Измерения с помощью дифференциальных усилителей

Подробности

Категория: Подстанции

• эксплуатация
• диагностика и измерения
• высоковольтное
• приборы

Содержание материала

• Измерения на высоком напряжении
• Осциллографы с памятью и фоторегистрацией
• Цифровые системы с запоминанием
• Измерительные кабели
• Электромагнитная совместимость
• Измерения с помощью дифференциальных усилителей
• При помощи делителей напряжения и осциллографов
• Высокоомные резисторы и делители напряжения
• Измерение максимальных шаровыми
• Измерение максимальных значений
• Измерение электростатических величин
• Чувствительность элементов мостов
• Заключительные замечания

Страница 6 из 13

1. ИЗМЕРЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

При обработке измеряемого сигнала, снимаемого с делителя напряжения или шунта, обычно предполагается, что один из выводов, к которому подводится измеряемый сигнал и (t), имеет потенциал земли. Если нет четкого соединения выводов осциллографа с землей, то оно получается при подсоединении измерительного коаксиального кабеля, оболочка которого заземлена. Разумеется, использование кабеля с заземленной оболочкой допускается тогда, когда нет других заземлений в рабочем контуре. В противном случае неизбежно к. з. части элементов рабочего контура. Например, в силовом выпрямителе необходимо измерить крутизну или моменты гашения и зажигания тиристоров, главные выводы которых имеют потенциал относительно земли несколько киловольт. Поэтому требуется осциллограф, питаемый через изолирующий трансформатор. При этом оболочки коаксиальных измерительных кабелей, по крайней мере на низких частотах, и корпус осциллографа не заземляются, так как сигнал снимается с источника, оба вывода которого имеют потенциал относительно земли. Следует отметить, что проведение таких измерений связано с повышенной опасностью для персонала. При высоких частотах, несмотря на электрическое разделение первичной и вторичной обмоток изолирующего трансформатора, играет роль емкость между обмотками. Для достижения хорошей развязки (снижения влияния емкостной связи обмоток) в таких трансформаторах предусматривается электростатический заземленный экран [536].
Разность потенциалов между двумя выводами, каждый из которых имеет некоторый потенциал относительно земли, называют синфазным напряжением (сигналом) [43, 44, 46]. Существует возможность устранить синфазные помехи с помощью дифференциального усилителя [43—45, 47], который измеряет лишь приходящий по двум проводам полезный сигнал. Синфазные сигналы, имеющие на разных проводах одинаковую фазу и амплитуду, взаимно компенсируются. Свойство дифференциального усилителя подавлять синфазные сигналы называют синфазным подавлением и характеризуют коэффициентом синфазного подавления (отношением синфазного напряжения на входе осциллографа к напряжению отклонения луча на экране, вызванного этим напряжением). Например, для дифференциального усилителя на 50 МГц входного выносного аттенюатора (пробника) «Tektronix Р 6046» коэффициент синфазного подавления равен 1000 : 1 во всем диапазоне рабочих частот. Обычно коэффициент синфазного подавления непостоянен. С увеличением амплитуды и частоты сигнала он падает. Кроме того, несимметрия измерительных проводов, например у измерительного пробника, вызывает особенно сильное при высоких частотах снижение коэффициента синфазного подавления, так как поступающий от источника синфазный сигнал вследствие различия падения напряжения на отдельных проводниках на входе усилителя имеет отличия в фазе и амплитуде. Разница усиливается вместе с полезным сигналом.

Рис. 28. Заземления при измерениях с помощью дифференциального усилителя [43]:

1 — источник сигнала; 2 — дифференциальный усилитель

На рис. 28 показана схема включения дифференциального усилителя. Измеряемый сигнал ии (/) передается на вход усилителя либо по двум одинаковым пробникам, либо по двум согласованным на концах одинаковым кабелям. В этом случае дифференциальный усилитель должен иметь два коаксиальных разъема для присоединения кабеля. Экраны измерительных проводов заземляются на корпусе осциллографа, а на конце у источника измеряемого напряжения связываются между собой. Оба экрана кабелей образуют короткозамкнутый виток, устраняющий возможные наводки в петлях жилы кабелей — источник сигнала—осциллограф. Дополнительное заземление разрядного контура у входов кабелей, требуемое по условиям техники безопасности, в этом случае допустимо, поскольку оно не сказывается на измерениях дифференциальным способом. Передача измеряемого сигнала по согласованным кабелям рекомендуется при измерениях тока с использованием низкоомных шунтов и при всех других измерениях, при которых сопротивление источника сигнала меньше или равно волновому сопротивлению кабеля. Источники с высоким внутренним сопротивлением и устройства для измерения высоких напряжений требуют использования хорошо согласованных пробников и делителей напряжения. При недостаточной компенсации синфазного сигнала или при его большом значении рекомендуется применять нетрадиционные методы измерений (см. гл. 5).

