Содержание к диссертации
ЕВВДЕНИЕ 5
I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И НАУЧНЫЕ ЗАДАЧИ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ИЗМЕЕНГЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ МИКРО- И НАНОВОЛЬТОВОГО ДИАПАЗОНОВ НА ОСНОВЕ КЛЮЧЕВЫХ МОДУЛЯТОРОВ
1.1. Классификация помех и их преобразование измерительными устройствами на основе ключевых модуляторов
1.2. Влияние помех на функционирование и погрешность измерительных устройств
1.3. Анализ современного состояния из мерительных устройств
2. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТИВНЫХ СПОСОБОВ ЗАЩИТЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ МИКРО- И НАНОВОЛЬТОВОГО ДИАПАЗОНОВ ОТ ПОМЕХ
2.1. Разработка способов защиты от паразитных емкостных, резистивных связей и
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ МИКРО- И НАНОВОЛЬТОВОГО ДИАПАЗОНОВ НА ОСНОВЕ КЛЮЧЕВЫХ МОДУЛЯТОРОВ
3.1. Показатель потери функционирования измерительных к устройств
3.2. Влияние параметров схемы и конструктивных особенностей на помехоустойчивость измерительных устройств микро- и нановольтового диапазонов
3.3. Исследование способности измерительных устройств на основе ключевых модуляторов сохранять функционирование при влиянии магнитного поля излучения
3.4. Исследование способности измерительных устройств микро- и нановольтового диапазонов уменьшать влияние магнитного поля на погрешность измерения
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫХ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ МИКРО- И НАНОВОЛЬТОВОГО
ДИАПАЗОНОВ НА ОСНОВЕ КЛЮЧЕВЫХ МОДУЛЯТОРОВ 93
Выбор метода проектирования помехоустойчивых измерительных устройств 93
Обобщенная математическая модель помехоустойчивых измерительных устройств на основе ключевых модуляторов 9 7
Методика расчета помехоустойчивых измерительных устройств микро- и нановольтового диапазона на основе ключевых модуляторов
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
МИКРО- И НАНОВОЛЬТОВОГО ДИАПАЗОНОВ НА ОСНОВЕ КЛЮЧЕВЫХ
МОДУЛЯТОРОВ
Определение эквивалентной площади элементов измерительной цепи 0
Исследование помехоустойчивости измерительных устройств но показателю потери- функционирования ИЗ
Исследование помехоустойчивости измерительных устройств по показателю помехозащищенности " Определение эффективной полосы пропускания и
приведенных ко входу шумов "
Исследование помех на выходе измерительных устройств №9
Определение дрейфа нулевого уровня и погрешности коэффициента передачи
Внедрение результатов работы в народное хозяйство ІЧ2
Заключение
Приложение I. Комплексные коэффициенты Фурье функции , переключения ключевого элемента
Приложение 2. Вывод формулы .для определения ограничения на полосу пропускания избирательного усилителя
Приложение 3. Исходные данные, программа и результаты расчета измерительных устройств микро- и нановольтового диапазонов
Приложение 4.
Приложение 5. Приложение 6«
Сравнительные параметры отечественных и зарубежных аналогов
Акты внедрения и отзывы потребителей
Сведения об использовании изобретений и расчет реального экономического эффекта от использования результатов работы в народном хозяйстве
4М 1Ь Литература
Введение к работе
эксперимента и технологического контроля часто возникает необходимость преобразования и измерения постоянных и медленно изменяющихся сигналов микро- и нановольтово —7 ТП го диапазонов 10 10 хи В.
Для этих целей используют измерительные устройства с ключевыми модуляторами, фотогальванометрические и другие высокочувствительные устройства. Из них наибольшее распространение получили измерительные устройства с ключевыми модуляторами (М-ДМ усилители) , которые и рассматриваются в данной работе.
В М-ДМ усилителях входной сигнал преобразуется в переменное напряжение и усиливается усилителем переменного тока. Затем синхронный детектор восстанавливает спектр полезного сигнала, а последующий фильтр выделяет его из помех.
М-ДМ усилители функционируют в условиях помех. При влиянии помех, в зависимости от их уровня, возможны четыре состояния М-ДМ усилителя.
1. М-ДМ усилитель способен выполнять заданную функцию и сохранять значения показателей в пределах, установленных в нормативно-технической документации.
При этом состоянии М-ДМ усилителя помехи находятся в зоне его линейности.
2. Один или несколько точностных показателей (погрешность, смещение нулевого уровня) превышают установленный предел, но быстродействие М-ДМ усилителя не изменяется. Он сохраняет способность функционировать.
