De verschillende types meetversterkers, en hun eigenschappen

Citation for published version (APA):

Leysten, H. (1980). De verschillende types meetversterkers, en hun eigenschappen. (DCT rapporten; Vol. 1980.013). Technische Hogeschool Eindhoven.

Document status and date: Gepubliceerd: 01/01/1980

Document Version:

Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record

Please check the document version of this publication:

• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.

• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.

• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.

Link to publication

General rights

Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain

• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.

If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:

www.tue.nl/taverne

Take down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us at:

openaccess@tue.nl

providing details and we will investigate your claim.

J.P. Leysten

1 1

juli 1980

Techn. Hogeschool Eindhoven WE 80.13

Inhoudsopgave: pagina

1. Inleiding

1.1. Noodzaak tot versterken

2. Algemene gedragskenmerken van versterkers

3. Verschillende versterker types 3.1. Wisselspanningsversterker 3.2. Draaggolfversterker

3.2.1. Peekel Instruments, type CA 110 3.3. Gelijkspanningsversterker

3.4. Operationele versterker 3.5. Kathode- of emittervolger

3.5.1. BrÜel & Kjaer, type 2625 3.6. Ladingsversterker

3.6.1. BrÜel & Kjaer, type 2624 3.6.2. BrÜel & Kjaer, type 2626 3.6.3. Kistler, type 5007 Literatuur 1 2 3 6 7 8 9 1 1 1 6 18 19 24 28 33 37 39

1 . Inleiding

Om een theoretisch model te toetsen áan de praktijk wordt er meestal een

experiment opgezet. Het kan ook zijn dat je juist aan de hand van de ge- gevens van een experiment een relatie voor je model probeert op te zetten. Bij dat experiment probeer je de gewenste fysische grootheden van je model te meten. Voor dat meten gebruiken we meetinstrumenten. De algemene opbouw en functionele beschrijving van een meetinstrument ziet er uit volgens fig.

1 . 1 . :

-

de genoemde elementen zijn functionele elementen, géén fysische elementen.

-

niet alle elementen behoeven aanwezig te zijn.

-

meerdere dezelfde elementen mogelijk.

-

andere volgorde en structuur mogelijk.

Doel: Het onderkennen van de afzonderlijke functies.

Opmerk ingen :

1 .

Primary sensing element:

De opnemer onttrekt energie aan het te meten medium, dit geeft b e h - vloeding van de te meten grootheid.

2 . Variable conversion element:

Verandering van de fysische grootheid met behoud van de rel informatie (omzetter).

3 . Variable manipulation element:

Bijvoorbeeld een electronische versterker.

4 . Data transmission element:

Bij fysisch gescheiden elementen is er transport nodig, bijv. een as, leiding, telecommunicatiesysteem.

5. Data presentation element:

Het waarneembaar maken van de gemeten grootheid voor de menselijke zintuigen. Soms alleen opslag, b i j v . bandopname.

De rest van het verhaal handelt alleen over opmerking 3 : de versterker.

1 . 1 .

Noodzaak tot versterken

De meeste opnemers geven electrische signalen af van laag voltage en/of laag vermogen. Daarom is het noodzakelijk dat de signalen versterkt worden totdat ze geschikt zijn voor transmissie, verdere manipulatie, indicatie en/of registratie. Niet het ontwerpen van versterkers wordt behandeld, maar de criteria voor het gebruik van een versterker, welke gebruikt worden bij het kiezen van een versterker voor een specifiek meetsysteem.

2. Algemene gedragskenmerken van versterkers

De dynamische responsie van een versterker moet gelijk zijn of beter dan die van de opnemer die de versterker voedt. Deze wordt meestal gespeci- ficeerd als essentieël vlak gebied van frequentie responsie. Om niet teveel stroom van de opnemer te onttrekken (en daardoor belasten v.d. opnemer en verlies van gevoeligheid en/of lineariteit), moet de ingangs- impedantie van de versterker hoog zijn ten opzichte van de uitgangsim- pedantie van de opnemer. Zo ook: de uitgangsimpedantie van de versterker moet relatief laag zijn ten opzichte van de ingangsimpedantie van het volgende apparaat (meestal een recorder) om de belastingseffecten ook op dit punt in de hand te houden. Versterkersuitgangimpedantie kan ook gehterpreteerd worden als stroom-voedingsmogelijkheid.

