Аналоговые усилители SR124, SR2124, до 200 кГц

Более 50 лет синхронный усилитель был прибором для измерения малых значений переменного тока при наличии шума. Первые модели были разработаны с использованием аналоговой электроники, механических переключателей, стрелочных индикаторов и т. д., а измерения часто контролировались с помощью ленточных самописцев. В 1980-х годах, появились усилители на базе микропроцессоров и к началу 1990-х годов даже аналоговые демодуляторы были заменены АЦП с высоким разрешением и цифровыми процессорами (DSP). Результатом такой революции стали дистанционное управление усилителем с помощью компьютера, цифровое считывание и удобные передние панели.

Гибкость, стабильность и динамический резерв современного синхронного усилителя на базе DSP были революционными, что стало главными преимуществами для исследователей и инженеров в разных областях. Но кое-что осталось неучтенным. Для основной группы пользователей, включая, в частности, исследователей, работающих в области низких температур, новые приборы стали потенциальным источником высокочастотных помех. Это лучше всего отражается в использовании такого прибора как PAR124A, который все еще активно используется многими исследователями десятилетиями даже после прекращения его производства.

Признавая, что один размер не должен подходить всем, компания Stanford Research Systems с гордостью представляет однофазный SR124 и двухфазный SR2124 аналоговые синхронные усилители. Вдохновленные лучшими моделями синхронных усилителей более раннего поколения, но разработанные с использованием современных малошумящих аналоговых компонентов и методов проектирования, SR124 и SR2124 являются инновацией в области малошумящих высокопроизводительных аналоговых приборов.

Особенности:

- Аналоговые приборы;

- Низкий уровень шума;

- Цифровой интерфейс отсутствует;

- Рабочий диапазон: 0.2 Гц - 200 кГц;

- Низкий уровень шума на входах тока и напряжения;

- Обнаружение гармоник (f, 2f, или 3f);

- Возможность предварительной фильтрации сигнала. 

Конструкция

Конструкции усилителей SR124 / SR2124 компании Stanford Research Systems основаны на базе двух основных принципов. Во-первых, канал сигнала полностью построен из малошумящей аналоговой электроники: лучшие JFET, транзисторы, операционные усилители и дискретные компоненты. Во-вторых, управление конфигурацией осуществляется микроконтроллером, тактовый генератор которого генерирует сигналы только в течение коротких моментов времени, необходимых для изменения коэффициентов усиления или настроек фильтра. Такая система на базе остановки микроконтроллера, впервые представленная компанией SRS в предусилителе напряжения SR560, устраняет проблемы, связанные с механическими элементами панели управления, и делает возможным полное дистанционное управление этими синхронными усилителями.

Цифровые дисплеи не должны вас смущать - SR124 и SR2124 действительно останавливают все цифровые процессы в течении работы. Цифровые дисплеи отображают информацию о настройках системы, например, частоту входного фильтра, фазовый сдвиг демодулятора и амплитуду выходного сигнала. Электроника привода полностью статична, без «сканирования» или обновления, чтобы создавать минимальные помехи.

Всякий раз, когда микроконтроллер становится активным, загорается индикатор «CPU Activity», четко показывающий, когда работает цифровой генератор. Это происходит в ответ на нажатия кнопок на передней панели или команды компьютера.

Когда низкий уровень шумов действительно важен

Иногда вам нужно быть уверенным, что ваш эксперимент не будет подвергаться воздействиям помех: вы охладили образец до нескольких милликельвинов, все ваши провода имеют целостную изоляцию, и лучшее устройство, которое вы создавали в течение всего года, готово к измерению. Запирающий тумблер на передней панели может быть установлен на значение «LOCKED OUT», заставляя контроллер оставаться выключенным, даже если вы нажимаете другие кнопки и переключатели. Аналоговая конфигурация синхронного усилителя остается стабильной, позволяя вам работать в течение нескольких минут, часов, дней - столько, сколько вам нужно.

Усилители на входе с низким уровнем шума

Усилители SR124 и SR2124 имеют входы напряжения и тока. Вход напряжения представляет собой несимметринчный / дифференциальный предусилитель на полевых транзисторах со сверхнизким входным шумом 2.5 нВ/√Гц. Входное сопротивление составляет 10 МОм, а минимальная чувствительность входного напряжения - всего 100 нВ. Предусилитель входного тока имеет регулируемый коэффициент усиления 10⁶ и 10⁸ В/А. Предусмотрено как AC, так и DC соединение, и прибор может работать в режиме "Ground" или "Float".

Компания SRS также производит множество отдельных предусилителей, включая SR550, SR551, SR552 и SR554, которые могут быть подключены непосредственно к порту питания на задней панели синхронных усилителей. Эти предусилители имеют уникальные характеристики, которые оптимизированы для различных условий эксперимента. При использовании с SR124 или SR2124 они могут значительно улучшить качество ваших измерений.

Входные фильтры

SR124 и SR2124 компании Stanford Research Systems имеют несколько типов фильтров для предварительной обработки сигнала, прежде чем он достигнет чувствительного к фазе детектора. Можно выбрать фильтр с плоской характеристикой (без фильтрации), полосовой, высокочастотный, низкочастотный или notch фильтр, а коэффициент добротности для фильтра может быть установлен между 1 и 100.

При работе с полосовым фильтром пристраиваемый узкополосный усилитель убирает сигналы за пределами полосы пропускания.

Высокочастотный и низкочастотный фильтры позволяют ограничить диапазон частот, предоставляемых синхронному усилителю, и исключать частоты за пределами полосы пропускания. Крутизна характеристики для этих фильтров составляет -12 дБ на октаву.

