Meetsysteem voor het meten van zeer kleine spanningen.
Inleiding.
Voor het meten van zeer kleine spanningen en stromen zijn heel vaak de bestaande meters niet toereikend gezien het universele karakter.
De noodzaak voor een voorversterker is dan gewenst aan welke eisen moet zo'n versterker dan voldoen?
Ik heb een aantal punten op een rij gezet.
Eigenschappen van de versterker.
Laag ruisgetal.
Geringe vervorming.
Goede lineariteit.
Temperatuur gedrag.
Geringe EMC gevoeligheid.
Hoge impedantie.
Koppeling AC/DC.
Hoge versterking.
Redelijke bandbreedte.
Overspanning beveiliging.
Er zijn er vast een aantal vergeten!
Ik zal alle eigenschappen in het kort benoemen.
Ruis eigenschappen.
De eigen ruis bijdrage van de versterker dient zo klein als mogelijk te zijn.
Omdat de versterker voor zo wel DC als AC geschikt moet zijn is de ruis bijdrage in twee categorieën te verdelen.
Voor het frequentie gebied boven de 10Hz hebben we te maken met vlakke ruis ook wel witte ruis genoemd en voor het gebied onder de 10Hz hebben we te maken met 1/f ruis ook wel flikker ruis genoemd.
Vervorming eigenschappen.
Vervorming kunnen we ook in twee categorieën verdelen lineaire en niet lineaire vervorming.
Een vervorming op een analoog signaal, waarvan de absolute waarde onafhankelijk is van de grootte van het signaal noemen we lineaire vervorming.
De amplitude frequentie karakteristiek en fase frequentie karakteristiek zijn
voorbeelden voor de amplitude frequentie karakteristiek zullen we proberen om +/-0,1dB te halen dit tot 1MHz.
Harmonische vervorming wordt veroorzaakt door de I/U karakteristiek van halfgeleiders de keuze van deze actieve componenten en de instelling heeft hierop een grote invloed.
Intermodulatie vervorming ontstaat door het mengen van verschillende frequenties, f1 +/- f2 dit is tweede orde intermodulatie f1 +/- f2 +/- f3 is derde orde intermodulatie.
In eerste instantie is de versterker voor het meten van een enkele frequentie bedoeld maar het zeker mogelijk om meerdere frequenties tegelijk te versterken denk aan een voorversterker voor audio.
Kruismodulatie is een bijzondere vorm van intermodulatie en ontstaat als een frequentie veel sterker is dan de andere frequenties, het sterke signaal moduleert de zwakkere signalen.
Dit geldt ook voor brommodulatie alleen is dan de 50Hz netfrequentie de oorzaak.
Lineariteit.
Voor de lineariteit geldt dat als oorzaak u het gevolg U heeft en oorzaak v het gevolg V, dan geldt dat oorzaak u+v het gevolg U+V heeft.
Temperatuur gedrag.
Verandering van de omgevingstemperatuur en het opwarmen van de actieve elektronica heeft drift tot gevolg.
Hierdoor zullen instellingen zoals de bias, dc offset ook veranderen waardoor de eigenschappen niet gelijk blijven.
Onderzocht wordt welke oplossingen we kunnen gebruiken om dit effect tot een minimum te beperken.
Je kunt denken is aan auto zero en auto calibratie.
EMC gevoeligheid.
De versterker welke we willen ontwerpen is zeer gevoelig en heeft een onder grens van af DC het geen betekend dat er aandacht aan de afscherming besteed moet worden.
In verband met dit laagfrequent karakter zal ook het aardlus(common mode) probleem aandacht vragen.
Ik zal dus gebruik moeten maken van diverse guard systemen.
Impedantie.
Voor de impedantie zullen we over het algemeen een zo hoog mogelijke kiezen dit om de belasting op de te meten spanning zo gering mogelijk te maken.
Om een goede responstijd en een geringe stroom ruis te behalen is een kleine ingangscapaciteit noodzakelijk.
Koppeling DC AC.
De versterker die we gaan ontwerpen is zowel voor DC als AC geschikt.
Dit betekend dat er aan de ingang gebruik gemaakt wordt van een laag doorlaat filter voor DC en van een hoog doorlaat filter voor AC.
Bekeken wordt de mogelijkheid om beide spanningen tegelijk te meten.
Versterking.
De versterking wordt bepaald door de kleinst te meten ingangsspanning en de
gevoeligheid van het meetinstrument waar op de uitlezing plaatsvindt.
We gaan onderzoeken of het mogelijk is om een autorange systeem te gebruiken.
Bandbreedte.
De bandbreedte voor de DC koppeling zal rond de < 1Hz liggen het is een compromis tussen responstijd en ruisgetal.
Voor AC zal de bandbreedte tot 30MHz begrenst worden door middel van filters kunnen we de doorlaatband beperken.
De keuze van de filters zijn laag doorlaat en hoog doorlaat door deze achterelkaar te schakelen kan een bandfilter gemaakt worden.
Overspanning beveiliging.
Om de versterker tegen een te grote spanning te beschermen zal een beveiliging ontworpen moeten worden.
De bovengrens is bepalend voor de klasse ik zit te denken aan een paar honderd Volt voor de beveiliging.
Belangrijk is ook hier weer de kleine capaciteit in verband met de stroom ruis.
waar we ten alle tijden voor moeten zorgen is dat als je energie ontvangt hetzij door straling hetzij door een ontlading je de energie kan absorberen en geen stroom laat lopen.
Verder moet de versterker bestand zijn voor het tribo-elektrisch effect en zal er een compensatie voor het Seebeck effect onderzocht worden.
Algemeen.
Verder zijn van belang een goed print ontwerp.
Ook de keuze van de voeding zal aandacht vragen welke batterijen en hoe filteren we deze batterijen op een zo'n schoon mogelijke spanning.
Maar zeker niet te vergeten is het kastje voor een goede EMC bescherming zal ik eerst een metaal binnen doosje gebruiken deze moet los staan van de buiten wereld kooi van Faraday.
Gr Henk.
.
.