Усиление напряжения с высокоимпедансной точки Опции

[norsen]

Господа, у меня такая проблема: нужно усиливать (или повторять) сигнал с высокоимпедансной точки (средняя точка делителя из 2 емкостей, емкости порядка 10 пФ). Соответственно нужен усилитель или буфер с очень высоким входным сопротивлением и с очень малой входной емкостью, т.к. ошибка (по сравнению с работой емкостного делителя без усилителя) должна быть порядка 10E-5. Может ли кто-нибудь посоветовать такой усилитель или идею по его реализации?

[xemul]

Я написал "эскиз схемы", т.к. он показывает только общую идею построения усилителя заряда. Если датчик выполнен с одной заземленной обкладкой, то эта схема уже неприменима. Если требуется измерять статическое смещение - тоже. Схема питания датчика и схема компенсации будут на порядок сложнее приведенного эскиза.
По даташиту на HT1104 Input Offset Current @225C все-таки <10 нА, но это несущественно, т.к. для усилителя заряда я бы предпочел видеть и Input Bias Current, и Input Offset Current <1-10 пикоА (про нижнюю частоту сигнала нам ничего не сказали, так что точнее не скажу).

Не совсем понимаю, почему схема не применима для измерения статического смещения? На выходе ведь все равно амплитуда напряжения будет пропорциональна отношению емкостей датчика, в чем же проблема? Схема ведь основана на измерении амплитуды... Кстати, отношение емкостей в конечном выражении снимает проблемы с температурной нестабильностью емкостей датчика, т.к. они одинаково дрейфуют с температурой.

Как отметил Станислав, усилитель заряда (УЗ) называют еще интегратором тока, т.е. напряжение на выходе пропорционально интегралу входного тока с коэффициентом 1/Cос. Беда заключается в том, что интегрируется при этом не только полезная составляющая тока (в схеме, приведенной Станиславом, - ток через левый конденсатор), но и все токи утечки (датчика, Сос, платы, кабеля...) и входной ток ОУ. Несложно подсчитать, что при входном токе ОУ в 10 нА, емкости Сос = 10 пФ и диапазоне выходного сигнала +-1 В ошибка в 0.1% только от входного тока набежит за 1 мкс.
Работа с УЗ кроме посильной минимизации паразитных токов предполагает периодический сброс интегрирующего конденсатора и калибровку УЗ для учета оставшихся паразитных токов. Паразитные токи могут быть скомпенсированы добавлением линейно изменяющейся составляющей к напряжению питания датчика в такте измерения, хотя сейчас проще выполнять такую коррекцию уже в цифре.
Измерение статического смещения емкостным датчиком с УЗ, т.к. информация об этом смещении - напряжение на Сос, предполагает или отсутствие сброса Сос в течение всего времени работы, или выполнение периодического сброса и хранение информации о смещении в цифре. Т.к. за время тактов сброса и калибровки информация с датчика обрабатываться не будет, это приведет к (быстрому) набегу ошибки. Кроме того, при требуемой Вам частоте измерений и погрешности допустимая длительность тактов сброса и калибровки получается просто микроскопической.
Резюм: УЗ в данном случае использовать очень проблематично.

Допустим, питание датчика - синусоида с 12-битного ЦАП (через повторитель на ОУ), после усиления сигнал - на АЦП, у которого то же опорное напряжение, что и у ЦАПа. Что имеется в виду под схемой компенсации? (по какому параметру?) Простите за возможное дилетантство... если одинаковые опорники у "генератора" и "измерителя", то что еще надо компенсировать?

Т.е. используем обычный усилитель переменного тока? Вполне допустимо, но ... чуть ниже.
Что можно попробовать компенсировать? Ну, например, несимметричность синусоиды, вызванную несогласованностью нижнего и верхнего плеч формирователя, уход нуля ОУ, те же самые утечки...

Под "частотным диапазоном измеряемого сигнала" я имел в виду именно чатотный диапазон измеряемого перемещения, а не частоту модуляции или частоту выборки/измерения. Соответственно, под "статическим смещением" я имел в виду не смещение нуля на выходе ОУ, а необходимость измерения полезного сигнала на частоте 0 Гц (т.е. подвижный элемент датчика сместили на х мм, и там держат или колеблют его относительно этого положения). Вопрос остается открытым.

Да, статику необходимо мерять (это как раз главное в проекте - знать среднее положение, не взирая на колебания, которые имеют спектр примерно до 4 кГц с локальными максимумами где-то на десятках и сотнях Гц).

