SR2124 - аналоговый синхронный усилитель

На протяжении более полувека синхронный усилитель был предпочтительным инструментом для измерения слабых сигналов переменного тока в присутствии шума. Ранние инструменты имели аналоговую электронику, многоклавишные механические переключатели, стрелочные индикаторы и т. д., а измерения часто контролировались с помощью самописцев. Конструкции на основе микропроцессоров появились в 1980-х годах, а к началу 1990-х годов даже аналоговые демодуляторы с синхронизацией были заменены АЦП высокого разрешения и процессорами цифровых сигналов (DSP). В результате появилось удаленное компьютерное управление, цифровые индикаторы и удобные передние панели.

Возможности современного синхронного усилителя DSP в плане стабильности, динамического резерва и гибкости были революционными, что сделало его опорой для исследователей и инженеров во многих областях. Но в движении вперед кое-что осталось позади. Для основной группы пользователей, в том числе для исследователей низких температур, новые инструменты стали потенциальным источником высокочастотных помех. Лучше всего это отражается в сохранении одного прибора — PAR124A, который до сих пор активно используется многими исследователями спустя десятилетия после того, как он был снят с производства.

Вернуться к аналогу

Понимая, что один размер не должен подходить всем, компания SRS с гордостью представляет двухфазный аналоговый синхронный усилитель SR2124. Вдохновленный лучшими блоками предыдущего поколения, но используя современные малошумящие аналоговые компоненты и методологии проектирования, SR2124 представляет собой образец силы в области малошумящих и высокопроизводительных аналоговых приборов.

Архитектура

Дизайн SR2124 соответствует двум основным темам. Во-первых, тракт сигнала полностью построен из малошумящей аналоговой электроники: лучших полевых транзисторов, транзисторов, операционных усилителей и дискретных компонентов. Во-вторых, управление конфигурацией осуществляется микроконтроллером, системные часы которого колеблются только в течение коротких моментов, необходимых для изменения коэффициентов усиления или настроек фильтра. Эта архитектура «остановки часов», впервые представленная компанией SRS в предусилителе напряжения SR560, устраняет неудобства и проблемы с надежностью, связанные с механическими элементами управления на панели, и делает возможным полностью удаленное управление этими блокировками.

Не позволяйте цифровым дисплеям обмануть вас — SR2124 действительно останавливает все цифровые часы во время работы. На числовых дисплеях отображается информация о прецизионных настройках, такая как частота входного фильтра, фазовый сдвиг демодулятора и выходная амплитуда источника. Электроника привода полностью статична, без «сканирования» или обновления, создающего малейшие помехи.

Всякий раз, когда микроконтроллер становится активным, загорается индикатор «Активность ЦП», четко показывая, когда работают цифровые часы. Это происходит в ответ на нажатие кнопок на передней панели или команды удаленного компьютера.

Когда это действительно важно

Иногда вам нужно быть уверенным, что ваш эксперимент пройдет спокойно: вы охладили образец до нескольких милликельвинов, вся проводка цела, и лучшее устройство, которое вы построили за год, готово к измерениям. Тумблер с блокировкой на передней панели можно установить в положение «ЗАБЛОКИРОВАНО», при этом цифровые часы останутся выключенными, даже если вы нажмете другие кнопки или ручки. Аналоговая конфигурация блокировки остается стабильной, позволяя вам пробегать минуты, часы, дни — столько, сколько вам нужно.

Малошумящие входные усилители

SR2124 имеет входы напряжения и тока. Вход напряжения представляет собой несимметричный/дифференциальный предусилитель на полевых транзисторах со сверхнизким входным шумом 2,5 нВ/√Гц. Входное сопротивление составляет 10 МОм, а минимальная полномасштабная чувствительность по входному напряжению составляет 100 нВ. Предусилитель текущего входного сигнала имеет выбираемое усиление 106 и 108 В/А. Обеспечивается связь как по переменному, так и по постоянному току, и прибор может работать в заземленном или плавающем режиме.

SRS также производит различные удаленные предусилители, включая SR550 (вход полевого транзистора), SR551 (вход Hi-Z), SR552 (вход BJT) и SR554 (вход трансформатора), которые могут получать питание непосредственно от предусилителя на задней панели порта питания. Эти предусилители обладают уникальными характеристиками, оптимизированными для различных экспериментальных условий. При использовании с SR2124 они часто могут значительно улучшить ваши измерения.

Входные фильтры

SR2124 предоставляет несколько типов фильтров для предварительной подготовки сигнала перед тем, как он достигнет фазочувствительного детектора. Можно выбрать плоскую (без фильтрации), полосовую, высокочастотную, низкочастотную и режекторную фильтрацию, а добротность фильтра можно установить от 1 до 100.

В полосовом режиме перестраиваемый узкополосный усилитель подавляет сигналы за пределами полосы пропускания, обеспечивая дополнительный динамический резерв до 60 дБ.

Фильтры верхних и нижних частот позволяют ограничить полосу частот, подаваемых на синхронный усилитель, и отклонить частоты за пределами полосы пропускания. Спад для этих фильтров составляет –12 дБ на октаву.

В режекционном режиме задействуется настраиваемый режекторный фильтр, который обеспечивает ослабление до 80 дБ на определенной частоте.

Динамический резерв

Динамический резерв синхронного усилителя при заданной полной входной чувствительности представляет собой отношение наибольшего мешающего сигнала к полному входному напряжению. Наибольший мешающий сигнал определяется как амплитуда наибольшего сигнала на любой частоте, который может быть подан на вход до того, как синхронизация не сможет измерить сигнал с заданной точностью.

