Синхронный микровольтметр Советский патент 1981 года по МПК G01R19/02 

(54) СИНХРОННЫЙ МИКРОВОЛЬТМЕТР

I

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению малых и сверхмалых напряжений и токов.

Известен синхронный микровольтметр состоящий из последовательно соединенных предварительного усилителя, узкополосного фильтра, оконечного усилителя, синхронного детектора и индикатора 1

Недостатком указанного синхронного ,микровольтметра является низкая точность измерений, обусловленная тем, что введение узкополосного фильтра перед синхронным детектором, необходимое для ограничения избыточного шума на его входе, увеличивает степень корреляции шумовой составляющей и тем самым снижает точность работы синхронного детектора.

Наличие в системе несинхронного узкополосного Звена Приводит к дополнительным фазовым дрейфам, связанньгм . как с нестабильностью частоты измеряемого сигнала, так и с нестабильностью резонансной частоты фильтра. Кроме того, необходимость в усилении смеси сигнала и шума до уровня, необходимого для четкой работы синхронного детектора, накладывает жесткие ограничения на динамический диапазон предварительного усилителя. Ввиду конечной его величины известные синхронные усилители такого типа допускают перегрузку шумом по входу более 40 дБ.

Известен также синхронный микро- . вольтметр, состоящий из последовательно включенных предварительного усилителя с регулируемым коэффициентом передачи, синхронного фильтра, оконечного усилителя, синхронного детектора и индикатора 2 1.

Этот микровольтметр имеет больший динамический диапазон и точность, так как резонансный фильтр заменен синхронным.

Однако в известном устройстве синх- ронный фильтр, как и всякий коммутируемый элемент, обладает собственным коммутационным шумом, а также дрейфом Для исключения либо относительного уменьшения влияния дрейфа и шума синхронного фильтра на результаты измерений перед синхронным фильтром вклю чают предварительный усилитель, наличие которого сужает динамический диапазок синхронного вольтметра в целом и делает его чувствительным к перегрузке шумом, так как, если шумовая составляющая доводит предварительный усилитель до насыщения, нарзппается статическая однородность шума и возни кают кроссмодуляционные биения шума с сигналом. Это приводит к дополнительному, зависящему от амплитуды и, таким образом, неконтролируемому смещен ию нуля микровольтметра, что снижает Точность измерений при флуктуациях шумовой составляющей. Цель изобретения - повьш1ение помехоустойчивости синхронного микровольт метра при флуктзшрующей амплитуде шумовой составляющей на его входе. Указанная цель достигается тем, что в известный синхронный микровольт метр, состоящий из предварительного усилителя с регулируемым коэффициентом передачи, синхронного фильтра и последовательно соединенных оконечног усилителя, синхронного детектора и ин дикатора, дополнительно введены первы и второй усилители, измерительный бло блок сравнения, корректирующее звено и источник опорного напряжения (тока причем первый усилитель включен между предварительным усилителем и синхронным фильтром, второй усилитель включе между синхронным фильтром и оконечным усилителем, вход измерительного блока соединен с выходом ,первого усилите ля, его выход соединен с первым входо блока сравнения, второй вход блока сравнения соединен с источником опорного напряжения (тока), а выход блока сравнения через корректирующее звено соединен с управляющ1 1ми входами перво го и второго усилителей, при этом коэффициенты передачи обоих усилителей выполнены взаимообратно зависящими от управляющего напряжения (тока. На чертеже приведена схема устройства. Устройство содержит предварительный усилитель 1, первый усилитель 2 с управляемым напряжением (током7 коэффициентом передачи, синхронный фильтр 3, второй усилитель 4 с управляемым напряжением .(током коэффициентом передачи, оконечный усилитель 5, синхронный детектор 6; индикатор 7, измерительный блок 8, блок 9 сравнения, источник 10 опорного напряжения, корректирующее звено II. Устройство работает следующим образом. Смесь измерительного сигнала и шума (ЕЩ+ Е) подается на вход предварительного усилителя 1 с коэффициентом передачи К, усиливается до уровня Е. К(ЕЩ+ Eg), поступает на вход усилителя 2, где усиливается до уровня Е2 КуК (ЕШ + Е ), где К jf- i коэффициент передачи усилителе 2, и подается на вход синхронного фильтра 3, где происходит подавление шумовой составляющей. С выхода синхронного фильтра 3 сигнал ЕЗ , где К - коэффициент передачи синхронного фильтра по сигналу ( 1), очищенный от шумов, подается на вход усилителя 4 с коэффициентом передачи Кд, усиливается до уровня Е. , KiK-К К. Е и после усиления усили1;елем 5 до уровня Е « . Kg.K. и детектирования синх- ронным детектором 6 подается на индикатор 7. Одновременно с этим сигнал с выхода усилителя 2 преобразуется измерительным блоком 8 в сигнал „ «KgE, где Kg - коэффициент передачи измерительного блока, и поступает на вход блока 9 сравнения, сравниваклцего его с опорным сигналом Е от опорного источника 10. Выходной сигнал блока 9 сравнения Ел Kg(Eo-Eg) через корректирующее звено 11, формирующее амплитудно-частотную характеристику системы и тем самым обеспечивакнцее ее устойчив ость, подается на управляющие входы усилителей 2 и 4. Пусть коэффициент передачи усилителя 2 обратно пропорционален сигналу на управляющем входе: Kjj Sj/E, где Sj, - крутизна преобразования напряжения в коэффициент передачи. Подставим сюда выражение , V или (Е - KgE) При , Кя / О и конечном S- ; (ЕО - KgE2), и.таким образом, напряжение на выходе усилителя 2 поддерживается на уровне