• Назад
• Вперёд

• Назад
• Вперёд

org/BreadcrumbList»>
• Вы здесь:  
• Главная
• Архив
• Подстанции
• Автоматизированное проектирование силовых трансформаторов

Еще по теме:

• Демонтаж и осмотр приборов и высоковольтных вводов при ремонте мощных силовых трансформаторов
• Контроль качества и испытания высоковольтных выключателей АББ
• Контроль состояния и обслуживание силовых трансформаторов в начальный период эксплуатации
• Ревизия мощных силовых трансформаторов напряжением 110—750 кВ
• Высоковольтное испытательное оборудование и измерения

Применение дифференциальных усилителей в схемах измерения

Страница 5 из 39

При обработке измеряемых сигналов и(1), снятых с делителей напряжения или низкоомных шунтов, в общем случае предполагается, что один из двух зажимов, на которые поступают эти сигналы, заземлен. Обычно при подключении коаксиального измерительного кабеля заземляют зажим, который соединен с оболочкой кабеля. Однако, например, в схемах выпрямителей силовой электроники бывает необходимо измерить крутизну и зафиксировать моменты времени гашения и зажигания тиристоров, главные зажимы которых находятся под потенциалом, равным нескольким киловольтам. Здесь электроннолучевой осциллограф необходимо подключать к сети через разделительный трансформатор. Экран коаксиального кабеля и корпус осциллографа изолируются от земли, что позволяет осуществить измерение сигналов от источников, у которых оба выходных зажима имеют разности потенциалов по отношению к земле (понятно, что осуществление такого приема при измерениях связано с повышенной опасностью для обслуживающего персонала). При высоких регистрируемых частотах электрический разрыв между первичной и вторичной обмотками разделительного трансформатора шунтируется емкостью между ними. Чтобы в этом случае получить эффективную развязку, между первичной и вторичной обмотками прокладывают заземленный экран, который уменьшает емкостную связь этих обмоток [Л.

434].
Разность потенциалов, на которую оба зажима источника напряжения отличаются от потенциала земли, часто называют синфазным, напряжением, синфазным сигналом [Л. 35] или синхронным напряжением (Л. 33]. Хорошую возможность подавления синфазных помех дает дифференциальный усилитель (Л. 32—34, 36]. Дифференциальные усилители в данном случае усиливают только те сигналы, которые получаются между обоими проводниками измерительного кабеля; синфазные сигналы, которые возникают на обоих проводниках с одинаковыми фазой и амплитудой, этим усилителем подавляются. Свойство дифференциального усилителя подавлять синфазные сигналы называют синфазным подавлением и характеризуют коэффициентом синфазного подавления. Под этим термином понимают отношение

Синфазного напряжения на входе дифференциального усилителя к напряжению синфазного сигнала на выходе, вызывающему отклонение на экране электроннолучевого осциллографа. Например, для дифференциального усилителя с шириной полосы 50 МГц «Тектроникс-1 А5» это отношение равно 10 000 для синфазных частот до 1 МГц. Коэффициент синфазного подавления не является постоянной величиной: он уменьшается с увеличением амплитуды и повышением частоты синфазного сигнала. Кроме того, влияние несимметрии подводящих проводов, например из-за неточной подгонки пробника, является причиной сильного снижения синфазного подавления, в частности при высоких частотах.

Рис. 14. Выполнение заземления при измерении с дифференциальным усилителем. 1 — источник сигнала; 2 — дифференциальный усилитель.

В этом случае поступающие от источника синфазные напряжения создают различные падения напряжений на подводящих проводах и на входе дифференциального усилителя получается небольшая разность по фазе и амплитуде, которая не подавляется, а наоборот усиливается вместе с измеряемым сигналом.
На рис. 14 показан правильный способ включения дифференциального усилителя. Измеряемый сигнал  подается на вход усилителя или по двум идентичным пробникам, или по двум одинаковым коаксиальным кабелям, нагруженным на конце волновыми сопротивлениями.

Для подключения кабелей дифференциальный усилитель имеет два коаксиальных входных зажима. Экраны кабелей заземлены у кожуха электроннолучевого осциллографа. Для симметрирования токов в оболочке кабелей экраны последних надежно электрически соединены между собой у концов, обращенных к источнику. Дополнительное заземление у этих концов не нужно, Разрешается заземление рабочих цепей, необходимое из соображений безопасности. Это заземление не влияет на результаты дифференциальных измерений.

Передача измеряемого сигнала по согласованным коаксиальным кабелям рекомендуется при измерениях токов с применением низкоомных образцовых шунтов и всех других измерениях, когда сопротивление источника очень мало по сравнению с волновым сопротивлением кабеля или равно ему. Для источников с высокоомными внутренними сопротивлениями рекомендуется применение хорошо согласованных пробников, а также делителей напряжения.

• Назад
• Вперёд

Коэффициент подавления синфазного сигнала дифференциальных пробников осциллографа | Блог системного анализа

Ключевые выводы

•  Дифференциальный датчик отображает разницу между двумя входными напряжениями.

• Дифференциальные усилители размещаются между осциллографами и дифференциальными пробниками в качестве предусилителей формирования сигнала.

• Типичные значения коэффициентов подавления синфазных сигналов дифференциального пробника хороши на низких частотах и ​​ухудшаются с увеличением частоты.

