LP-05 Усилитель-нормализатор сигнала пьезокерамического гидрофона

Усилитель-нормализатор сигнала пьезокерамического гидрофона
  • Модификация "1" усилителя оптимальна для подключения к пьезокерамическим гидрофонам с собственной ёмкостью от 25 до 60 нФ (например, ГФ-И-5).
  • Может быть использован совместно с АЦП LTR24, LTR22, LTR11, L-502, E-502, E14-xxx, L-7xx
  • Имеет линейную передаточную характеристику в нижней части динамического диапазона и нелинейную в верхней, что исключает превышение входного диапазона АЦП. Тракт гидрофона невозможно полностью "оглушить" большим сигналом.
  • Вход LP-05 защищён от электростатического разряда и превышения сигнала со стороны гидрофона. 
  • Принимаются заказы на другие модификации, оптимальные для гидрофонов с иными характеристиками.
Общие сведения

LP-05 является специализированным усилителем и нормализатором сигнала от пассивного (без внутренней электроники) пьезокерамического гидрофона.

Модификация "1" усилителя предназначена для подключения к пассивным пьезокарамическим гидрофонам с собственной ёмкостью от 25 до 60 нФ и (желательно) с симметричным дифференциальным выходом.   

LP-05-1 решает следующие задачи: 

  • Дифференциальный приём напряжения, обеспечивающий наилучшее соотношение сигнал/помеха.
  • Линейное усиление на нижнем участке динамического диапазона и сжатие динамического диапазона на верхнем.
  • Ограничение полосы частот сигнала.
  • Преобразование в выходной сигнал напряжения  "с общей землёй" или дифференциальный "с ложной второй фазой", что обеспечивает совместимость с различными типами входов АЦП.
  • Обеспечение низкого выходного сопротивления в широкой полосе частот, что даёт возможность подключения выхода усилителя к широкому кругу АЦП, в том числе, к АЦП с входным коммутатором каналов.
  • Согласование выхода  усилителя  с входным диапазоном ±2 В или ±2,5 В АЦП.
  • Минимизация остаточного выходного смещения нуля усилителя.
  • Защита входа усилителя от разряда гидрофона.

Несколько LP-05-1 может быть запитано от цепей выходного питания ±15V  АЦП LTR24, LTR22, E14-140(-M), E-502, L-502 при условии непревышения рабочего выходного тока этих АЦП. 

Технически возможны другие модификации LP-05 в рамках аналогичной конструкции, отличающиеся другими входными, выходными и передаточными характеристиками, оптимальные для других гидрофонов, в рамках других измерительных задач. Возможно герметичное исполнение.

Технические характеристики
Характеристики тракта предусилителя
Количество каналов 1

Коэффициент передачи на частоте 200 Гц при амплитуде входного дифференциального сигнала:

-  До ±5 мВ (линейный участот передаточной характеристики), номинальное значение

- Свыше ±5 мВ до ±800 мВ (нелинейный участок передаточной характеристики, свыше ±300 мВ c ограничением напряжения в цепи датчика)

120

Спадает с 120 до 2 при повышении напряжения 

Типичные значения границ полосы частот пропускания дифференциального входного сигнала (снятая с применением эквивалента датчика), по уровню -3 дБ

От 3 до 11000 Гц 

Характеристики датчика 

Собственная ёмкость датчика:

- Оптимальная  

- Максимальная при сопротивлении датчика по постоянному току более 10 МОм

- Максимальная при сопротивлении датчика по постоянному току 1 МОм

 

25 до 60 нФ

65 нФ

140 нФ

Характеристики входов питания 
Рабочий диапазон напряжений (U+VA) питания по входу +VA  От +10 В до +15 В 
Рабочий диапазон напряжений (U-VA) питания по входу -VA  От -15 В до -10 В
Ток потребления  по входам питания   -VA, +VA  Не более 13 мА (при ненагруженном выходе OUT+) 
Предельно допустимые напряжения на входах питания +VA, -VA ±36 В на входе +VA относительно -VA
Устойчивость к неправильной полярности напряжения питания +VA, -VA Имеется
Входные характеристики предусилителя
Тип входа (IN+, IN-, AGND) Дифференциальный 
Типичное значение шума в полосе частот пропускания, приведенное ко входу, измеренное на эквиваленте датчика 50 нФ 1,0 мкВ
Коэффициент подавления синфазного сигнала  Не хуже 80 дБ. на частоте 50 Гц
Диапазон напряжения синфазного сигнала (UCM =0,5*(UIN++UIN-) в линейном режиме -0,2...+0,2 В

Диапазон дифференциального сигнала 

- в линейном режиме

- в нелинейном режиме 

 

±5 мВ 

Свыше ±5 мВ до ±300 мВ 

Входное сопротивление при входном напряжении не более 50 мВ:

- дифференциальное

- синфазное 

 

950 кОм 

5  MОм 

Предельно допустимое входное напряжение:

на IN+, IN- относительно AGND

на IN+ относительно IN-

 

±0,95 В при токе менее 0,2 А (долговременно)

±0,95 В при токе менее 0,2 А (долговременно)

Выходные характеристики предусилителя
Типы выхода  1) Выход напряжения "с общей землёй".
2) Выход напряжения дифференциальный с ложной второй фазой
Выходное сопротивление при подключении "с общей землёй" 50 Ом 
Выходное сопротивление дифференциального сигнала  100 Ом 
Выходной диапазон напряжений  (OUT+ относительно OUT-,  OUT+ относительно AGND) без нагрузки на выходе (максимальное нижнее значения и минимальное - верхнее) -2...+2 В

Модуль величины постоянного напряжение смещения на  OUT+ относительно OUT- или AGND (на линейном участке передаточной характеристики)

Не более 1 мВ.
Типичное значение выходного тока короткого замыкания по выходу OUT+ 13 мА
Устойчивость к короткому замыканию выхода OUT+ Обеспечивается
"Горячее подключение" со стороны разъёма выходов и питания Обеспечивается
Характеристики конструкции  
Разъемы, входной и выходной РС-7 (Ответные разъемы прилагаются (2 шт.))
Конструктив Металлический корпус диаметром 18 мм, длиной 70 мм
Степень защиты оболочки  IP50
Условия эксплуатации   
Рабочий температурный диапазон  -40....+60 °С
Исполнение  Индустриальное 
Аксессуары, входящие в комплект поставки
  • Разъём РС7, вилка с кожухом  – 1 шт.
  • Разъём РС7, розетка с кожухом – 1 шт.
Инсталляция и настройка

Кабели от разъёмов X1 и X2 усилителя должны располагаться по разные стороны от усилителя.

При установке усилителя важно обеспечить экранирование входной сигнальной цепи (прежде всего, участка цепи,  который находится не в воде), соединение экрана кабеля с контактирующим с водой корпусом (на стороне датчика) и с цепью AGND (на стороне усилителя), как показано на схемах подключения разъёма X1.

Если усилитель и гидрофон проходят предварительные испытания не в воде, то вся не экранированная часть кабеля гидрофона и сам гидрофон должны быть помещены внутрь электропроводного экрана (контактирующего с экраном кабеля) для избежания возможной значительной наводки электромагнитных полей промышленной частоты. Следует также учесть, что на воздухе гидрофон имеет значительно меньшую собственную емкость, по сравнению с паспортным значением, что может привести возрастанию шумов в тракте измерения, если емкость цепи датчика окажется существенно ниже рекомендованных значений для LP-05.

Устройство и принцип работы

Функциональная схема усилителя LP-05-1

На схеме стрелками показаны входные и выходные цепи усилителя, жирной линией выделена цепь общего провода усилителя  

X1 – Разъём подключения кабеля датчика:
X2 – Разъём подключения кабеля АЦП и источника питания.
A1 – Диодный узел защиты входа.
A2 – Узел усилителя с высокоомным дифференциальным входом. 
R1 - R3 – Резисторы, определяющие входное сопротивление усилителя по постоянному току.
R4, R5 – Согласующие резисторы в выходной цепи предусилителя.

 

Назначение цепей на разъёме X1:

  • AGND –  цепь общего провода;
  • IN+, IN-   –  неинвертирующий и инвертирующий входы предусилителя соответственно (совместно с AGND образуют дифференциальный вход);
  • n/c – контакт не подключён.

Назначение цепей на разъёме X2:

 

Нижняя частота полосы частот пропускания тракта гидрофона определяется свойствами пьезокерамического датчика при сопротивлении нагрузки 950 кОм со стороны входа LP-05. 

Постоянная времени цепи датчика, определяющаяся ёмкостью датчика и кабеля, входным активным сопротивлением LP-05 и собственным активным сопротивлением датчика, не должна превышать 70 мс, в противном случае в области низких частот полосы пропускания может возникнуть подъём АЧХ и неустойчивость работы усилителя. 

 

Диагностические признаки при эксплуатации.

  1. Узел усилителя A2 при правильной работе обеспечивает уровень постоянного выходного напряжения смещения на OUT+ в пределах ±1 мВ. Контроль величины этого напряжения смещения (с временем усреднения не менее 5 с) является значимым диагностическим признаком правильной работы усилителя в линейном режиме.
  2. Наличие  на выходе усилителя OUT+ большого постоянного напряжения, приближающегося к напряжению питания, может свидетельствовать об обрыве цепи AGND от двуполярного источника питания.
Подключение сигналов, примеры подключения

Разъёмы LP-05

(вид со снятыми кабельными частями)

      №
конт.
Цепь Назначение
1

n/c

Не подключен
2 n/c Не подключен
3 n/c Не подключен
4 AGND Цепь общего провода
5 n/c Не подключен
6 IN+ Неинвертирующий вход напряжения
7 IN- Инвертирующий вход напряжения
 №
конт
Цепь Назначение
1 n/c Не подключен
2 n/c Не подключен
3 -VA Вход отрицательного напряжения питания усилителя
4 AGND   Цепь общего провода
5 +VA Вход положительного напряжения питания усилителя
6 OUT+ Выход "+" усилителя 
7 OUT-   Выход "-" усилителя 

Все цепи разъёмов X1, X2 изолированы относительно корпуса LP-05. 

