1. Постановка задачи

При разработке устройств автоматики, звукотехники, а также прецизионных измерительных и высокочувствительных регистрирующих устройств, кроме основных характеристик, часто необходимо знать шумовые параметры операционных усилителей (ОУ). Для корректного расчёта шумовых характеристик усилительных узлов нужно учитывать не только значение Э.Д.С. шума, приведённой к входу в рабочем диапазоне частот, но и шумового тока.

Применяемое при этом оборудование должно реализовывать установленные ГОСТ 23089.12-86 методы измерения шумовых параметров

- метод измерения нормированной э.д.с. и нормированного тока шума, основанный на выделении отдельных участков спектра шума с помощью узкополосных фильтров с дальнейшим измерением переменного напряжения; ширина полосы пропускания фильтров составляет 0,3 от центральной частоты; центральные частоты - 10, 20, 71, 120, 1000, 10000 и 100000 Гц;

- метод измерения эффективного значения напряжения шума ОУ, основанный на выделении заданной полосы шумового спектра ОУ, осуществляемом широкополосным фильтром с дальнейшим измерением эффективного значения напряжения шума, приведенного к входу; полоса пропускания фильтра - от 20 Гц до 20 кГц;

- метод измерения размаха шума, основанный на детектировании шумов двух полярностей с дальнейшим суммированием пиковых значений напряжений; полоса пропускания фильтра - от 0,1 Гц до 10 Гц.

2. Описание решения

Разработанный комплекс позволяет измерять указанные выше шумовые параметры.

Предложенные в названном ГОСТе примеры аппаратной реализации методов измерения шумовых параметров ОУ предполагают применение набора полосовых фильтров, широкополосного или перестраиваемого по частоте измерителя переменного напряжения, двух пиковых детекторов, сумматора и измерителя постоянного напряжения. Схема измерения по всем трем методам получается громоздкой. Процедура последовательного измерения всех шумовых параметров на всех заданных частотах из-за большого числа коммутаций требует значительных затрат времени и средств.

В разработанном стенде шумовой сигнал с выхода измерительной схемы преобразуется в цифровой сигнал, который обрабатывается с помощью программных средств, позволяющих автоматизировать операции измерения, фильтрации, накопления измерительной информации, а также её статистическую обработку и документирование.

Аппаратная часть стенда (рисунок 1) включает в себя:

1) измерительную схему;

2) устройство ввода/вывода DAQ М-серии PCI-6251;

3) персональный компьютер.

Измерительная схема содержит построенный на базе исследуемого ОУ1 неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления К = 25 и дополнительный неинвертирующий усилитель на базе прецизионного малошумящего ОУ2, доводящий общий коэффициент усиления измерительной схемы до 1000. С помощью программно управляемого переключателя S1 (герконовое реле) неинвертирующий вход ОУ1 подключается к общему выводу непосредственно при измерении нормированной э.д.с. шума или через резистор R2, имитирующий сопротивление источника шума, при измерении нормированного тока шума.

Рисунок 1 Схема измерительного стенда.

DA1 - проверяемый ОУ; DA2 - дополнительный ОУ; G1, G2 - источники постоянного напряжения; R2 - резистор, имитирующий сопротивление источника шума; S1, S2 - устройства коммутации ;

В схеме предусмотрено предотвращение ограничения выходного напряжения дополнительного усилительного каскада из-за напряжения смещения исследуемого ОУ. Применение традиционного способа развязки каскадов усилителя по постоянному току с помощью разделительного конденсатора не позволяет достоверно воспроизвести на выходе измерительной схемы самые низкочастотные составляющие шумов исследуемого ОУ.

С целью устранения этого ограничения и расширения диапазона измерения до частот в десятые доли герц (фактически - это флуктуации напряжения смещения или дрейф нуля) применена следящая система автоматического регулирования напряжения смещения на входе дополнительного усилительного каскада.

Цепь задания смещения реализована на основе цифрового потенциометра, управляемого через устройство ввода/вывода данных DAQ PCI-6251. Передача данных и управление цепью задания смещения обеспечивается посредством 3-х проводного последовательного интерфейса через устройство ввода/вывода данных DAQ. Программа измерения постоянной составляющей, формирование цифрового кода, и реализация интерфейса управления цифровым потенциометром, а также проверка результатов работы цепи задания смещения выполнены в среде LabVIEW.

Следящая система автоматического регулирования задает такое напряжение смещения на входе дополнительного усилительного каскада, при котором постоянная составляющая его выходного напряжения минимальна.