Lage uitgangsimpedantie =

a

hoge stroomvoedingsmogelijkheid.

Voorbeeld: Een bepaalde versterker levert een maximale uitgangsspanning van + 10 V. bij elke belasting met weerstand,

%,

groter dan 1000 R en een maximale uitgangsstroom van 0,010 A bij elke belasting met weerstand, kleiner dan 1000 !de De spanningsversterking is dan onafhankelijk van de be-

lastingsweerstand voor

%

> 1000 R maar zakt snel ineen voor

€$

< 1000 a.

€$I

Als

RB

= 100 !d dan is de maximale uitgangsspanning nog maar 1V. ( O A *

100

n

=

1

V).

Als de ingang van een versterker kortgesloten is (e algemeen de uitgangsspanning e

= O ) , dan zal in het i

niet precies gelijk aan nul zijn. Dit heeft

O twee oorzaken: nulidrift en ruis, Nuldrift is een langzame variatie van de gemiddelde waarde van e en

ruis is een snelle ,

I variatie rondom die

O I gemiddelde waarde j (zie fig. 2 . 1 ) . I I , Nuldrift is groot , I

totdat het apparaat _Fig-

2.

j Amplajer noire and &+jt W. _I ~-

goed opgewarmd is.

Wanneer het opwarmen voorbij is, blijft een zekere hoeveelheid nuldrift bestaan. Daarom zijn er meestal balanceringsinstelmogelijkheden om e nul af te regelen bij kortgesloten ingang. Periodiek bijstellen voor

compensatie nuldrift. Na het opwarmen is er nog maar een kleine nul-

drift, die hoofdzakelijk interfereert met de meting van langzaam variëren- de grootheden over lange tijdsintervallen (laag frequent).

Oorzaken van ruis: verschillende stochastische processen, zoals Johnson- ruis in weerstanden; transistorruis, schroot-, delings- en gasruis in electronen buizen. Ook komt het van bronnen zoals voedingskabels (50 Hz) en het gebruik van choppers in versterkers. Ruis beperkt de aanspreek- gevoeligheid (verhoogt de drempelwaarde) van een versterker.

De overbelastinghersteltijd van een versterker speelt een rol bij meet- systemen waarbij op een bepaalde versterker, meerdere opnemers zijn aan- gesloten. De ingang van de versterker wordt periodiek omgeschakeld van de ene opnemer naar de andere. Dit omschakelen kan grote overbelastingen

in de versterker introduceren, en een zekere hersteltijd is nodig voordat de uitgang van de versterker weer correct afgelezen kan worden. Een lange hersteltijd verhindert dat de versterker in een snelle cyclus omgeschakeld kan worden en dus beperkt een lange hersteltijd het aantal opnemers dat door de Versterker, in een gegeven tijd, afgetast kan worden.

In de meeste systemen zijn de versterkers ver verwijderd van de opnemerso dit betekent lange aansluitkabels. Hierbij treden verschillende problemen op, waarvan de voornaamste zijn:

-

inductieve opname van ruisvoltages in de lange kabels ₍₅₀ Hz voedings- kabels, motors, enz.) a

-

de onmogelijkheid om een identieke aardreferentie te geven aan plaatsen enkele tientallen meters uit elkaar.

1

Beide fenomenen hebben parasitaire voltages in de ingang van de versterker I als gevolg, en deze kunnen relatief erg groot zijn ten opzich

nemersignaal als we niet de juiste voorzorgsmaatregelen nemen van de signaalkabels helpt, maar meestal zijn aan de versterk voorzieningen nodig.