SR2124 имеет динамический запас до 60 дБ в зависимости от настройки чувствительности и режима резерва. Включение входного полосового фильтра может добавить дополнительный динамический запас от 20 до 60 дБ, в результате чего максимально достижимый динамический запас составит 100 дБ.

Выходные постоянные времени

Блокировка обеспечивает два этапа выходной фильтрации нижних частот. Постоянные времени могут быть выбраны от 300 с для максимального снижения шума или до 1 мс. Можно выбрать спад –6 дБ или –12 дБ на октаву. Установка минимальной постоянной времени позволяет обходить выходной фильтр, а полоса пропускания выходного сигнала просто определяется внутренней паразитной емкостью.

Смещения

Функция смещения позволяет легко оценить небольшие изменения при наличии полномасштабного сигнала. Вы можете настроить смещение вручную в пределах ±1000 % (10×) от полной шкалы или использовать функцию автоматического смещения, чтобы установить смещение, равное значению сигнала, нажатием кнопки. После регулировки смещения вы можете увеличить усиление (до 10×), уменьшив настройку чувствительности.

Авто функции

Удобные автофункции позволяют быстро настроить оптимальные настройки замка. Нажатие кнопок «Усиление», «Фаза» или «Смещение» запускает микроконтроллер, который затем настраивает прибор либо на лучшую чувствительность (Усиление), либо на сдвиг фазы для максимизации сигнала (Фаза), либо на нулевой выходной сигнал (Смещение). Кнопка Ref Range включает и выключает функцию автоматического выбора диапазона частоты, что позволяет прибору автоматически устанавливать соответствующий опорный диапазон всякий раз, когда генератор разблокируется.

Опорный канал

В SR2124 имеется три опорных режима: внутренний, внешний и задний ГУН. Во всех режимах диапазон частот сначала выбирается в разделе задания на передней панели — вручную или с помощью функции автоматического задания диапазона.

В режиме внешнего опорного сигнала прибор синхронизируется с внешними сигналами с амплитудой не менее 100 мВ (размах). Опорный генератор будет синхронизироваться по фазе с положительными точками пересечения нуля внешнего опорного входа. Поддерживается блокировка по f, 2f (вторая гармоника) или 3f (3-я гармоника).

При работе во внутреннем режиме опорная частота устанавливается с передней панели с точностью ±0,1 %. В дополнение к режимам внутреннего и внешнего задания, SR2124 имеет встроенный генератор, управляемый напряжением (ГУН), который может быть источником опорного сигнала синхронизации. Вход VCO на задней панели принимает сигнал от 0 до +10 В постоянного тока, который соответствует самой низкой и самой высокой частоте в диапазоне, установленном на передней панели. Эта удобная функция позволяет зафиксировать переменное или качающееся управляющее напряжение.

Синхронный опорный выходной сигнал всегда присутствует на разъеме Ref Out BNC на передней панели. Можно выбрать как синусоидальную, так и прямоугольную форму сигнала, а выходную амплитуду можно установить в диапазоне от 100 нВ до 10 В. Эталонный сигнал также доступен на задней панели. Четыре сдвинутых по фазе выхода 1 В (среднеквадратичное значение) при углах 0°, 90°, 180° и 270° можно использовать для различных применений.

Смещение постоянного тока

Биполярное напряжение смещения постоянного тока, независимое от опорной амплитуды переменного тока, можно добавить к опорному выходу, включив функцию «Смещение постоянного тока». Эта функция особенно полезна при выполнении измерений дифференциальной проводимости и связанных с ней переносов, когда в вашем эксперименте отклик переменного тока при слабом сигнале необходимо измерять в диапазоне различных значений смещения. Значения смещения могут быть установлены в пределах ±1000× опорной амплитуды, в зависимости от амплитуды.

Фазовый контроль

SR2124 — это двухфазный синхронный усилитель, который имеет дисплеи для X и Y. Фазу опорного сигнала часто необходимо регулировать. Обнулить фазу вручную легко — нажмите кнопку фазы и поворачивайте большую ручку до тех пор, пока сигнал не обнулится, а затем сдвиньте фазу на 90°. Или просто нажмите кнопку автоматической фазы. Фазовое разрешение составляет 0,01°, а точность фазы составляет ±1° на средних частотах.

Режим вольтметра переменного тока

В большинстве случаев пользователи обычно работают в режиме синхронизации, но этот режим можно изменить на напряжение переменного тока, что позволит синхронному устройству работать как широкополосный или частотно-селективный вольтметр переменного тока. В этом режиме можно быстро измерить среднее абсолютное значение сигнала переменного тока без необходимости использования опорного сигнала.

Компьютерное управление

Для тех, кому необходимо компьютерное управление синхронным усилителем, на задней панели имеется интерфейс RS-232. Все функции прибора можно установить или прочитать через интерфейс. При отправке команд на прибор микроконтроллер будет активирован и может присутствовать цифровой шум. В это время индикатор удаленной активности на передней панели предупреждает вас о наличии связи.

Для удаленного взаимодействия с полной электрической изоляцией на задней панели имеется оптоволоконный интерфейс. При подключении к модулю интерфейса удаленного компьютера SX199 он обеспечивает путь для управления синхронизацией через GPIB (IEEE-488.2), Ethernet и RS-232.