 

Осциллографы используются для графического просмотра электрических сигналов и их изменения во времени

Осциллографы являются ключевым компонентом рабочего места любого инженера-электронщика. Осциллографы используются для графического просмотра электрических сигналов и их изменения во времени. Одним из методов, используемых инженерами для подтверждения полной функциональности схемы, является сравнение ожидаемых сигналов с сигналами, наблюдаемыми на осциллографах в различных контрольных точках.

В этих контрольных точках подключаются щупы осциллографа для получения сигналов, отображаемых на экране осциллографа. Контрольными точками могут быть точка напряжения и заземление, относящееся к несимметричной сигнализации или дифференциальной сигнализации с двумя точками напряжения, где ни одна из них не заземлена. Из-за неадекватности подавления синфазного шума при несимметричных измерениях сигналы низкого уровня обрабатываются дифференциально. Высокий коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) дифференциальных пробников позволяет добиться подавления шума, особенно на более высоких частотах. Давайте рассмотрим, как достигается высокий CMRR в пробниках дифференциальных осциллографов.

Дифференциальные щупы осциллографа

Когда оба провода щупа осциллографа не подключены к заземлению цепи, такой щуп называется дифференциальным щупом. В дифференциальных пробниках два провода подключены к дифференциальным входам, также известным как плавающие входы.

Поскольку к дифференциальному пробнику не подключено заземление, с ним не возникает проблем с заземлением. Дифференциальный пробник отображает разницу между двумя входами напряжения, и они выглядят плавающими относительно земли осциллографа. Выходное напряжение пробника — разность напряжений — позволяет ему подавать сигналы на заземленные входы осциллографов.

Дифференциальные датчики получают разность напряжений между двумя контрольными точками, к которым присоединены концы датчиков. Поскольку они оптимизированы для разности напряжений, синфазные сигналы на двух входах всегда подавляются дифференциальными пробниками. В дифференциальных пробниках используется дифференциальный усилитель внутри корпуса пробника для усиления разностного напряжения. От дифференциального усилителя дифференциального пробника до канала осциллографа проходит только один тракт аналогового сигнала. Это снижает потребность в согласовании тракта прохождения сигнала. По сравнению с более ранними разработками миниатюризация схем сделала схемы дифференциальных усилителей настолько компактными, что они хорошо помещаются внутри корпуса пробника.

Давайте посмотрим, как дифференциальный усилитель в дифференциальных пробниках помогает подавлять синфазные помехи.

Дифференциальные усилители и подавление синфазных помех в дифференциальных пробниках осциллографов

Дифференциальные усилители размещаются между осциллографами и дифференциальными пробниками в качестве предварительных усилителей формирования сигнала. Дифференциальный усилитель помогает добиться подавления синфазных помех, что означает устранение проблемы синфазных сигналов в двух входных напряжениях пробников, достигающих каналов осциллографа.

Синфазные напряжения — это напряжения, общие для обеих сторон входов дифференциальных пробников. Существует несколько источников, из которых синфазный шум может смешиваться с дифференциальным входным напряжением пробника. Вот некоторые из этих источников:

• Излучаемые сигналы, поступающие на входы напряжения дифференциального датчика.
• Смещение сигнала, вызванное схемами драйвера.
• Разница опорного заземления между входами дифференциальных датчиков.

Независимо от источника синфазного шума необходимо удалить синфазный шум со входов осциллографа для точного измерения сигналов.

Идеальный дифференциальный усилитель устраняет все синфазные сигналы, присутствующие в парах дифференциальных пробников. При измерении сигналов низкого уровня с помощью дифференциальных пробников важно знать, насколько эффективен дифференциальный усилитель при подавлении синфазного шума. Мера способности дифференциального усилителя устранять синфазные напряжения называется коэффициентом подавления синфазного сигнала или CMRR.

Коэффициент подавления синфазного сигнала дифференциальных усилителей в дифференциальных пробниках осциллографа

Коэффициент подавления синфазного сигнала — это квалификатор, который указывает, какое ослабление дифференциальный усилитель может демонстрировать для сигналов, которые являются общими для обоих входов дифференциального усилителя.

Поскольку дифференциальный усилитель выдает на выходе дифференциальные напряжения, идеальный дифференциальный усилитель устраняет синфазные напряжения. Однако практическое дифференциальное усиление не является совершенным, и, следовательно, ошибка указывается в терминах CMRR. Реальный дифференциальный усилитель дает небольшое выходное напряжение для обычных напряжений, и CMRR для них можно выразить как:

КОСС дифференциальных датчиков выражается в дБ. Значения CMRR дифференциальных усилителей зависят от частоты входных сигналов. Типичные значения CMRR дифференциального датчика хороши на низких частотах и ​​ухудшаются с увеличением частоты. Новые высокопроизводительные дифференциальные усилители поддерживают высокий CMRR и обеспечивают наилучшую помехозащищенность в самом широком диапазоне дифференциальных напряжений.

Для улучшения измерительных возможностей осциллографов в шумных средах и средах с высоким уровнем синфазных помех требуются дифференциальные пробники с высоким коэффициентом подавления синфазных помех.