Предупреждения:

  1. Кабельные части разъёмов PC7, входяшие в комплект поставки, требуют паяных соединений проводов сечением не более 0,5 мм2.
  2. Со стороны разъёма X1 цепь экрана кабеля гидрофона следует заземлить. При отсутствии гальваноразвязки у подключенного оборудования со стороны разъёма X2 следует принимать специальные меры для предотвращения сквозных токов по цепи общего провода (AGND)

Типичные подключения к разъёму X1 

1.1. Пьезокерамический датчик с симметричным 3-проводным выходом (основная схема подключения)

Данная симметричная экранированная схема подключения обеспечивает лучшее соотношение сигнал-помеха, по сравнению со схемой п.1.2, поскольку используется свойство дифференциального входа – подавлять синфазную помеху. Пьезокерамический датчик PD должен быть подключён ко входу LP-05 экранированным кабелем (в этом случае экран датчика соединяют с экраном кабеля).  Но, если датчик и герметичный кабель от него не имеют экрана (как показано на рисунке), то для минимизации помех принципиально важно, чтобы вся неэкранированная часть кабеля находилась в воде (подразумевается, что вода – не дистиллированная и является проводником электрического тока).

Здесь и далее под "корпусом" подразумевается электропроводная конструкция, контактирующая в водой. Типичный характер помех – это промышленная частота (из окружающей среды) и её гармоники. 

Для проверки уровня собственного шума LP-05 вместо датчика может быть подключен экранированный плёночный конденсатор 50 нФ, подсоединённый по аналогичной схеме (экран конденсатора и экран кабеля должны быть сплошными).

1.2. Пьезокерамический датчик с несимметричным 2-проводным выходом

 

Пьезокерамический датчик PD должен быть подключён ко входу LP-05 экранированным кабелем (в этом случае экран датчика соединяют с экраном кабеля). Но, если датчик и герметичный кабель от него не имеют экрана, то для минимизации помех принципиально важно, чтобы вся неэкранированная часть кабеля находилась в воде (подразумевается, что вода – не дистиллированная и является проводником электрического тока).

1.3. Простейший эквивалент датчика

Для проверки АЧХ, коэффициента передачи LP-05 может служить простейший эквивалент датчика в виде экранированного источника заряда Q, содержащего источник напряжения U и плёночный конденсатор С=50 нФ.

 

Типичные подключения к разъёму X2 выходной сигнальной цепи 

 

2.1. Дифференциальный вход АЦП

 

Это наилучшая (по достижимому соотношению сигнал-помеха ) схема соединения LP-05 с АЦП, использующая дифференциальную цепь подключения (с парной цепью, подключенной к OUT+, OUT)-. 

При подключения АЦП с коммутацией каналов в многоканальном режиме  оптимальное волновое сопротивление дифференциальной пары должно быть 100 Ом. Это важно для минимизации коммутационного эффекта.

2.2. Псевдодифференциальный вход АЦП

 

Эту схему обычно применяют только тогда, когда при подключении к одному АЦП с коммутацией каналов нет возможности подключить по дифференциальной схеме (п.2.1).

Экранирование в данной схеме обязательно.  Желательно применение кабеля с волновым сопротивлением (по цепи OUT+) 50 Ом.

2.3. Вход АЦП с общей землёй

 

Цепь GND32 существует  только в случае 32/16-канального  АЦП с входным коммутатором каналов.

В E20-10 роль входных цепей X(Y) выполняют цепи соответствующего разъёма Analog.

По аналогичной схеме могут быть подключены модули LTR210.

 

 

Типичные подключения к разъёму X2 цепей питания

 

Обеспечьте схождения цепей в точке А.
При необходимости, точка А должна явиться точкой подключения сигнального заземления системы или точкой объединения общих проводов в многоканальной системе. 

При подключении предусилителя к LTR в качестве двуполярного источника  питания можно использовать модуль LTR00.

В данной схеме ток питания предусилителя не должен превышать максимальный ток нагрузки соответствующиъ цепей питания АЦП.
При выполнения данного условия можно подключить LP-05 к АЦП:
E14-140-М (напряжение питания ±15 В),
LTR22 (напряжение питания ±15 В),
LTR24-1 (напряжение питания ±15 В). 

 

Контакты

Телефон: +7 (495) 785-95-25
Факс: +7 (495) 785-95-14

Отдел продаж: sale@lcard.ru
Техническая поддержка: support@lcard.ru

117105, Москва, Варшавское шоссе, д. 5, корп. 4, стр. 2

Схема проезда

Отправить запрос

Контакты

О нас

Более 3000 клиентов в России и за рубежом используют электронное оборудование L-CARD для решения широкого спектра научно-исследовательских и производственных задач. Мы рады помочь Вам на любом этапе создания электронного изделия: от разработки и производства до послегарантийной поддержки.

L-CARD в проектах