SE502691C2 - En mycket lågbrusig, galvaniskt isolerad förstärkare - Google Patents

Description

502 691 Ingångssteg med transformator, som tidigare har använts där detta är möjligt, ger förutom brusfriheten en god isolering av anslutna elekt- roder. När man försöker skapa ett ingângssteg utan transformator upp- står genast problem med isoleringen av elektroderna. Om, nämligen, olika anslutna elektrodpar som är placerade i havsvatten inte är elek- triskt isolerade från varandra kommer spänningspotentialer att uppstå mellan dem p.g.a. orenheter i elektrodmaterialet och med vattnet som elektrolyt. Härigenom uppstår en svârtydbar och osäker signalinforma- tion.

Uppfinningen har därför till uppgift att lösa problemet att skapa en mycket lågbrusig, galvaniskt isolerad förstärkare som är modulärt upp- byggd av förstärkarkort, som vardera är omkopplingsbart mellan AC-och DC-mätning. Detta löses genom att uppfinningen får de särdrag som framgår av det efterföljande självständiga patentkravet.

Förstärkaren kan genom omkoppling på korten snabbt anpassas för olika mätningar, både genom planlagda ändringar och mera improviserade vid fel i något kort. Ett fel i ett kort ger därför inte upphov till ett totalfel för en förstärkare uppbyggd av sådana kort. Prestanda för en sådan förstärkare avtar i stället gradvis vid bortfall av något eller nâgra kort.

Med en förstärkare uppbyggd av flera sådana förstärkarkort kan man välja att mäta DC-komponenten med en eller flera kort (för ev. redun- dans vid en viktig mätning) och att mäta AC-komponenten med olika gränsfrekvenser.

I det följande kommer uppfinningen att beskrivas närmare med hänvis- ning till bifogade ritning, där fig 1 visar den principiella uppbyggnaden för ett förstär- karkort enligt en utföringsform av uppfinningen och fig 2 visar en kombination av två standardkort där mätelekt- roderna är anslutna till det övre som mäter AC- signalen under det att det nedre mäter DC-signalen. 502 691 Förstärkaren är modulärt uppbyggd av förstärkarkort; utbyggbar från ett kort till ett flertal. Förstärkarkorten är vardera omkopplingsbara för antingen AC- eller DC-mätning. Likaså kan olika gränsfrekvenser användas vid mätningarna. Vidare kan den ofiltrerade signalen från ett förstärkarkorts förförstärkare tas ut och kopplas till ett eller flera parallellt fungerande förstärkarkort, vilka kan ha olika filtergränser och förstärkning, utan att givaren ytterligare belastas. För att uppnå detta består förstärkarkorten av olika kretsfunktioner, vilka enkelt kan inkopplas eller förbikopplas beroende på om man vid ett visst tillfälle behöver en DC- eller AC-kopplad förstärkare m.fl. sådana val, såsom förstärkningsnivå och gränsfekvens för filter. Förstärkar- korten innefattar för detta ändamål en förförstärkare 2, en övrig del 4,5 och en däremellan anordnad omkopplingsdel 3.

Förstärkaren injusterades i praktiskt genomförda försök i regel till 80 dB spänningsförstärkning vid AC-tillämpningar samt 60 dB vid DC- mätningar med ett lâgpassfilter 7 för 10 Hz inkopplat på utgången.

Efter detta hade signalen en utnivâ som passade A/D-ingångssteget på den dator som användes för analys av signalen.

Frekvensområdet vid AC-tillämpningar var 0.1-10 Hz och 0.1-1100 Hz med 80 dB förstärkning och vid DC-kopplad förstärkare DC-10 Hz och DC- 1l00 Hz med 60 dB förstärkning.

I det följande kommer förstärkarens elektriska konstruktion närmare beskrivas under olika rubriker.

