SU834544A1 - Synchronous micro-voltmeter - Google Patents

Description

(54) СИНХРОННЫЙ МИКРОВОЛЬТМЕТР(54) SYNCHRON MICROVOLTMETER

II

Изобретение относитс  к измерительной технике, в частности к измерению малых и сверхмалых напр жений и токов .The invention relates to a measurement technique, in particular to the measurement of low and ultra-low voltages and currents.

Известен синхронный микровольтметр состо щий из последовательно соединенных предварительного усилител , узкополосного фильтра, оконечного усилител , синхронного детектора и индикатора 1A synchronous microvoltmeter consisting of a series-connected preamplifier, narrowband filter, terminal amplifier, synchronous detector, and indicator 1 is known.

Недостатком указанного синхронного ,микровольтметра  вл етс  низка  точность измерений, обусловленна  тем, что введение узкополосного фильтра перед синхронным детектором, необходимое дл  ограничени  избыточного шума на его входе, увеличивает степень коррел ции шумовой составл ющей и тем самым снижает точность работы синхронного детектора.The disadvantage of this synchronous microvoltmeter is the low measurement accuracy due to the fact that the introduction of a narrowband filter in front of the synchronous detector, necessary to limit the excessive noise at its input, increases the degree of correlation of the noise component and thereby reduces the accuracy of the synchronous detector.

Наличие в системе несинхронного узкополосного Звена Приводит к дополнительным фазовым дрейфам, св занньгм . как с нестабильностью частоты измер емого сигнала, так и с нестабильностью резонансной частоты фильтра. Кроме того, необходимость в усилении смеси сигнала и шума до уровн , необходимого дл  четкой работы синхронного детектора , накладывает жесткие ограничени  на динамический диапазон предварительного усилител . Ввиду конечной его величины известные синхронные усилители такого типа допускают перегрузку шумом по входу более 40 дБ.The presence of a nonsynchronous narrowband link in the system. This leads to additional phase drifts, which are associated with the junction. both with the frequency instability of the measured signal and with the instability of the resonant frequency of the filter. In addition, the need to amplify the signal and noise mix to the level necessary for the accurate operation of the synchronous detector imposes severe restrictions on the dynamic range of the preamplifier. Due to its final size, known synchronous amplifiers of this type allow noise overload on the input of more than 40 dB.

Известен также синхронный микро- . вольтметр, состо щий из последовательно включенных предварительного усилител  с регулируемым коэффициентом передачи , синхронного фильтра, оконечного усилител , синхронного детектора и индикатора 2 1.Also known synchronous micro. A voltmeter consisting of a series-connected preamplifier with an adjustable gain, a synchronous filter, a terminal amplifier, a synchronous detector, and an indicator 2 1.

Этот микровольтметр имеет больший динамический диапазон и точность, так как резонансный фильтр заменен синхронным .This microvoltmeter has a greater dynamic range and accuracy, since the resonant filter is replaced by a synchronous one.