De gedragsspecificatie, die gewoonlijk gebruikt wordt om het vermogen van

I

I

de versterker om deze parasitaire voltages te elimineren aan te geven, wordt ~

COMMON-MODE REJECTION RATIO (CMRR) genoemd. Dit is de verhouding tussen het 1

~

I

i

I

doorgegeven ongewenste signaal en het gewenste signaal (Signaalruisverhouding).

Deze CMRR is afhankelijk van de versterker, de op- nemer en het kabelcircuit. Elke numerieke waarde voor

een versterker veronderstelt dus een zekere ingangscon- figuratie. De CMRR is ook afhankelijk van de fre- quenties van de ruis- voltages. Bijv. een ver-

Transducer

from Ompitftei

IO local growia

sterker heeft een CMRR e, = o 100vdr pm i Rea IO’ohrnr a ampiifiar inwc rcs,stoece

p, IO’ohmr 0 arno1ifi.r i d o h o n from p r o u d et-

-

I O volt

4, 5 M O & m

6

waarde van 10 bij gelijk- spanning (= 120 dB)

,

maar

nog maar IO4

(0

80 dB)

.

Enig idee over de frequentieinhoud van de ruisvoltages is dus noodzakelijk om het gedrag van een versterker goed te kunnen evalueren.

De veelvoorkomende versterker configuraties voor een gewenste hoge waarde van d e C M zijn:

-

differentiaalingang (spanningsdeler)

-

Zwevende ingang (goed geisoleerd van aarde).

Deze configuraties kunnen apart of in combinatie gebruikt worden. (zie

A R, = I ohm

- 7

bij 50 Hz is deze waarde __ - _ _

fig. 2 . 2 ) .

(Het kan aangetoond worden dat de parasitaire spanningsbron e CIll identiek

reageert, of deze nu het gevolg is van gebrek aan identieke aarde bij twee verschillende punten, of het gevolg van inductieve opname).

3. Verschillende versterker-types

Er bestaan verschillende types van versterkers:

-

Wisselspanningsversterker

-

Draaggolfversterker

-

Gelij kspanningsversterker

-

Operationele versterker

-

Kathode- of emittervolger (voor-versterker).

-

Ladingsversterker

In het laboratorium van de vakgroep Technische Mechanica zijn enkele types van deze versterkers aanwezig, of worden binnenkort aangeschaft. Deze zijn:

*

PEEKEL INSTRUMENTS CA 110, "High Performance Amplifier", 6-kanaals draaggolfversterker, aantal: 1.

*

BRlfEL & KJbER, type 2625, "Vibration Pick-up Preamplifier"; emittervolger met wisselspanningsversterker, aantal: 3.

*

BRuEL & KJAER, type 2624, "Charge Amplifier"; ladingsversterker, aantal: 3.

*

BRlfEL & K J K R , type 2626, "Conditioning Amplifier"; ladïngsversterker, aantal:

1 .

*

KISTLER, type 5007, "Ladungsverstärker"; ladingsversterker, aantal: 1.

*

Operationele versterkers: worden gekocht wanneer men ze nodig heeft, relatief goedkoop. Aantal: onbekend.

3.1. Wisselspanningsversterker

Met wisselspanningsversterker wordt een klasse van versterkers bedoeld, die aan bepaalde eisen voldoen. Deze wisselspannings- versterkers zijn nauw verwant met de versterkers die gebruikt worden in radio's, TV's en ge-

luidsapparatuur, maar de speci- ficaties voor meetversterkers zijn strigenter e Vacuüm-buis,

transistor en hybride ont- werpen zijn meer gebruikelijk.

De naam wisselspanningsversterker is gebaseerd op de frequentieresponsie van zulke instrumenten (zie fig. 3 . 1 ) . De versterker kan géén gelijkspanning of laagfrequente signalen verwerken. Dit is een nadeel als langzaam variërende signalen gemeten moeten worden, maar het maakt de versterker relatief drift- ongevoelig. Want drift is een langzaam variërend gebeuren, dat niet naar de versterker uitgang doorgeleid kan worden. Dit is te danken aan de capacita- tieve koppeling die gelijkstroom blokkeert. De wisselspanningsversterker i s

nog wel gevoelig voor random-drift met hogere frequenties.

