Электрометрический усилитель Советский патент 1983 года по МПК H03F3/38 G01R17/06 

Изобретение относится к иэмери- тельной технике и может быть использовано для измерения малых поте циалов электростатических полей при действии синфазных помех. Известен электрометрический усилитель, содержащий запоминающее устройство с коммутаторюм, дифферен циальный усилитель, фазовый детектор, управляющий вход которого- подключен к выходу управляющего генера тора 11. Недостатком устройства является сравнительная низкая точность изме- рения о Наиболее близким к предлагаемому является электрометрический усилитель, содержащий два запоминающих устройства с коммутатором, последовательно соединенные диффер.енциальный усилитель, фазовый детектор, интегратор, согласующий каскад, пре образователь сигнала, управляющий г нератор/ выход которого подключен к управляющим входам запомингшзщих устройств и фазовогр детектора,,а информационные входы первого запоминающего устройства подключены к входньлм шинам элек1 рометрического усилителя.а информационные входы второго запоминающего устройства к выводу преобразователя сигнала и к общей шине С2. Недостатком электрометрического усилителя является низкий коэффи циент подавления помех. Цель изобретения - повышение точности работы за счет увеличения коэффициента подавления помех. Поставленная цель достигается тем, что в электромеханический усилитель, содержащий последователь но соединенные дифференциальный ус литель, фазовый детектору интерратор, согласующий каскад преобразователь сигнала, а также первый и второй запоминающие устройства,пер вые выходы которых соединены между собой, управляющие входы соединены выходом управляющего генератора и у равляющим входом фазового детектора причем первый и второй информационн входы первого запоминающего устройс ва соответственно подключены к перв и второй входньам шинам электрометри ческого усилителя,.а первый и второ информационные входы второго запоми нающего устройства соответственно к ВЫХОДУ преобразователя сигнала и общей шине, введены третье и четвер тое запоминаки е устройства, первые выходы соответственно соеди нены с первым и ВТОРЫМ входами дифференциального усилителя, а вторые выходы - соответственно со вторыми выходами первого и второго запомина щих устройств, третий выход третьег запоминающего устройства соединен с третьим выходом первого запоминающего устройства, а третий выход четвертого запоминающего устройства с третьим выходом второго запоминающего устройства, первые информационные входы третьего и четвертого запоминающих устройств через конденсаторы соединены соответственно с первой входной шиной электрометрического усилителя и выходом преобразователя сигнала, вторые информационные входы - соответственно - с второй входной шиной электрометрического усилителя и общей шиной, управляющие входа} - с выходом управляющего ген-ератора, блок синхронизации, вход которого подключен к третьей входной шине электрометрического усилителя, а выход - ко входу управляющего генератора, каждое запоминающее устройство содержит первый и второй конденсаторы, кс 1мутатор, состоящий из обМотки и четьфех Групп переключающих контактов причем переключающие контакты первой и второй групп соединены между собой через первый конденсатор, а переключающие контакты третьей и четвертой групп через второй конденсатор, размыкающий контакт первой группы и замыкающий контакт третьей группы подключеад к первому информационйс 4у входу запоминающего устройства, а раэмыкаивдий контакт второй группы и замыкающий контакт четвертой группы ко второму информационному входу запоминающего у стройстйа, первый выход которого соединен с замыкающим контактом первой группы и размыканмцим контактом четвертой группы, второй выход - с замыкающим контактом второй группы, третий выход - с размыкающим контактом третьей группы, управляющий вход - с первым контактом обмотки коммутатора, второй контакт которой подключен к общей шине. На фиг. 1 представлена структурная схема электрометрического усилителя, на фиг. 2 - структурная схема запоминающего устройства. Электрометрический усилитель содержит первое 1, второе 2 запоминающие устройства, последовательно соединенные дифференциальный усилитель 3, фазовый детектор 4, интегратор 5, согласующий каскад 6, преобразователь 7 сигнала, а также третье 8 и четвертое 9 запоминающие устройства, выполненные с коммутаторами, управляющий генератор 10 и блок 11 синхронизации. Причем BTojaae выходы первого 1 и третьего 8 запоминающих .устройств как и третьи выходы, соответственно соединены между собой, , а вторые информационные входы - со вторым входом электрометрического усилителя. Вторые выходы второго 2 и четвертого 9 запоминающих устройст как и третьи, соединены между собой а вторые информационные входы - со второй входной шиной электрометричес кого усилителя. Первая входная шина электрометрического усилителя сое динена с первым информационным входом первого запоминающего устрой ства 1 и через конденсатор 12 - с6 вторым информацион.ным входом третье го запоминающего устройства 8. Выход преобразователя сигнала соедзинен с . первьм информационным входом . второ го 2 и через конденсатор 13 с первь информационным входом четвертого 9 запоминаницих устройств, Первые выходы первого 1 и второ го 2 запоминакяоих устройств, соединены между собой, а первые выходы третьего 8 и четвертого Э запоминающих устройств, соответственно подключены к первому и второму входам дифференциального усилителя 3. Каждое .запоминающее устройство фиг. 2 содержит конденсаторы 14 и 15, комму татор с четырьмя группами 16-19 )чакхаих контакторов, причем переключгиощие контакты первой и второй групп контакторов 16 и 17 со динены через первый конденсатор 14, а переключающие контакты третьей и четвертой групп 18 и 19 - через вто рой конденсатор 15. Размыкакяций контакт первой группы 16 и замыкаю щий контакт третьей группы 18 подключены к первому инфор(ационному входу, а размыкаю11и1й-контакт второй 17 и замыкаюищй контакт четвертой группы 19 - ко второму информационному входу запоминающего устройства, первый выход которого ; соединен с замыкающим контактом пер вой группы 16 и размыкающим контактом четзэертой группы 19, второй выход - с замыкающим контактом второй группы 17, третий выход - с раз М1л сиощш4 контактом третьей группы 18, управляющий вход - с пер%1м кон тактом 20 комА татора, второй контакт подключен к о щей шине. электрометрический усилитель работает следоющшх образст. УПравляющ1«й генератор 10 формирует поршшический сигнал, осуществляющий в с(Шт из полупериодоБ вклю чение, а в Jlpyгoй - -выключение конденсаторов 14 а 15 каждого запоминавякего устройства 1, 2, 8 и 9. В зависикюстй от пер|И«лк чения контактов коммутатора конденсатора . запоминающих устройств с. коммутаторс1ми подключаются в соответствии со схемами фиг, 1 и 2, Частота сигНсша управления запоминающими устройствами с кс 1мутаторами-зависит от частоты поступающего на вход управляющего генератора 10 сигнала, формируемого в блоке 11 синхронизации иа поступающего на него через третий вход электрометрического усилителя. Таким образом, переключение конденсаторов 14 и 15, на котоЕялх запоминаются сигналы пэрвой и второй входных шин электрометрического усилителя, осуществляется с Частотой сигнала помехи и синхронно с ним. Сигналы поступают на соответствующие входы дифференциально,го усилителя 3, с выхода которого поступают на фазовый детектор 4, который по сигнгипу управления с частотой коммутации осуществляет преобразование перемевного сигнала в постоянный уровень, иропорциональный амплитуде переменного сигнала. С выхода фазового .детектора 4 сигнал через интегратор 5 и согласующий каскад 6 поступает иа выход электрометрического усилителя. Интегратор 5 подавляет помехи коммутации конденсаторов 14 и 15 запоминающих устройств If 2, 8 и 9, а также является статическим эвеном первого порядка, устраняющим статическую погрешность, согласующий каскад усиливает сигнал по мсяцноети, с выхода которого сигнал поступает на вход преобразователя 7 сигнала, который включен в цепь обратной связи, служащего для переключения пределов измерения, которые изменяются в зависимости от диапазона измеряемой разности потенциалов. Переключеаие конденсаторов в - соответствии со схемами фиг. 1 и 2 приводит к синхронному детектированию с соответствующих конденсаторюв запоминающих устройств 1 и 2 входного и выходного сигналов помех, в тсял случае, когда их частота одинаковы. В результате на выходе электрометрического усилителя к полезному сигналу может добавляться постоянное смещение, знак которого зависит от фазового сдвига между сигнашом на выходе управлянидего генератора 10 с сигналом помехи, приходящим на первый и второй входы электрометричес1 ого усилителя, для устранения этого смещения служат третье 3 и четвертое 9 запог нающие устройства, конденсаторы которых подключаются параллельно с первьми через соответствующие конденсаторы 12 и 13. Таким образом, при накоплении заряда в момент подключения к первой и второй шинам электрометрического усилителя входным, а также к выходу преобразователя 7 сигнала и к шире нулевого потенциала на конденсаторах первого 1 и второго 2 запомингиощих устройств накапливаются заряды, пропорциональные суммарному сигналу

(соответственно входному и выходному )f равному сумме полезного сигнала и выпрямленного сигнала помехи. В тоже время на соответствующих конденсаторах третьего 8 и четвертого 9 запоминающих устройств накапливаются заряды, пропорциональные только составляющей выпрямленного сигнала помехи. Степень компенсации детектированного сигнала помехи зависит от соотношения величин конденсаторов 12 и 13 и накопительных конденсаторов, входящих в состав третьего 8 и четвертого 9 запоминающих устройств. Чем больше соотношение

С-.-,-:, .. тем выше степень компенсаСнак

ции. Чем больше это соотношение, тем больше относительное время установления и, следовательно, хуже частотно-динамические свойства усилителя. Значения емкостей выбираются в зависимости от скорости изменения входного сигнала и -требований к частотным свойствам электрометрического усилителя. На практике, в случаях, когда уровень помехи соидмертл с уровнем полезного сигнала достаточно соотношений разделительных и накопительных емкостей равное 1 (г В момент подключения ко входам дифференциального усилителя 3 конденвходЗ

саторы первого 1 и третьего 8 запоминающих устройств включаютс встречно-последовательно, в результате происходит вычитание из суммарных входного и выходного сигналов соотв.етствующих сигналов помехи. В результате на входы дифференциального усилителя 3 поступает разностный сигнал, равный разнице полезного, входного и выходного .сигналов,

причем в каждом из полупериодов управлшощего сигнала происходит смена знака разностного сигнала, что приводит к модуляции посЮянного сигнала с частотой коммутации. Поочередная коммутация конденсаторов между входами и выходом обратной связи на вход дифференциального усилителя 3 позволяет осуществлять непрерывный режим работы усилителя. Идентичность выполнения схем запоминающих устройств 1, 2, 8 и 9 позволяет добиваться хорошего подавления сигнала помехи как по входу, так и по выходу электрометрического усилителя.

Электрометрический усилитель обеспечивает подавление дифференциальной составляющей помехи обеспечивает не менее 40 дБ в полосе частот 5 Гц р диапазоне по амплитуде сигнала рт О до 1 В,

ЭЛЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ, содержащий последовательно соединенные дифференциальный усилитель, фазовый детектор, интегратор, согласующий каскад, преобразователь сигнала, а также первый и второй запоминакицие устройства, первые выходы которых соединены между собой, управляющие входы соединены с выходом управляющего генератора и управляющим входом фазового детектора, первый и второй информационные входы первого- запоминаняцего устройства соответственно подключены к первой и второй входным шинам элект« ромет рического усилителя, а первьхй и второй информационные входы второ го запоминающего устройства соответственно - к выходу преобразователя сигнала и к общей шине, отличающийся тем, что, с целью повышения точности работы за счет увеличения коэффициента подавления помех, в него введены третье и Ч етвертое запоминающие устройства, первые Выходы которых соответственно соединены с первым и вторым входами дифференциального усилителя, а вторые выходы - соответственно со вторыми выходами первого и второго запоминающих стройств, третий выход третьего запоминаницего устройства соединен с третьим выходом первого . запомингиощего устройства, а третий выход четвертого запоминающего устройства - с третьим выходом второго запоминающего устройства, «первые информационные входы третьего и четвертого запоми накхцих устройств через конденсаторы соединены соответственно с первой входной шиной электрического усилителя и выходом преобразователя сигнала, вторые инфо 1ационные входы - соответственно с второй входной шиной электрометрического усилителя и общей шиной, управляющие входы - с выходом управляющего, генератора, блок синхронизации, вход которого подключен к третьей входной шине электрометрического усилителя, а выход - ко входу управляющего генератора. - 2. Усилитель по п. 1, отли(Л чающийся тем, что каждое запоминающее устройство содержит первый и второй конденсаторы, коммутатор, состоящий из обмотки и четырех групп переключака их контактов, причем переключающие контакты первой и второй групп соединены.между собой через первый конденсатор, а ел переключанмиие контакты третьей и четвертой групп - через второй- конден4; сатор, размыкающий контакт первой 00 группы и замыкающий контакт третьей группы подключены к рервому информационному входу запоминающего устройства, а размыкающий контакт второй группы и замыкающий контакт четвертой группы - ко второму информационнс лу входу запоминающего устройства, первый выход которого .соединен с замыкающим контактом первой группы и размыкакяцим контактом четвертой группы, второй выход - с замыкающим контактом второйТруппы, третий выход - с размыкающим контактом трртьей группы, управляющий вход - с первым контактом обмотки коммутатора, :второй контакт которой подключен-к общей шине.

ff6/jro