Угу, с усилителем переменного тока это вполне возможно. Теперь то самое "но". Вы хотите измерять сигнал до 4 кГц, соответственно, частота модуляции напряжения питания датчика должна быть выше настолько, чтобы после фильтрации (аналоговой или цифровой - без разницы) она давилась не хуже чем на 60 дБ (кажется, Вы заказывали погрешность 0.1%?). По той же причине данные на ЦАП должны выдаваться с частотой ~ в 600 раз выше частоты модуляции. Можно, конечно, формировать питание моста специализированным синтезатором в холодной части, но тогда к нему (питанию) по пути могут пристать всякие помехи.
И это далеко не все (остаются еще стабилизаторы питания в горячей части - Вы сами сказали, что исходные +-5 грязные, ИОН требуемой точности,...).

...Применение моста в данном случае я буду считать возможным, если мне расскажут, как обеспечить требуемую точность пассивного плеча на 200 С или компенсацию емкостей шнурков при удаленном пассивном плече.

Вот-вот, и я о том же.
Есть, однако, и другие недостатки мостовой схемы применительно к данной задаче.

Мост, имхо, здесь может быть полезен только при однополярной запитке датчика.

[Stanislav]

...Беда заключается в том, что интегрируется при этом не только полезная составляющая тока (в схеме, приведенной Станиславом, - ток через левый конденсатор), но и все токи утечки (датчика, Сос, платы, кабеля...) и входной ток ОУ. Несложно подсчитать, что при входном токе ОУ в 10 нА, емкости Сос = 10 пФ и диапазоне выходного сигнала +-1 В ошибка в 0.1% только от входного тока набежит за 1 мкс.

Простите, но это неверно. Измерения предполагается производить на переменном токе. Для этого на датчик предложено подавать напряжение "накачки" в единицы (сначала) или десятки (позже) кГц.
Входные же токи ОУ можно считать в первом приближении величиной постоянной, которая вызовет только постоянное смещение выходного напряжения, что никак не повлияет на результаты измерений (определяемые величиной переменной составляющей). Во втором приближении нужно учитывать токовые шумы входа ОУ, и это существенный момент, который, однако, лучше обсудить позже.
Кстати, при 200С входные токи ОУ будут заметно меньше, чем при 225С.

...Вы хотите измерять сигнал до 4 кГц, соответственно, частота модуляции напряжения питания датчика должна быть выше настолько, чтобы после фильтрации (аналоговой или цифровой - без разницы) она давилась не хуже чем на 60 дБ (кажется, Вы заказывали погрешность 0.1%?). По той же причине данные на ЦАП должны выдаваться с частотой ~ в 600 раз выше частоты модуляции. Можно, конечно, формировать питание моста специализированным синтезатором в холодной части, но тогда к нему (питанию) по пути могут пристать всякие помехи.

Ваш расчёт не совсем верен (точнее, совсем неверен).
Во-первых, автор темы явно не указал, какая полоса сигнала его интересует (я понял, что это - единицы герц). Получить в полосе же 4 кГц точность 10е-3, по-моему, будет очень трудно, если вообще возможно.
Во-вторых, зачем давить частоту накачки? Выходной фильтр НЧ только должен подавлять ВЧ компоненты, образующиеся после демодуляции сигнала, буде таковая производится.
Я бы вообще не делал демодуляцию в аналоге, а сразу бы оцифровал сигнал после преобразователя и полосового фильтра. В цифрЕ с ним дальше разбираться будет проще.
В-третьих, откуда 600 раз? На выходе ЦАП также нужно ставить фильтр, при этом таких жуткие частоты вовсе не понадобятся.

...И это далеко не все (остаются еще стабилизаторы питания в горячей части - Вы сами сказали, что исходные +-5 грязные, ИОН требуемой точности,...).

Простите, Вы о чём? Зачем стабилизаторы и ИОН, да ещё в горячей части?

...Мост, имхо, здесь может быть полезен только при однополярной запитке датчика.

Каим образом он может быть полезен?

[xemul]

...Беда заключается в том, что интегрируется при этом не только полезная составляющая тока (в схеме, приведенной Станиславом, - ток через левый конденсатор), но и все токи утечки (датчика, Сос, платы, кабеля...) и входной ток ОУ. Несложно подсчитать, что при входном токе ОУ в 10 нА, емкости Сос = 10 пФ и диапазоне выходного сигнала +-1 В ошибка в 0.1% только от входного тока набежит за 1 мкс.