Е |KgHeзависимо от величины входного сигнала. Если теперь задать величину ЕО такую, что Ед , где максимальное значение амплитуды выходного сигнала, при котором усилитель работает в линейном режиме, то при любых изменениях амплитуд сигнала и шума на входе синхронного микровольтметра он будет работать на линейном участке амплитудной характеристики (что устраняет погрешности за счет кроссмодуляционных дрейфов нуля), а динамический диапазон всего тракта, определяемый предварительным усилителем, автоматически и оптимально устанавливается по входному сигналу.

Таким образом, при малых сигналах коэффициент передачи усилителя 2 макси мален, а динамический диапазон соответственно мал,но достаточен для высококачественной работы синхронного фильтра.Одновременно с этим максимально уменьшено влияние собственных коммутационных шумов и дрейфа синхронного фильтра.При большом входном сигнале в частности,при большой перегруЗке (в частности, при большой перегрузке шумом) коэффициент передачи падает вплоть до единицы, и динамический диапазон синхронного микровольтметра увеличивается до величины собственного динамического диапазона синхронного .фильтра. При этом, ввиду конечности коэффициента .подавления шума синхронным фильтром, уровень неподавленного шума на его выходе, как правило, много больше уровня собственных коммутационных помех, и относительное увеличение их доли (за счет уменьшения коэффициента передачи предусилителя) на работу синхронного усилителя влияния не оказывает.

Пусть коэффициент передачи усилителя 4 прямо пронорционален управляющему напряжению, т.е. Кл Д Зл - крутизна П9 вобразования управляющего параметра в коэффициент пере- дачи. Так как шумовая составляющая сигнала, задержанная синхронным фильтром, на вход уймяителя 4 не поступает, а полезный сигивл проходит беспрепятственно , то коэффициент передачи синхронного микровольтметра для полезного сиЕнала

)

от коэффициентов передачи усилителей 2 и 4 не зависит и сохраняется неизменным независимо от флуктуации уровня шумовой составляющей на его входе.

Таким o6paatOM, повышение флуктуационной помехоустойчивости достигается путем автоматического переноса коэффициента передачи из дофильтровой части синхронного ми ровольтметра в послефильтроЬую. В момент действия шумовой флу1 туации коэффициент передачи первого усилителя уменьшается в число раз, необходимое для предотврщения перегрузки его шумом. Это устраняет возможность сдвига нулевого уровня синхронного микровольтметра и связанную с ним погрешность измерений. Одновременно с этим в такое же число раз увеличивается коэффициент передачи второго усилителя и, таким образом для измеряемого сигнала полный коэффициент передачи синхронного микровольтметра сохраняется неизменным (шум в ЭТУ; часть синхронного микровольтметра не проходит, так как отфильтровывается синхронным фильтромjl.

Предлагаемый микровольтметр позволяет повысить помехоустойчивость при наличии значительной и флуктуирующей составляющей шума на его входе по сравнению с известными синхронными микровольтметрами и сократить время измерений за счет сокращения числа повторных измерений, необходимых при измерениях в условиях значительной и флуктуирующей перегрузки йумом.

Формула изобретения

Синхронный микровольтматр, содержащий предварительный усилитель с регулируемым коэффициентом передачи, синхронный фильтр и последовательно соединенные оконечный усилитель, синхронный детектор .и индикатор, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения помехоус тойчивости при флуктуирукицей амплитуде шумовой составляющей на его входе, в него дополнительно введены первый и второй усилители, измерительный блок блок сравнения, корректирующее звено, и источник опорного напряжения (тока, причем первый усилитель включен между предварительным усилителем и синхронным фильтром, второй усилитель включен меящу синхронным фильтром и оконечным усилителем, вход измерительного блока соединен с выходом первого усилителя, его выход соединен с первым входом блока сравнения, второй вход блока сравнения соединен с источником опорного напряжений (тока), а выход блока сравнения через корректирующее звено соединен с управляющими входами первого и, второго усилителей, при этом коэффициенты передачи обоих усилителей выполнены взаимообратно зависящими от отправляющего напряжений (тока ).

Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе

2,Фрэйтер Р. Приборы для научных исследований. 196А, № 7, с. 28 ( прототип). .