Однако в известном устройстве синх- ронный фильтр, как и вс кий коммутируемый элемент, обладает собственным коммутационным шумом, а также дрейфом Дл  исключени  либо относительного уменьшени  вли ни  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 шумова  составл юща  доводит предварительный усилитель до насыщени , нарзппаетс  статическа  однородность шума и возни кают кроссмодул ционные биени  шума с сигналом. Это приводит к дополнительному , завис щему от амплитуды и, таким образом, неконтролируемому смещен ию нул  микровольтметра, что снижает Точность измерений при флуктуаци х шумовой составл ющей. Цель изобретени  - повьш1ение помехоустойчивости синхронного микровольт метра при флуктзшрующей амплитуде шумовой составл ющей на его входе. Указанна  цель достигаетс  тем, что в известный синхронный микровольт метр, состо щий из предварительного усилител  с регулируемым коэффициентом передачи, синхронного фильтра и последовательно соединенных оконечног усилител , синхронного детектора и ин дикатора, дополнительно введены первы и второй усилители, измерительный бло блок сравнени , корректирующее звено и источник опорного напр жени  (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 л , его выход соединен с первым входо блока сравнени , второй вход блока сравнени  соединен с источником опорного напр жени  (тока), а выход блока сравнени  через корректирующее звено соединен с управл ющ1 1ми входами перво го и второго усилителей, при этом коэффициенты передачи обоих усилителей выполнены взаимообратно завис щими от управл ющего напр жени  (тока. На чертеже приведена схема устройства . Устройство содержит предварительный усилитель 1, первый усилитель 2 с управл емым напр жением (током7 коэффициентом передачи, синхронный фильтр 3, второй усилитель 4 с управл емым напр жением .(током коэффициентом передачи, оконечный усилитель 5, синхронный детектор 6; индикатор 7, измерительный блок 8, блок 9 сравнени , источник 10 опорного напр жени , корректирующее звено II. Устройство работает следующим образом . Смесь измерительного сигнала и шума (ЕЩ+ Е) подаетс  на вход предварительного усилител  1 с коэффициентом передачи К, усиливаетс  до уровн  Е. К(ЕЩ+ Eg), поступает на вход усилител  2, где усиливаетс  до уровн  Е2 КуК (ЕШ + Е ), где К jf- i коэффициент передачи усилителе 2, и подаетс  на вход синхронного фильтра 3, где происходит подавление шумовой составл ющей. С выхода синхронного фильтра 3 сигнал ЕЗ , где К - коэффициент передачи синхронного фильтра по сигналу ( 1), очищенный от шумов, подаетс  на вход усилител  4 с коэффициентом передачи Кд, усиливаетс  до уровн  Е. , KiK-К К. Е и после усилени  усили1;елем 5 до уровн  Е « . Kg.K. и детектировани  синх- ронным детектором 6 подаетс  на индикатор 7. Одновременно с этим сигнал с выхода усилител  2 преобразуетс  измерительным блоком 8 в сигнал „ «KgE, где Kg - коэффициент передачи измерительного блока, и поступает на вход блока 9 сравнени , сравниваклцего его с опорным сигналом Е от опорного источника 10. Выходной сигнал блока 9 сравнени  Ел Kg(Eo-Eg) через корректирующее звено 11, формирующее амплитудно-частотную характеристику системы и тем самым обеспечивакнцее ее устойчив ость , подаетс  на управл ющие входы усилителей 2 и 4. Пусть коэффициент передачи усилител  2 обратно пропорционален сигналу на управл ющем входе: Kjj Sj/E, где Sj, - крутизна преобразовани  напр жени  в коэффициент передачи. Подставим сюда выражение , V или (Е - KgE) При , К  / О и конечном S- ; ( ЕО - KgE2), и.таким образом, напр жение на выходе усилител  2 поддерживаетс  на уровнеHowever, in the known device, the synchronous filter, like the entire switching element, has its own switching noise as well as drift. To exclude or reduce the influence of the drift and noise of the synchronous filter on the measurement results before the synchronous filter, the preamplifier reduces the presence of dynamic range of the synchronous voltmeter as a whole and makes it sensitive to noise overload, since if the noise component brings the preamplifier to saturation, static noise homogeneity and cross-modulation noise beats with a signal occur. This leads to an additional, amplitude dependent and, thus, uncontrolled, displacement of the microvoltmeter junction, which reduces the measurement accuracy during fluctuations of the noise component. The purpose of the invention is to increase the noise immunity of a synchronous microvolt meter with a fluctuating amplitude of the noise component at its input. This goal is achieved by the fact that a known synchronous microvolt meter consisting of a preamplifier with an adjustable transmission coefficient, a synchronous filter and a series-connected terminal amplifier, a synchronous detector and an indicator are additionally introduced with the first and second amplifiers, the measuring unit of the comparison unit, the correction unit and a source of reference voltage (current, the first amplifier is connected between the pre-amplifier and the synchronous filter, the second amplifier is switched between the synchronous phi The terminal and the amplifier, the input of the measuring unit is connected to the output, the first amplification unit, its output is connected to the first input of the comparison unit, the second input of the comparison unit is connected to the reference voltage source (current), and the output of the comparison unit is connected to the control unit 1 inputs of the first and second amplifiers, while the transfer coefficients of both amplifiers are mutually inversely dependent on the control voltage (current. The drawing shows the diagram of the device. The device contains a pre-amplifier 1, the first amplifier 2 with a controlled voltage (current 7 transfer coefficient, synchronous filter 3, the second amplifier 4 with controlled voltage. (Current transfer ratio, terminal amplifier 5, synchronous detector 6; indicator 7, measuring unit 8, Comparison unit 9, voltage source 10, correction element II. The device operates as follows: A mixture of the measuring signal and noise (ЕЧ + Е) is fed to the input of preamplifier 1 with a transmission coefficient K, amplifying c to level E. K (ЕЩ + Eg), is fed to the input of amplifier 2, where it is amplified to the level of Е2 КК (ЕШ + Е), where К jf- i is the transfer coefficient of amplifier 2, and is fed to the input of synchronous filter 3, where noise component suppression. From the output of the synchronous filter 3, the signal EZ, where K is the transfer coefficient of the synchronous filter by signal (1), cleared of noise, is fed to the input of amplifier 4 with the transfer ratio Cd, is amplified to the level E., KiK-K . E and after amplification; 1; 5) up to the level of E ". Kg.K. and detection by the synchronous detector 6 is applied to the indicator 7. At the same time, the signal from the output of the amplifier 2 is converted by the measuring unit 8 into the signal "" signal E from the reference source 10. The output signal of unit 9 Comparison El Kg (Eo-Eg) through the correction link 11, which forms the amplitude-frequency characteristic of the system and thereby ensure its stability, is fed to the control inputs of the amplifiers 2 and 4. Let the transfer coefficient of amplifier 2 be inversely proportional to the signal at the control input: Kjj Sj / E, where Sj, is the slope of the voltage to voltage transfer. We substitute here the expression, V or (E - KgE) When, K / O and the final S-; (EO - KgE2), and thus, the output voltage of amplifier 2 is maintained at