При этом состоянии помехи также не превышают зоны линейности М-ДМ усилителя.
3. Быстродействие М—ДМ усилителя ухудшается. При этом состо - 6 янии происходит начало потери порога чувствительности и пропорциональности между входным и выходным сигналами измерительной информации из-за слабого насыщения усилительного тракта помехой (начало потери Функционирования).
4. М-ДМ усилитель теряет быстродействие и перестает функционировать из-за сильного насыщения усилительного тракта помехой.
При этом состоянии помехи полностью подавляют более слабый сигнал измерительной информации. Измерение становится принципиально невозможным.
Если помехи не превышают зону линейности М-ДМ усилителя, то его помехоустойчивость полностью характеризуется одним показателем, который в том или ином виде оценивает свойство устройства уменьшать влияние помех на погрешность измерения. Этот показатель в ряде работ назван показателем помехозащищенности. Показатель помехозащищенности позволяет исследовать М-ДМ усилители как линейные устройства. [ / Ч} (, fj.
Вероятность насыщения М-ДМ усилителя помехой зависит от его зоны линейности по помехе и от среднеквадратического значения помехи [.УЗ, У i J • Вероятность насыщения возрастает с уменьшением порога чувствительности устройств.
Если функционирование цифровых и аналоговых измерительных устройств с порогом чувствительности до 10 В удовлетворительным образом обеспечивается известными способами защиты от помех, то для устройств с порогом чувствительности менее 10 В создают специальные условия эксплуатации, например, антивибрационные рабочие места, экранированные помещения и т.д. Обеспечение функционирования высокочувствительных устройств в реальных условиях эксплуатации лабораторий и цехов предприятий превращается в серьезную научно-техническую задачу. Стремление решить эту задачу пу -• 7 тем улучшения помехозащищенности не приводит к желаемым результатам. Например, микровольтметры В2-25 и B2-I5 , построенные по схеме М-ДМ, не нашли широкого применения и были сняты с производства именно из-за частой потери функционирования, хотя и обладали относительно большим показателем помехозащищенности,
В литературе практически не исследована способность М-ДМ усилителей микро- и нановольтового диапазонов сохранять функционирование в заданной электромагнитной обстановке. Недостаточно исследована также способность указанных усилителей сохранять свои показатели в заданных пределах при воздействии помех, что не позволяет проектировать помехоустойчивые М-ДМ усилители микро- и нановольтового диапазонов (МВД).
Поэтому основная цель настоящей работы сводится к разработке инженерной методики проектирования М- Ц№ усилителей МВД, что позволяет обеспечить воспроизводимость показателей каждого экземпляра М-ДМ усилителя в условиях серийного производства.
В процессе выполнения работы решены следующие основные задачи:
.- оценена степень подавления внешних и внутренних помех и ее достаточность в М-ДМ усилителях МВД известными конструктивными и схемными способами защиты от помех:
- разработаны новые способы защиты от помех;
- разработана математическая модель М-ДМ усилителей для области слабого насыщения помехой;
- разработана методика инженерного расчета М-ДМ усилителей МВД.
Степень подавления внешних и внутренних помех в М-ДМ усилителях МВД известными методами защиты и достаточность подавления этих помех оценена в первой главе. В этой главе определена группа помех, влияние которых на погрешность и функционирование М-ДМ усилителей МИД полностью не исключается известными способами защиты от помех, либо их влияние возможно уменьшить за счет ухудшения других показателей устройства.
Сформулирован ряд задач исследования, решения которых приводят к созданию помехоустойчивых М-ДМ усилителей МНД.
Во второй главе разработаны новые конструктивные способы защиты от помех в М-ДМ усилителях МНД.
Предложен новый (ас № 326653) переключатель из недифицитного материала, например, меди, способный коммутировать сигналы до ІСГ10 В.
Разработаны способы защиты от паразитных емкостных и резис-тивных связей, обеспечивающие воспроизводимость порога чувствительности М-ДМ усилителей до ІСГ10 В от образца к образцу, по сравнению с ранее достигнутым 10 10 В.
Разработанные способы защиты от помех позволили предложить и реализовать при серийном производстве новый способ измерения малых напряжений (ас № 447619), на основе которого спроектирован микровольтметр ЛМПТ-І.
Предложенные конструктивные способы защиты от помех в совокупности с известными позволяют исключить влияние всех помех на М-ДМ усилители МНД, кроме магнитного поля, шумов и остаточного напряжения демодулятора.
В третьей главе проведены теоретические исследования М-ДМ усилителей МНД в части их помехоустойчивости при работе в области слабого насыщения магнитным полем (МП).
