Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Кафедра радиоэлектроники и защиты информации
САБЫРОВ НУРЛЫБЕК БАКТИЯРОВИЧ
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНИТНЫХ ДАТЧИКОВ
Направление 210400.68 "Радиотехника"
Магистерская программа
"Системы и устройства передачи, приема и обработки сигналов"
Автореферат
диссертации на соискание
степени "МАГИСТР"
Научный уководитель:
к.т.н., доцент каф. РЗИ
_____Б.И. Авдоченко
2015
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
Современные радиоэлектронные системы представляют сложные комплексы технических средств, включающие в себя датчики, преобразователи сигналов, устройства отображения и регистрации. Усилитель выполняет функцию согласующего звена между датчиком и регистратором информации, и является одним из важнейших звеньев измерительной системы,от которого зависят объем, качество информации и точность работы системы.
Инструментальный усилитель применяются в качестве предварительных усилителей слабых сигналов постоянного и переменного токов, служит первым каскадом измерительной или преобразовательной схемы, где основным требованием является точность передачи входного сигнала от источника к последующей схеме преобразования. При измерении магнитного поля входной сигнал подается на измерительный усилитель с датчика, преобразующий неэлектрическую величину в аналоговый электрический сигнал.
Проблемы
Основные проблемы, которые приходится решать при усилении слабого сигнала для обработки последующими каскадами, связаны с подавлением шумов и нестабильностью коэффициента усиления при воздействии внешних факторов. Для работы с малыми сигналами ИУ должен обладать высокой стабильностью характеристик, низким уровнем собственных шумов, иметь регулируемымой с возможно большей точностью коэффициент усиления и полоса пропускания, большой коэффициент ослабления синфазного сигнала и низкий температурный дрейф.
Цели диссертационной работы
Целью магистерской диссертации является разработать и прибора для измерения чувствительностей датчиков слабых магнитных полей. Для достижения цели, решено следующие основные задачи:
Проведен аналитический обзор возможных вариантов построения прибора;
Выбрано схему основных узлов прибора;
Выбрано элементной базы;
Разработано конструкцияя прибора и топология печатных плат в программе Sprint-Layout 5.0 R;
Изготовлено и настройка прибора;
Экспериментально исследовано характеристик прибора;
Исследовано зависимость выходного напряжения ИУ от величиный магнитного поля.
Используемые методы и технологии
Ввиду сложности перечисленных выше задач, с учетом специфики исследований, потребовался концептуальный подход, основанный на теоретических и практических исследованиях.
В практических исследованиях использовался эмпирический метод исследований. В качестве средств исследований применялись аттестованные приборные базы Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.
Особенность разработки конструкция ИУ: усилитель должен быть предельно чувствительным, поэтому особое внимания уделено к уменьшению внутренних шумов и снижению наводок от внешных полей. Для этого плата ИУ установлена в металлическом немагнитном корпусе, установлены фильтры питания, предельно укорочены подводящие проводники от датчика, а плата выполнена с экранировкой с нижней стороны.
При изготовлении использовалась технология планарного монтажа на подложках из стеклотекстолита с применением чип – элементов
Научная новизна
В диссертации предложены и исследованы различные варианты ИУ для определение чувствительности датчиков в переменном и постоянном магнитном полях.
В проведенных исследований были получены следующие новые научные результаты:
Разработан малошумящий инструментальный усилитель и с его помощью проведены исследования магнитных датчиков (предельной чувствительности и порога обнаружения слабых магнитных полей).
Практическая значимость
Изготовлен универсальный измерительный усилитель со следующими параметрами: коэффициент усиления усилителя 100 или 1000, полоса пропусканию равна либо 5 Гц либо 50 Гц, собственный шум усилителя 14,17 нВ/√Гц.
Использование разработанного усилителя позволяет измерять слабые электрические сигналы с различных датчиков.
Реализация работы
Разработан экспериментальный образец малошумящего инструментального усилителя, позволяющий в широких пределах регулировать основные параметры усилителя.
Получены результаты исследования магниточувствитель-
них датчиков, определена крутизна характеристик, собственные шумы и пороговая чувствительность датчиков слабых магнитных полей.
Публикация
Основные результаты диссертационной работы доклады-
вались, и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции «НАУЧНАЯ СЕССИЯ ТУСУР-2015» [1].
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четыре глав, заключения, приложений, списка литературы, представлена 2 листами графического материала, изложена на 72 страницах машинописного текста, иллюстрированного 40 рисунками и 13 таблицами.
Краткое содержание работы
Во введении обосновывается актуальность работы, указываются цели и задачи исследований, основные положения, описывается объем и структура работы с указанием круга рассматриваемых вопросов.
В первой главе приведен обзор литературы по теме исследований. Кратко рассматриваются особенности инструментального усилителя, его применение и распространение. Рассмотрены вопросы проектирование ИУ. Описывается основные параметры ИУ.
Во второй главе приведен обзор существующих инструментальных усилителей и сравнение их параметров. Описывается преимущество и основные характеристики выбранного на основе анализа варианта усилителя.
Был проведен обзор возможных вариантов построения усилителей, в результате которого ИУ выполнен на малошумящем операционном усилителе (ОУ). На основе проведенного обзора выпускаемых ОУ в качестве основы усилителя выбрана микросхема компании Analog Devices AD622. Основные характеристики ИУ AD622 приведены на таблице 1.
Таблица 1 – Характеристики ИУ AD622
Тип усили-теля |
Метод установка Кус. |
Uпит, В |
КОСС мин. дБ |
КОСС макс. дБ |
Входная напря-жения шума, на 1Гц нВ/√Гц
|
Напряжение смещение, мкВ |
AD622 |
Резистор |
±2.6; ±15 |
75 |
110 |
12 |
60 |
В третьей главе обосновываются требования к инструментальному усилителю (ИУ), описываются схема, топология, конструкция инструментального усилителя (ИУ) с регулируемым усилением и полосой пропускания, проводятся результаты исследований разработанного ИУ.
Принципиальная схема ИУ приведена на рисунке 1. Первый каскад представляет собой усилитель с регулируемым усилением, устанавливаемым резистором R3 или R4(переключается с помощью переключателя S1). На входе каскада установлена фильтрация для снижения влияние высокочастотных помех с верхней частотой 50 Гц. Регулировка полосы пропускания ИУ производится ФНЧ 2-го порядка на основе ОУ ОР07. С помощью конденсаторов С1, С7 и С2 С6 полоса рабочих частот устанавливается равной 5 Гц или 50 Гц (переключается с помощью переключателя). Для питания усилителя использован стабилизированный двухполярный сетевой источник питания.
Рисунок 1 – Принципиальная схема ИУ. R1=R2=4.02 кОм R3=51 Ом; R4=511 Ом; R5=R6= R7=3.3 кОм; С1=С2=0,8мкФ; С3=8мкФ; С4=30мкФ; С5=3мкФ; С6=0,3мкФ; С7=3мкФ.
На основании электрической принципиальной схемы разработана компоновка и конструкция печатной платы (ПП) ИУ.
Плата разработана использованием пакета прикладных программ для разработки и изготовления печатных плат Sprint-Layout 5.0 R. Конструктивно инструментальный усилитель выполнен на подложке из стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Использовался планарный монтаж с применением чип – элементов.
Вид топология показан на рисунке 2.
Рисунок 2 — Топология элементов ИУ
Усилитель должен быть очень чувствительным, поэтому особое внимания уделено к минимизацию коэффициента шума и снижению наводок от внешных полей,. Конструкция ИУ приведена на рис. 3.
Рисунок 3 – Конструкция ИУ