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 изменени х амплитуд сигнала и шума на входе синхронного микровольтметра он будет работать на линейном участке амплитудной характеристики (что устран ет погрешности за счет кроссмодул ционных дрейфов нул ), а динамический диапазон всего тракта, определ емый предварительным усилителем , автоматически и оптимально устанавливаетс  по входному сигналу.E | KgHe depending on the size of the input signal. If we now set the EO value such that EU, where the maximum amplitude of the output signal at which the amplifier operates in a linear mode, then for any changes in signal amplitudes and noise at the input of a synchronous microvoltmeter, it will work on the linear portion of the amplitude characteristic (which eliminates errors due to cross-modulation drifts (zero), and the dynamic range of the entire path, determined by the preamplifier, is automatically and optimally determined from the input signal.

Таким образом, при малых сигналах коэффициент передачи усилител  2 макси мален, а динамический диапазон соответственно мал,но достаточен дл  высококачественной работы синхронного фильтра.Одновременно с этим максимально уменьшено вли ние 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 увеличиваетс  до величины собственного динамического диапазона синхронного .фильтра. При этом, ввиду конечности коэффициента .подавлени  шума синхронным фильтром, уровень неподавленного шума на его выходе, как правило, много больше уровн  собственных коммутационных помех, и относительное увеличение их доли (за счет уменьшени  коэффициента передачи предусилител ) на работу синхронного усилител  вли ни  не оказывает.Thus, at small signals, the transmission coefficient of amplifier 2 is maximal, and the dynamic range is correspondingly small, but sufficient for high-quality synchronous filter operation. At the same time, the effect of intrinsic switching noise and drift of the synchronous filter is minimized. a large transfer rate (in particular, when there is a large noise overload), the transfer coefficient drops down to one, and the dynamic range of the synchronous microvoltmeter increases to bstvennogo .filtra synchronous dynamic range. At the same time, due to the finiteness of the noise suppression coefficient of the synchronous filter, the level of non-suppressed noise at its output is, as a rule, much higher than the level of intrinsic switching interference, and the relative increase in their share (due to a decrease in the preamplifier gain) does not affect .