Обоснована необходимость использования нового показателя помехоустойчивости, названного в работе показателем потери функционирования, для исследования помехоустойчивости М-ДМ усилителей в области слабого насыщения помехой. Показано, что показателем потери функционирования является зона линейности устройства по помехе. М-ДМ усилитель в целом имеет некоторое множество паразитных входов, по каждому из которых существует зона линейности.
Значения зон линейности по паразитным входам зависят от технологических, конструктивных и других параметров и свойств датчика, сигнальной линии, элементов измерительной цепи и практически не поддаются анализу. Любая из них может быть меньше других и определять помехоустойчивость М-ДМ усилителя. Эти трудности решаются в работе на основе представления реальных элементов их экви-валентном-приемником МП в виде рамки с определенной эквивалентной площадью.
Предложен расчетно экспериментальный способ определения эквивалентной площади элементов.
Определены зависимости зон линейности по паразитным входам для МП от параметров схемы и конструкции М-ДМ усилителя.
Найдены зависимости для расчета зон допусков асимметрии, зоны нечувствительности и частоты преобразования модулятора, а также степени экранирования элементов измерительной цепи, которые позволили выделить из множества зон линейности одну безусловно меньшую, которая определяет помехоустойчивость М-ДМ усилителя.
Определена зависимость, позволяющая оценивать предельно достижимый (потенциальный) показатель потери функционирования, а также уменьшение реального показателя от потенциального за счет конечного экранирования элементов измерительной цепи.
Определена зависимость уровня помехи на выходе усилителя, обусловленного влиянием МП излучения, от параметров источника сигнала, схемы, элементов измерительной цепи, степени их экранирования. Исследована указанная зависимость и определены ограничения на параметры демодулятора, которые позволяют упорядочить множество гармоник помех на выходе усилителя по признаку большей амплитуды. Если параметры демодулятора находятся в определенных зонах допуска, то на выходе усилителя наибольшую амплитуду имеет гармоника помехи, наводимая первой гармоншеойМП излучения на источник сигнала.
Четвертая глава посвящена разработке инженерной методики проектирования помехоустойчивых М-ДМ усилителей микро- и нановоль-тового диапазонов.
Показано, что улучшение помехоустойчивости указанных усилителей приводит к ухудшению их быстродействия, порога чувствительности, смещению нулевого уровня, увеличению погрешности коэффициента передачи. Поэтому проектирование указанных усилителей является задачей многокритериальной. Определена совокупность зависимостей, которая отображает в математической форме влияние помех на функционирование и параметры М-ДМ усилителей. Показано, что при проектировании М-ДМ усилителей с порогом чувствительности.
В следует использовать методы, основанные на условных и безусловных критериях предпочтения. Условность состоит в том, что показатель потери функционирования и показатель помехозащищенности учитываются при расчете последовательно (во времени), а на остальные параметры наложены ограничения типа неравенства. Разработана методика расчета М-ДМ усилителей микро- и нановольто-вого диапазона и на ее основе программа расчета, которая позволяет с помощью ЭВМ определять лучший по показателям помехоустойчивости вариант из множества возможных вариантов построения указанных усилителей, удовлетворяющий ограничениш.т, налагаемым на другие параметры и условию физической реализуемости М-ДМ усилителей. В пятом разделе работы изложены результаты экспериментальных исследований и внедрения М-ДМ усилителей трех типов с порогом чувствительности соответственно 5.10" В, 6.10"" В и 2.10 В, разработанных по изложенным в данной работе методике.
Приведены результаты экспериментальных исследований помехоустойчивости, порога чувствительности, дрейфа нулевого уровня, погрешности коэффициента передачи. Результаты экспериментальных исследований отличаются от расчетных значенші на (5-20)%, что является допустимым.
Дополнительно проведена экспериментальная проверка на стационарность реализации помех на выходе указанных выше М-ДМ усилителей, которая показала, что при Ъ% уровне значимости средние и средние квадратические отклонения процессов на выходе приборов не зависят от времени.
Новизна практических результатов подтверждена авторскими свидетельствами на изобретения. Показано внедрение результатов работы в народное хозяйство страны. Определен экономический эффект от их внедрения.
На защиту выносятся:
- результаты исследования помехоустойчивости М-ДМ усилителей микро- и нановольтового диапазонов;
- методика проектирования помехоустойчивых М-ДМ усилителей микро- и нановольтового диапазонов;
- зависимость показателя потери функционирования М-ДМ усилителей от параметров датчика и сигнальной линии.