Для устранения влияния цепи задания смещения на коэффициент усиления всей схемы, на выходе цепи используется повторитель напряжения.

Программа, написанная в среде LabVIEW, организует компенсацию постоянной составляющей на выходе измерительной схемы с помощью цепи задания смещения, аналого-цифровое преобразование усиленного шумового сигнала при измерении Э.Д.С. шума и тока шума, хранение данных на жестком диске и последующую математическую обработку записанных сигналов. На рисунке 2 показан фрагмент программы, а именно блок-диаграмма виртуального подприбора, выполняющего вычисление эффективного значения напряжения шума. В данном подприборе производится вычисление действующего значения записанного сигнала в полосе частот от 20 Гц до 20 кГц. Фильтрация осуществляется при помощи фильтра Чебышева 4-го порядка с уровнем пульсаций в полосе пропускания 0,17 дБ. По полученному значению вычисляется эффективное значение напряжения шума сигнала.

Рисунок 2 Блок-диаграмма ВПП "эффективное значение напряжения шума"

На рисунке 3 показаны результаты работы стенда при исследовании отечественного ОУ 544УД2.

На верхних графиках показаны временные диаграммы двух сигналов записанных при различных схемах измерения. Ниже представлены спектры этих сигналов. На нижних графиках изображены зависимости рассчитанных нормированных Э.Д.С. шума и тока шума от частоты. Для удобства эти же данные сведены в таблицу. Кроме того, отдельно показаны вычисленные значения эффективного напряжения и размаха шума.

Рисунок 3 Результаты работы

Применение программно-аппаратных средств фирмы National Instruments, по сравнению с традиционным способом реализации измерения шумовых параметров операционных усилителей, позволило:

- осуществлять управление стендом, записывать данные и обрабатывать результаты эксперимента в единой интегрированной программной среде;

- существенно упростить измерительную схему, исключив из нее "реальные" полосовые фильтры;

- существенно сократить время измерений, т. к. требуется только один программно управляемый физический эксперимент вместо множества экспериментов с ручными коммутациями и видоизменением схемы измерения;

- повысить достоверность оценки шумовых параметров ОУ за счет возможности накопления и обработки измерительной информации за более продолжительное время наблюдения по сравнению с показывающими измерителями напряжения;

- имеется возможность увеличения числа полос частот сверх определенных ГОСТом, в пределах которых определяются требуемые параметры, причем это обеспечивается программными средствами без дополнительных затрат;

- записанная в виде файла реализация шумового сигнала ОУ может многократно использоваться для различных видов анализа, статистической обработки, сопоставления с результатами других экспериментов.

3. Используемое оборудование и ПО

Основой измерительного стенда является персональный компьютер с установленной многофункциональной платой ввода вывода NI DAQ М 6251, набором драйверов Nl DAQ 8.3.1 и средой графического программирования LabVIEW. Управление измерительной схемой и аналого-цифровое преобразование выходного сигнала производится через плату NI 6251.

В качестве прецизионного ОУ усилительного каскада измерительной схемы применен AD797, обладающий минимальными шумовыми параметрами

(Э.Д.С. шума составляет 0,9нВ/√Гц на частоте 1кГц и напряжении питания ±15В). В состав следящей системы автоматического регулирования цепь задания смещения, выполненная на основе микросхемы DS1267 -двухканального цифрового потенциометра, имеющего 256 позиций с максимальным сопротивлением 50 кОм. С целью уменьшения контактных шумов в качестве устройства коммутации используется герконовое реле DIP12-1A72-11S (MEDER). Питание измерительной схемы осуществляется от электрохимических источников тока с целью устранения шумов источника питания. Для защиты от внешних наводок измерительная схема помещена в электромагнитный экран.

4. Внедрение и развитие решения

Комплекс предназначен для измерения шумовых параметров ОУ общего применения при входном контроле ОУ на предприятиях приборостроения, а также может быть использован в учебных лабораториях ВУЗов.

Литература

1. Д. Тревис, LabVIEW для всех, М.: ДМК Пресс, ПриборКомплект.

2. Суранов А.Я. LabVIEW 7: справочник по функциям. - М.: ДМК Пресс, 2005.

3. Noise Analysis in Operational Amplifier Circuits. Application Report. Texas Instruments Inc. SLVA043, 1998.

4. Шумовые параметры операционных усилителей / П. Борщ, В. Семенов / Радиохобби. - 2000. - № 1. - С. 58 - 62.

..............................................................................................................................