Förförstärkare 2 De erhållna låga brusnivån från förstärkaren 2 vid här förekommande frekvenser och anslutningsresistanser av storleksordning 10 ohm har erhållits genom användandet av en dubbel monolitisk PNP-transistor med beteckning MAT-03 av PMI:s fabrikat. Transistorerna är matchade vad gäller minsta strömförstärkningsskillnad i förhållande till kollek- torströmmen över ett brett område, vilket ger god liniaritet. Detta medför också en god temperaturstabilitet. Ingångstransistor och efter- följande förstärkare måste vidare vara termiskt isolerade från luft- turbulens, vilket annars medför lågfrekvent brus. 502 691 Genom att driva en relativt stor kollektorström genom varje transis- tor, ca 2 mA, blir transistorns spänningsbrus lågt och transistorn optimerad till låga anslutningsresistanser. Brusnivån för var transis- tor uppges av tillverkaren vara 0.8 nV per Hz i 1 Hz band ner till 10 Hz. I ett praktiskt utförande av förstärkaren blir dock brusnivån ca 3 gånger högre.

Transistorerna i MAT-03 är första förstärkare i kopplingen och funge- rar som ett diffrentialingângssteg tillsammans med en lâgeffekt opera- tionsförstärkare OP-97. Förstärkningen är 40 dB. På ingången har på känt sätt transientundertryckande komponenter 1 inkopplats såsom drosslar, metalloxidvaristorer samt snabba kortslutande dioder.

För att kunna klarlägga okända anslutningsresistanser t ex beroende av tillkommande kabelresistanser finns en kalibreringsingâng till förför- stärkaren. Till den tvâpoliga signalingângskontakten av serie Twin finns två motstånd på vardera 50 kohm inkopplade till signal och signaljord. Dessa är anslutna till kalibreringsingången. Tillsammans med ett 10 ohm motstånd på ingånen ger detta en dämpning av kalibre- ringssignalen med 80 dB. En signal på 1 Volt ansluten till kalibre- ringsingângen ger därför 1 Volt på förstärkarens utgång vid 80 dB förstärkning. Kalibreringsingången användas även för uppmätning av elektrodernas likspänningspotential. Detta kan göras då förstärkare och sensor är i drift och för kontroll av att det inte finns risk för DC-överstyrning av förförstärkarsteget.

Minskning av förstärkningen i förförstärkarsteget medför en försämring av brusdata för hela förstärkaren till följd av att den kritiska brus- anpassningen som gjorts mellan de första förstärkarstegen inte längre stämmer. Det alternativ som tillämpats för att inte ingângssteget skall blockeras är att med ett motstånd på 82 ohm belasta ner elektro- dernas spänning till hälften, när potentialspänningen uppgått till 100 mV. Detta påverkar sensorernas absoluta känslighet men kan kompenseras i förstärkaren.

DC-likspänningsnivån efter förförstärkarsteget kan uppgå till ca 5 V, varierande med tiden. 502 691 Omkopplingsdel 3 Efter förförstärkarstegets OP-97 finns en omkopplingsdel 3. Här kan den förstärkta signalen kopplas vidare till den övriga delen 4,5 av kortet eller uttagas via kretskortets anslutningskontakt 8 för koppling till andra kort. Övre gränsfrekvens är 11 kHz (- 3 dB).

I den mån använda elektroder i stället är kopplade till ett annat kort vars förförstärkare 2 förstärker dess signaler, kan signal från detta korts förförstärkare i stället kopplas in via det här diskuterade kortets anslutningskontakt 8 för vidare koppling till den övriga delen 4,5 av det här diskuterade kortet.

Högpassfilter 4 Efter omkopplingdelen finns ett högpassfilter 4 och en förbikoppling av detta. Som anförts ovan kan DC-nivån uppgå till flera volt efter förförstärkaren 2. Detta medför en begränsning av möjlig efterföljande förstärkning och önskad signalnivå på förstärkarens utgång. Vid AC- mätningar kan den blockerande DC-nivån elimineras genom inkoppling av högpassfiltret bestående av en RC-länk med gränsfrekvens 0.1 Hz och en efterföljande förstärkare OP-97 med förstärkning 20 dB.