При работе с notch фильтром, используется фильтр с регулируемой шириной частотной характеристики, который обеспечивает ослабление сигнала до 80 дБ на определенной частоте.

Динамический резерв

Динамический резерв синхронного усилителя при заданной максимальной входной чувствительности представляет собой отношение наибольшего сигнала помех к максимальному входному напряжению. Максимальный сигнал помех определяется как амплитуда максимального сигнала на любой частоте, который может быть подан на вход до того, как синхронный усилитель не сможет измерить сигнал с заданной точностью.

SR124 и SR2124 имеют динамический резерв до 60 дБ в зависимости от настроек чувствительности и режима резервирования. Включение входного полосового фильтра может добавить от 20 до 60 дБ резерва, что увеличивает максимальный достижимый динамический резерв до 100 дБ.

Постоянные времени

Синхронные усилители обеспечивают две стадии фильтрации нижних частот. Пользователь может выбирать постоянные времени в диапазоне до 300 с для максимального уменьшения шума или короче 1 мс. Наклон характеристики выбирается между -6 дБ или -12 дБ на октаву. Минимальная постоянная времени исключает из цепи выходной фильтр, а ширина полосы выходного сигнала просто определяется внутренней паразитной емкостью.

Смещение

Функция смещения позволяет легко оценить небольшие изменения при наличии полномасштабного сигнала. Вы можете отрегулировать смещение вручную между ± 1000% (10 ×) от максимального значения шкалы, или вы можете использовать автоматическую функцию смещения, чтобы установить смещение равное значению сигнала, нажатием кнопки. После корректировки смещения вы можете увеличить коэффициент усиления (до 10 ×), уменьшив настройку чувствительности.

Автоматические функции

Удобные автоматические функции позволяют быстро задать оптимальные настройки синхронного усилителя. Нажатие кнопок Gain, Phase или Offset запускает микроконтроллер, который затем настраивает прибор для обеспечения лучшей чувствительности (Gain), сдвига фазы для максимизации сигнала (Phase) или обнеления выходного сигнала (Offset). Кнопка Ref Range включает и выключает функцию автоматического задания рабочего диапазона частот, которая позволяет прибору автоматически устанавливать соответствующий диапазон опорного сигнала при разблокировке генератора.

Опорный канал

Усилители SR124 и SR2124 имеют три режима работы: с внутренним или внешним опорным сигналом и управляемым напряжением генератором. Во всех режимах частотный диапазон сначала выбирается в разделе "Reference" передней панели - либо вручную, либо с помощью автоматической функции Ref Range.

В режиме работы с внешним опорным сигналом, прибор синхронизируется с внешними сигналами с амплитудой минимум 100 мVpp. Опорный генератор будет синхронизирован по фазе для положительных переходов через нуль внешнего входного опорного сигнала. Поддерживается синхронизация на f, 2f (вторая гармоника) или 3f (3-я гармоника).

При работе с внутренним опорным сигналом опорная частота устанавливается на передней панели с точностью ± 0.1%. Дополнительно, усилители SR124 и SR2124 имеют встроенный управляемый напряжением генератор (VCO). Вход VCO на задней панели принимает сигнал от 0 до +10 В постоянного тока, который соответствует самым низким и самым высоким частотам в диапазоне, установленном на передней панели. Эта удобная функция позволяет синхронизироваться с управляющим напряжением.

Синхронный опорный выходной сигнал всегда присутствует в BNC разъеме на передней панели. Сигнал может иметь синусоидальную или прямоугольную форму, а выходная амплитуда может быть установлена между 100 нВ и 10 В. Опрный сигнал также доступен с задней панели. Четыре 1 Вrms выхода с фазовым сдвигом 0°, 90°, 180° и 270° могут использоваться для различных применений.

Напряжение смещения (DC)

Напряжение смещения (DC), независимое от опорной амплитуды переменного тока, может быть добавлено к опорному выходному сигналу посредством включения «DC Bias». Значения смещения могут быть установлены ± 1000 × опорную амплитуду, в зависимости от амплитуды

Управление фазой

SR2124 представляет собой двухфазный синхронный усилитель, который имеет дисплеи для сигналов X и Y. SR124 является однофазным синхронным усилителем и имеет только один дисплей для сигнала X. Часто необходимо отрегулировать фазу опорного сигнала. Фазу можно легко обнулить вручную путем нажатия кнопки фазы и поворота рукоятки до тех пор, пока сигнал не станет нулевым, затем сдвиньте фазу на 90°. Или просто нажмите кнопку автоматической подстройки. Разрешение фазы составляет 0.01°, а точность фазы ± 1° на средних частотах.

Вольтметр переменного тока

В большинстве применений пользователи обычно используют режим "Lock-In", но его можно переключить на "AC Volt", что позволяет синхронному усилителю работать в качестве широкополосного или частотно-избирательного вольтметра переменного тока. В этом режиме, среднее абсолютное значение сигнала переменного тока может быть быстро измерено без опорного сигнала.

Компьютерное управление

Для тех, кому нужна возможность управлять синхронным усилителем с помощью компьютера, на задней панели имеется интерфейс RS-232. Все функции прибора могут регулироваться через данный интерфейс. При отправке команд прибору микроконтроллер активируется, и может присутствовать цифровой шум. В течение этого времени светодиодный индикатор на передней панели предупреждает вас о том, что осуществляется связь.

Для удаленного взаимодействия при полной электрической изоляции на задней панели имеется волоконно-оптический интерфейс. Подключение к контроллеру оптического интерфейса SX199 обеспечивает возмождность управления синхронным усилителем через GPIB (IEEE-488.2), Ethernet и RS-232.

Технические характеристики усилителей SR124 и SR2124 Stanford Research Systems: