Систем управления и радиоэлектроники

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

 

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 стеклотекстолитас 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].

Результаты экспериментов.

Амплитудно-частотные характеристики разработанного ИУ в логарифмическом масштабе приведены на рисуноке 5.

 

Рисунок 5 — Логарифмическая амплитудно-частотные характеристики усилителя

 

Поскольку использован ФНЧ второго порядка, спад АЧХ 40 децибел на декаду.

В четвертой главе проводилось исследование характеристик датчиков слабых магнитных полей, снималась зависимость выходного напряжения ИУ от величины магнитного поля.

Основные результаты работы

- Произведен анализ возможных вариантов построения прибора.

- Разработан экспериментальный макет ИУ со следующими параметрами: коэффициент усиления усилителя регулируемым равной либо 100 либо 1000 полосу пропусканию равной либо 5 Гц либо 50 Гц.

- Разработана конструкция ИУ и топологии печатных плат в программной среде Sprint-Layout 5.0 R;

- Были рассчитаны основные характеристики; изготовлен и настроен ИУ;

- Исследованы характеристики ИУ на соответствие требованиям задания: (коэффициент усиления усилителя и АЧХ активного фильтра);.

- Получены результаты исследования предельных чувствительностей датчиков слабых магнитных полей.

По теме диссертации автором опубликованы следующая основная работа:

1. Н.Б. Сабыров, Б.И. Авдоченко. Инструментальный усилитель для исследования магнитных датчиков // Материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 13–15 мая 2015 г. – Томск: В-Спектр, 2015: В 5 частях. – Ч. 1. – 360 с. ISBN 978-5-91191-284-0 (Ч. 1) c.44-47.

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