I vissa fall kan det vara lämpligt att framhäva frekvenser över en annan högre gränsfrekvens vilket kan ske genom inkoppling av en mindre kondensator på t ex 3.3 nF vid en bygling. Med detta val framhâvs frekvenser över 300 Hz på direktutgången.

Isolationsförstärkare 5 Den använda isolationsförstärkaren 5 var av typen 289K av Analog Devices fabrikat och isolerar sensor/ingångssteg från landjord.

Förstärkaren arbetar med en bärfrekvens av 100 kHz vilken moduleras och överförs via en transformator till sekundärsidan där den demoduleras. Förstärkaren klarar DC-20 kHz (- 3 dB) och har full effektbandbredd mellan DC till 5 kHz. 502 691 En andra transformator drivs av oscillatorn för 100 kHz och avger iso- lerad effektmatning till isolationsförstärkaren 5. Den isolerade effektmatningen på primärsidan avger också isolerad spänning på +/- 15 Volt, +/- 5 mA som utnyttjas för att driva förförstärkaren 2 och HP- filtret 4.

Vid DC-koppling av förstärkarkortet medför detta att stora likspän- ningar kan uppstå efter förförstärkarsteget. HP-filtret är förbikopp- lat och likspänningen finns därför pâ isolationsförstärkarens ingång.

Offsetjustering för hela förstärkaren sker på isolationsförstärkarens 5 ingång, exempelvis via en på frontpanelen placerad 10-varvig poten- tiometer. Om förstärkningen i isolationsförstärkaren väljs till 0 dB ökas spänningsområdet för möjlig offsetjustering från +/- 80 mV till +/- 5 V.

Synkronisering mellan olika kort och isolationsförstärkares interna oscillator för 100 kHz är möjlig men behövs ej här.

Isolationsförstärkaren skall klara +/- 2500 VDC mellan ingångar och utgångar liksom strömförsörjningsutgângen (+/- 15 v) samt 240 VRMS mellan strömförsörjningsingången (+ 15 V) och ingångar. För att skydda isolationsförstärkaren har ett transientskydd med ädelgasrör CG75L parallellt anslutits mellan förstärkarens primära och sekundära sidor och tänder för 75 Volt.

DC-förstärkare 6 I AC-fallet låter man isolationsförstärkaren 5 ge 20 dB förstärkning, vilket, tillsammans med de 20 dB som högpassfiltret 4 ger och de 40 dB som förförstärkaren 2 ger, totalt blir 80 dB förstärkning. I DC-fallet är högpassfiltret 4 förbikopplat och isolationsförstärkaren 5 har en förstärkning av 0 dB, vilket gör att förstärkningen efter isolations- förstärkaren endast är 40 dB från förförstärkaren 2. Därför är det lämpligt att ansluta en DC-förstärkare 6 efter isolationsförstärkaren 5. Dess förstärkning inställs med en potentiometer till 20 dB eller till en vald förstärkning mellan 19 till 42 dB i de fall man kalibre- rar givare och förstärkare. DC-förstärkaren 6 kan förbikopplas när den inte behövs. 502 691 Det kan vidare vara iämpïigt att på dess ingång anbringa en dämpsats med 20 dB dämpning. Den kan bestå av två motstånd. I normaïa fa11 är denna dämpning bortkoppïad av en strömstäïïare på frontpaneïen. Denna funktion kan behövas om signaïen vid något ti11fä11e kan b1i över- styrd.

Efter DC-förstärkaren 6 kan en direktsignai uttas på frontpaneien. Det kan vara ïämpïigt att med en enkei RC-ïänk grovfiïtrera bort högfrek- vent brus före utgången. Gränsfrekvensen kan, såsom anges i figur 1, vara 1100 Hz e11er i andra tiïïämpningar ca 3 kHz.

