нижних частот. Коммутаторы полярности и инструментальный усилитель преобразуют входное постоянное напряжение в биполярные прямоугольные импульсы, что позволяет применять метод синхронного детектирования.

Блок-схема усилителя.
Рисунок 1. Блок-схема усилителя.

На Рисунке 2 представлена схема первых четырех блоков блок-схемы. Высококачественные операционные усилители обеспечивают сверхнизкое напряжение смещения, очень низкий уровень шума и скорость нарастания 20 В/мкс. Допустимое отклонение сопротивлений всех резисторов составляет 1%, но резисторы с R1 по R6 должны быть подобраны в пары с точностью 0.05%.

Принципиальная схема части усилителя (фильтр представлен на отдельной схеме).
Рисунок 2. Принципиальная схема части усилителя (фильтр представлен на отдельной схеме).

На Рисунке 3 показана схема фильтра. Это каноническая конструкция 4-полюсного фильтра нижних частот Саллена-Кея с коэффициентом усиления по постоянному току 2.576 [2], частотой среза 1 Гц и крутизной спада –80 дБ/дек. 

Принципиальная схема фильтра нижних частот.
Рисунок 3. Принципиальная схема фильтра нижних частот.

Генератор прямоугольных импульсов сделан на основе микросхемы 74HC4060. Частота установлена равной 577 Гц – простому числу, примерно равноудаленному от ближайших гармоник 50 Гц и 60 Гц.

Устройство, собранное на печатной плате, показано на Рисунке 4. Двухсторонняя плата имеет размеры 78 мм × 62 мм. Все аналоговые земли соединены отдельными печатными проводниками в точке подключения земли источника питания. Все измерения выполнялись относительно этой общей точки.

Усилитель на двухсторонней печатной плате.
Рисунок 4. Усилитель на двухсторонней печатной плате.

Характеристики схемы оценивались с помощью самодельного калибратора напряжения [3] и 6.5-разрядного мультиметра. Для увеличения разрешения по входному напряжению между двумя платами был установлен делитель 100:1.

Передаточная функция VBF, аппроксимированная линией наилучшего соответствия, имеет вид:

На Рисунке 5 изображены отклонения экспериментальных результатов от линии наилучшего соответствия в зависимости от выходного напряжения. Ошибка находилась в пределах между +1 мВ и –1 мВ. Относительно напряжения полной шкалы 10 В это отличный результат. Смещение передаточной функции на 13 мВ может быть легко устранено аппаратно или программными средствами, если схема подключена к микроконтроллеру.

Отклонения экспериментальных результатов от линии наилучшего соответствия находятся в диапазоне ±1 мВ.
Рисунок 5. Отклонения экспериментальных результатов от линии
наилучшего соответствия находятся в диапазоне ±1 мВ.

В заключение перечислим некоторые меры, которые могут помочь снизить стоимость и улучшить характеристики устройства.

Провода, соединяющие источник сигнала с платой, должны быть как можно короче.

Для U3 можно использовать более дешевый операционный усилитель с менее экстремальными значениями напряжения смещения.

Если возможно, фильтр можно заменить 2-полюсным. Второй операционный усилитель в корпусе можно использовать для компенсации смещения передаточной функции.

Использование компонентов для печатного монтажа позволит уменьшить размеры и стоимость печатной платы.

  1. Datasheet Texas Instruments OPA2189
  2. Datasheet NXP 74HC4053
  3. Datasheet NXP 74HC4060N

ООО «Мегател», ИНН 3666086782, ОГРН 1033600037020

Добавить свое объявление

* заполните обязательные данные

Статистика eFaster:

посетило сегодня 436
сейчас смотрят 40
представлено поставщиков 1575
загружено
позиций
25 067 862