Простите, но это неверно. Измерения предполагается производить на переменном токе. Для этого на датчик предложено подавать напряжение "накачки" в единицы (сначала) или десятки (позже) кГц.
Входные же токи ОУ можно считать в первом приближении величиной постоянной, которая вызовет только постоянное смещение выходного напряжения, что никак не повлияет на результаты измерений (определяемые величиной переменной составляющей). Во втором приближении нужно учитывать токовые шумы входа ОУ, и это существенный момент, который, однако, лучше обсудить позже.
Кстати, при 200С входные токи ОУ будут заметно меньше, чем при 225С.

Станислав, Вы меня пугаете. В Вашей схеме
Uвых = 1/C1.2 * интеграл(I(C1.2)dt), I(C1.2) - ток через C1.2.
Roc я опустил для упрощения восприятия, т.е. рассматриваю идеальный УЗ. Чувствительность по deltaC1.x сейчас не интересна.
I(C1.2) = I(C1.1) + Ip = C1.1*dUнак/dt + Ip, где Ip - все паразитные токи.
Соответственно, на выходе ОУ будет сумма (C1.1/C1.2)*Uнак и интеграла от паразитных токов.
При добавлении в схему Rос ниже частоты 1/2PiRocC1.2 ее (схему) можно рассматривать как усилитель напряжения с соответствующим ФВЧ на входе, выше - как усилитель заряда. При добавлении такого же резистора по неинвертирующему входу в выходном сигнале ОУ, естественно, останется только составляющая от разности входных токов (как Вы справедливо заметили, при Roc=200 МОм не больше 1В) и неучтенных утечек (несомненный плюс - ОУ можно не балансировать и не обращать внимание на дрейф нуля - это всего несколько мВ). При этом информацию о статическом смещении получить не удастся.
О том, насколько входные токи будут меньше указанных в даташите, можно только гадать опытным путем.

...Вы хотите измерять сигнал до 4 кГц, соответственно, частота модуляции напряжения питания датчика должна быть выше настолько, чтобы после фильтрации (аналоговой или цифровой - без разницы) она давилась не хуже чем на 60 дБ (кажется, Вы заказывали погрешность 0.1%?). По той же причине данные на ЦАП должны выдаваться с частотой ~ в 600 раз выше частоты модуляции. Можно, конечно, формировать питание моста специализированным синтезатором в холодной части, но тогда к нему (питанию) по пути могут пристать всякие помехи.

Ваш расчёт не совсем верен (точнее, совсем неверен).
Во-первых, автор темы явно не указал, какая полоса сигнала его интересует (я понял, что это - единицы герц). Получить в полосе же 4 кГц точность 10е-3, по-моему, будет очень трудно, если вообще возможно.
Во-вторых, зачем давить частоту накачки? Выходной фильтр НЧ только должен подавлять ВЧ компоненты, образующиеся после демодуляции сигнала, буде таковая производится.
Я бы вообще не делал демодуляцию в аналоге, а сразу бы оцифровал сигнал после преобразователя и полосового фильтра. В цифрЕ с ним дальше разбираться будет проще.
В-третьих, откуда 600 раз? На выходе ЦАП также нужно ставить фильтр, при этом таких жуткие частоты вовсе не понадобятся.

Автор указал (см. здесь), что его в первую очередь интересует именно информация о статическом смещении. Спектр полезного сигнала он ограничил снизу 0 Гц, сверху 4 кГц.
Как выполнять демодуляцию и строить полосовой фильтр, пусть решает автор.
Наверное, я не совсем точно выразился. Для получения требуемой точности (сейчас пробежался еще раз по треду - оказывается, хочется даже 0.01% погрешности), внеполосные составляющие должны быть задавлены не хуже, чем... Будет это достигаться в аналоге или в цифре, или совместно, дело десятое. Соотношение верхней частоты спектра полезного сигнала и частоты накачки (естесно, не только оно) определяет требуемый порядок фильтра.
На выходе ЦАП, конечно, нужно ставить фильтр. Требования к порядку фильтра (или к частоте данных на ЦАП) - оттуда же. Зачем? Чтобы знать, что пытаемся демодулировать.
Кста, 12-разрядного ЦАП не хватит для формирования Uнак с погрешностью 0.01%.

...И это далеко не все (остаются еще стабилизаторы питания в горячей части - Вы сами сказали, что исходные +-5 грязные, ИОН требуемой точности,...).

Простите, Вы о чём? Зачем стабилизаторы и ИОН, да ещё в горячей части?

Я исходил из предположения, что преобразование измеряемого сигнала к виду, пригодному для передачи на несколько метров, будет выполняться в горячей части.
Хорошо, можно попробовать тянуть стабилизированное питание из холодной части. Uнак тоже? И ИОН?
Автор хочет то 0.1%, то 0.01%. При аналоговом сигнале на выходе преобразователя с амплитудой, н-р, +-1 В суммарная ошибка не должна превышать 1 мВ или 0.1 мВ соответственно. А теперь вопрос: сколько термопар и с какой эквивалентной термоЭДС (приведенной к выходному сигналу) Вы насчитаете между горячей и холодной частью при разнице температур в 200 С? Выход будет не напряжением, а током? То же самое, только в профиль.