Lâgpassfiiter 7 Det kan, som angivits ovan, vara ïämpiigt att också ta ut signaien efter en iågpassfiitrering. Vid A/D-omvandling sampias signaïen med en given sampiingsfrekvens. Detta medför att man måste begränsa den högsta frekvensen i den signai som skaiï sampias. Dessutom kan nät- frekvensen 50 Hz vara kiart störande.

Det använda iågpassfiitret 7 på förstärkarkortet är ett fyr-poiigt Butterworth fiïter med 10 Hz gränsfrekvens och uppbyggd med två operationsförstärkare OP-27. Detta ger en dämpningskurva som fa11er över 10 Hz med 24 dB per oktav.

Claims (8)

502 691 Patentkrav:

1. En mycket lâgbrusig, galvaniskt isolerad förstärkare, k ä n n e - t e c k n a d a v att den är modulärt uppbyggd av förstärkarkort, vardera omkopplingsbart för såväl AC- som DC-mätning och, vid använd- ande av flera förstärkarkort för parallell och samtidig förstärkning av flera delar av den mottagna signalen, möjliga att koppla samman så att en ingående signal på ett förstärkarkort efter förförstärkning kan kopplas över till ett eller flera parallella kort genom att förstär- karkortet innefattar en förförstärkardel (2), en övrig del (4,5) och en däremellan anordnad omkopplingsdel (3), varvid förförstärkardelen består av ett differentialingångssteg uppbyggt kring en dubbel mono- litisk PNP-transistor med matchade transistorer och en därpå följande lågeffekts operationsförstärkare, den övriga delen innefattar ett högpassfilter (4), för AC-mätning, och en förbikopplingsväg, för DC- mätning, och en isolationsförstärkare (5) och omkopplingsdelen (3) är anordnad att kunna koppla signalen från förförstärkaren (2) till den övriga delen (4,5), eller till ett andra förstärkarkorts omkopplings- del för fortsatt behandling i detta förstärkarkorts övriga del, eller slutligen att koppla en signal från ett andra förstärkarkorts förför- stärkare till det förstnämnda förstärkarkortets övriga del.

2. En förstärkare enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d a v att högpassfiltret (4) består av en RC-länk med en gränsfrekvens av ca 0,1 Hz och en efterföljande förstärkare.

3. En förstärkare enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a d a v att högpassfiltret (4) innefattar en möjlighet att koppla in ytterligare en, mindre kondensator så att frekvenser över ca 300 Hz framhäves.

4. En förstärkare enligt något av patentkraven 1 - 3, k ä n n e - t e c k n a d a v att isolationsförstärkaren (5) är försedd med ett variabelt motstånd på sin ingång så att, i DC-fallet då högpassfiltret (4) är förbikopplat och därför en stor likspänning från förförstärka- ren (2) kan bli kopplad till isolationsförstârkaren (5), offsetjuste- ring för hela förstärkningskortet kan ske här. 502 691

5. En förstärkare eniigt patentkravet 4, k ä n n e t e c k n a d a v att förstärkningen i isoiationsförstärkaren (5) är omkoppiingsbar och att förstärkningen är 0 dB i DC-faïïet.

6. En förstärkare enïigt patentkravet 5, k ä n n e t e c k n a d a v att det efter isoïationsförstärkaren (5) finns en variabeï DC- förstärkare (6) øch en förbikoppiing för denna.

7. En förstärkare eniigt något av de tidigare patentkraven, k ä n - n e t e c k n a d a v att det närmast före en första utgång från ett förstärkarkort finns ett iâgpassfiïter (7), med en gränsfrekvens av ca 10 Hz.

8. En förstärkare eniigt patentkravet 7, k ä n n e t e c k n a d a v att det finns en andra utgång från ett förstärkarkort dit signaien ieds utan att passera iågpassfiitret (7).