3 . 2 . Draaggolf versterker

Om de voordelen van simpelheid en gebrek aan drift van een wisselspannings- versterker te gebruiken bij het meten van gelijkspanningssignalen, zijn een aantal systemen ontworpen. Een voorbeeld hiervan is de draaggolfversterker, welke veel gebruikt wordt bij rekstrookmetingen. Dit systeem werkt alleen met opnemers (zoals rekstrookbruggen en differentiaalomvormers) die een wissel- spanning afgeven. Er wordt gebruik gemaakt van het principe van amplitude- modulatie (zie fig. 3.2). De enige eis is dat de wisselspanningsversterker

een vlakke frequentieresponsie heeft over de breedte f

van de draaggolf, f = frequentie van het te meten signaal). Omdat na versterking weer demodulatie en filtering plaatsvindt, moet de draaggolf- frequentie f 6 à i0 maal groter zijn dan de hoogste signaalfrequentie f

-

Een voorbeeld van een draaggolfversterker is de PEEKEL INSTRUMENTS, CA 110.

+ fs (fC = frequentie

c -

S

3 . 2 . 1 . PEEKEL INSTRUMENTS; type CA 110

De "High Performance Carrier Wave Amplifier", type CA 110 is ontworpen voor statische en dynamische metingen, en heeft een ingebouwde nul-

balanceringsmogelijkheid. Deze versterker kan gebruikt worden met rek- strookjes en met inductieve en capacitatieve opnemers, die in een brug geschakeld worden.

De uitgangsspanning van de opnemerbrug wordt versterkt met een zeer ge- voelige draaggolfversterker, die een aarde-symmetrische en volledig zwevende ingang heeft en voorzien is van actieve bandfilters om een hoge CMRR-waarde te krijgen (CMRR > 60 dB bij 50 Hz). De uitgangsspanning van de draaggolf- versterker en het referentiesignaal (90' in fase verschoven) worden naar de fasegevoelige demodulator geleid. Het fase-gevoelig zijn van de demodulator geeft een hoge onderdrukking van de capacitatieve invloeden, en dus wordt de weerstand gemeten. Met het uit-fase referentiesignaal wordt de bijdrage van de weerstanden teruggedrongen en wordt het capacitatieve signaal gemeten.

, I 7

/

dB

t

,I'

bandpass response

-r--

-4 8 1 6 3 2 6 4 1 2 8 H z x 100

out response \

Technische gegevens: CA 110: draaggolffrequentie brugspanning brugspanningsstabiliteit/lO°C rekstrookbrugconfiguratie meetbereik (brugspanning = 5 V , 1 rekstrook) inductieve opnemer (halve brug) ij kingssignalen

nauwkeurigheid balancer ing sg eb i ed

op los s end vermog en capacitatieve balancering

onderdrukking van capacitatieve invloed ingangsweerstand genormaliseerde uitgangsspanning max. uitgarigsspanning . max. uitgangsstroom uitgangsweerstand min. belastingsweerstand

onderdrukking van draaggolffrequentie lineariteit

Serie Mode Rejection (650 Hz) Common Mode Rejection (50 Hz)

versterkingsstabiliteit/lO'C

nulpuntsstabiliteitl 10°C temperatuurgebled

ruis ( O

-

1,4 kHz) bandbreedte (+

-

3 dB) looptijd (in- en uitgang)

: 5180 : 0,5; 2; 5 : 0,Ol :

i ;

1;

4 / 4 : 0,025

-

2 5 mV/V : 50

-

50.000 um/m : 0,025

-

250 mV/V : 50; 100; 250; PV/V 500 Hz V % : 0,1% + 0,2

vv/v

: + 5 mV/V -3 mv/V : 0,5

*

10

-

: + 560 : 52 . -: 50 : + 10 : + 14 : 50 : < 0,5 : 250 : 66 : 0,05 : 60 : 66 : O , ]

-

PF dB kR V V mA

n

52 dB % dB dB % : O - 4 0 : 0 , 4 : 1400 : 0,5 O C IJVRMS Hz m. sec.