...Мост, имхо, здесь может быть полезен только при однополярной запитке датчика.

Каим образом он может быть полезен?

Только подавлением синфазной составляющей на входе усилителя.

[norsen]

Спасибо всем за активное участие в обсуждении темы! Вы мне очень помогли.

Автор указал (см. здесь), что его в первую очередь интересует именно информация о статическом смещении. Спектр полезного сигнала он ограничил снизу 0 Гц, сверху 4 кГц.
Как выполнять демодуляцию и строить полосовой фильтр, пусть решает автор.
Наверное, я не совсем точно выразился. Для получения требуемой точности (сейчас пробежался еще раз по треду - оказывается, хочется даже 0.01% погрешности), внеполосные составляющие должны быть задавлены не хуже, чем... Будет это достигаться в аналоге или в цифре, или совместно, дело десятое. Соотношение верхней частоты спектра полезного сигнала и частоты накачки (естесно, не только оно) определяет требуемый порядок фильтра.

Я некорректно объяснил, на каких частотах меряется сигнал. Дело в том, что полезный сигнал достаточно медленный (десятые доли Гц), но, кроме него есть паразитные дрожания (обусловленные формой конструкции) со спектром от 100-ен Гц до 4 кГц, причем формы спектра добиться от механиков мне пока не удалось, что-то типа: на 100-ях Гц мало -> на 2 кГц максимум -> спад к 4 кГц. Про амплитуду этих паразитов тоже ничего внятного не говорят, как я понял - они сравнимы с полезным сигналом. В связи с этим мне представляется более простой реализация схемы, которую я приводил в посте 31. Дело в том, что там фильтрация НЧ происходит автоматически: "инерционность" реакции схемы на изменения емкостей С1 и С2 зависит от величины Сint1 (как - надо еще считать, но по моделированию получается, что для С1,С2 порядка 10 пФ и для Cint1 10нФ время установления выходного напряжения после скачка емкостей датчика десятки мс). Т.е. возможно, дополнительной фильтрации вообще не потребуется, и во всяком случае это хороший анти-элиас фильтр, цифровать можно довольно медленно - ведь на выходе постоянное напряжение. Кстати, эта схема несколько похоже по принципу действия на преобразователи "емкость-код" аналог девайс, только там обратная связь засчет управления ключами, а не напряжением. Правда, будут проблемы с теми же входными токами и смещениями ОУ.

На выходе ЦАП, конечно, нужно ставить фильтр. Требования к порядку фильтра (или к частоте данных на ЦАП) - оттуда же. Зачем? Чтобы знать, что пытаемся демодулировать.
Кста, 12-разрядного ЦАП не хватит для формирования Uнак с погрешностью 0.01%.

А разве точность преобразования ЦАП зависит от разрядности? Я думал, что только от точности, с которой выдержано опорное напряжение. Даже, например, 8-разрядный ЦАП с 1-ми во всех разрядах будет давать на выходе опорное напряжение, разве не так?
Что касается требуемой точности - я предполагаю, что для данного проекта хватит и 1%, и отстаиваю это перед вышестоящими коллегами. Пока не отстоял :-). Дело в том, что многочисленные погрешности именно в механике, связанные с температурой и особенно давлением, сведут на нет все электронные ухищрения.

Еще несколько слов про проект. Во-первых, в нем не предполагается холодной части в принципе, все, что есть, будет работать при 200 градусах (возможно, самое холодное место 150 град.). Во-вторых, габариты всего девайса очень критичны. Система большая (сбор данных не только по перемещениям), и планировать по всем каналам по процессору невозможно, т.е. один процессор на много каналов. И главное, результаты измерений передаются в "безопасное" место (место с нормальными условиями) по очень медленному каналу связи, поэтому вся обработка будет именно в "горячей" зоне. Основные сложности всего проекта - конструктивно-механические, это интересно, но не я занимаюсь (и надо на другой форум идти. Последние обсуждения возможных сожностей с механиками показывают, что, скорее всего, мы откажемся от емкостного принципа вообще: там кругом металл, и как экранировать датчик (вкупе с тем. чтобы он был бесконтактным) не понятно. Возможно, будем использовать датчики LVDT или Eddy Current, да и то не датчики, а только принцип, т.к. не найти подходящих среди коммерчески доступных.