Пусть коэффициент передачи усилител  4 пр мо пронорционален управл ющему напр жению, т.е. Кл Д Зл - крутизна П9 вобразовани  управл ющего параметра в коэффициент пере- дачи. Так как шумова  составл юща  сигнала, задержанна  синхронным фильтром , на вход уйм ител  4 не поступает, а полезный сигивл проходит беспреп тственно , то коэффициент передачи синхронного микровольтметра дл  полезного сиЕналаLet the transfer coefficient of the amplifier 4 be directly permeable to the control voltage, i.e. CLD PLN is the P9 slope in the formation of the control parameter in the transmission coefficient. Since the noise component of the signal delayed by the synchronous filter does not reach the input as much as 4 and the useful signal runs smoothly, the transmission coefficient of the synchronous microvoltmeter for the useful signal

) )

от коэффициентов передачи усилителей 2 и 4 не зависит и сохран етс  неизменным независимо от флуктуации уровн  шумовой составл ющей на его входе.The transmission coefficients of amplifiers 2 and 4 are independent and remain unchanged regardless of the fluctuation of the level of the noise component at its input.

Таким o6paatOM, повышение флуктуационной помехоустойчивости достигаетс  путем автоматического переноса коэффициента передачи из дофильтровой части синхронного ми ровольтметра в послефильтроЬую. В момент действи  шумовой флу1 туации коэффициент передачи первого усилител  уменьшаетс  в число раз, необходимое дл  предотврщени  перегрузки его шумом. Это устран ет возможность сдвига нулевого уровн  синхронного микровольтметра и св занную с ним погрешность измерений. Одновременно с этим в такое же число раз увеличиваетс  коэффициент передачи второго усилител  и, таким образом дл  измер емого сигнала полный коэффициент передачи синхронного микровольтметра сохран етс  неизменным (шум в ЭТУ; часть синхронного микровольтметра не проходит, так как отфильтровываетс  синхронным фильтромjl.Thus, o6paatOM, an increase in the fluctuation noise immunity is achieved by the automatic transfer of the transfer coefficient from the pre-filter part of the synchronous voltmeter to the post-filter part. At the time of the noise fluctuation, the transmission coefficient of the first amplifier is reduced by the number of times necessary to prevent noise overloading it. This eliminates the possibility of shifting the zero level of a synchronous microvoltmeter and the measurement error associated with it. At the same time, the transmission coefficient of the second amplifier increases by the same number and, thus, for the measured signal, the total transmission coefficient of the synchronous microvoltmeter remains unchanged (noise in the EGT; a part of the synchronous microvoltmeter does not pass because it is filtered by the synchronous filter).

Предлагаемый микровольтметр позвол ет повысить помехоустойчивость при наличии значительной и флуктуирующей составл ющей шума на его входе по сравнению с известными синхронными микровольтметрами и сократить врем  измерений за счет сокращени  числа повторных измерений, необходимых при измерени х в услови х значительной и флуктуирующей перегрузки йумом.The proposed microvoltmeter allows to increase the noise immunity in the presence of a significant and fluctuating noise component at its input compared to the known synchronous microvoltmeters and reduce the measurement time by reducing the number of repeated measurements required for measurements under significant and fluctuating yum overload conditions.

Claims (1)

1.Гомодинный нановольтметр типа УНИПАН 232. Инструкци  по обслуживанию , Варшава.1. Homodinny nanovoltmeter type UNIPAN 232. Maintenance instructions, Warsaw. 2,Фрэйтер Р. Приборы дл  научных исследований. 196А, № 7, с. 28 ( прототип ). .2, R. Freiter. Instruments for scientific research. 196A, No. 7, p. 28 (prototype). .