3 . 3 . Gelijkspanningsversterker

Ondanks dat de draaggolfversterker een statische, fysische variabele, die werkt op een geschikte omvormer, zal Versterken, wordt de draag- golfversterker niet onder de gelijkspanningsversterkers gerekend. Dit omdat hij géén gelijkspanning, afkomstig van een willekeurige opnemer, versterkt. Deze mogelijkheid wordt echter vaak gevraagd zodat er verschillende typen van gelijkspanningsversterkers ont- wikkeld zijn.

Hoewel de fundamentele principes van zowel buis- als transistorversterking gelijkspanning toelaten, beperken de praktische problemen zoals drift en tussentrapse koppeling het gebruik van zulke ware gelijkspanningsversterkerc

in het verleden. Nieuwe ontwikkelingen in componenten

-

en circuitbouw hebben ertoe geleid dat er tegenwoordig praktisch ware gelijkspanningsversterkers

beschikbaar zijn, zowel als verschillende typen van chopper en chopper ge- stabiliseerde versterkers. Deze laatste twee genoemde zijn eigenlijk géén ware gelijkspanningsversterkers maar kunnen praktisch wel als zodanig gezien worden. (Zij accepteren gelijkspanningssignalen a l s ingang en geven gelijk-

spanningssignalen als uitgang).

Bij een chopper-versterker wordt het ingangssignaal (welke een frequentie- inhoud mag hebben van nul tot ongeveer 1/10 van de chopperfrequentie) in stukjes gehakt om een vierkamte

wisselspanning te geven met een amplitude evemredig met het binnenkomende signaal. Deze modulatie verschuift alle

frequenties; dus kan het in

stukjes gehakte signa: m e t een gewone wisselcpanningsver- sterker versterkt worden. Fase-gevoelige demodulatie en uitfiltreren van de hogere frequenties reconstrueren het ingangssignaal, in versterkte vorm, aan de uitgang. Fig. 3 . 4

laat een half-golf circuit zien, welk een chopper gebruikt voor

zowel modulatie a l s demodulatie. I

-

Meer verfijnde circuits, die twee choppers en/of terugkoppelschakelingen gebruiken, geven betere gedragseigenschappen. (De frequentie van een mechanische chopper ligt in de buurt van de 400 2 500 Hz.).

Bij gebruik van elektronische modulatietechnieken in plaats van elektro- mechanische choppers bereiken we een sinusoide in plaats van vierkante wisselspanning en is een veel hogere chopperfrequentie mogelijk, dus wordt het bruikbare frequentiegebied van het systeem vergroot. In plaats van elektronische chopper spreekt men ook wel van toongenerator. (De elektronische chopperfrequenties gaan tot ongeveer 50 kHz.).

Bij zorgvuldige selectie van de componenten en zorg voor compensatie van driftgevoelige ingangen is het mogelijk om ware gelijkspannings- versterkers (helemaal géén gebruik van choppers en modulators) te bouwen, met zeer respectabele drifteigenschappen. Vooral als de om- geving waarin de versterker werkt relatief constant is van temperatuur. Versterkers van dit type variëren van simpele, laaggeprijsde eenheden met beperkte prestaties tot die, met ingebouwde vernuftige compensatie-

schakelingen, die voldoen aan hoge specificaties.

Een andere, veelgebruikte gelijkspanningsversterker voor meetinstrumenten is de chopper-gestabiliseerde gelijkspanningsversterker. Dit instrument combineert een essentieël driftvrije chopperversterker (vergelijkbaar met fig. 3 . 4 ) met een ware gelijkspanningsversterker op zo'n manier dat de drift van het totale systeem gereduceerd is met een factor die gelijk is aan de versterkingsfactor van de chopperversterker. De opzet van deze versterker staat ook toe dat de frequentieresponsie niet beperkt wordt door de chopperfrequentie, omdat de hoogfrequente signalen om de chopper- versterker heen geleid worden en direct naar de ware gelijkspanningsver- sterker gaan. Aldus is de brede bandbreedte van de ware gelijkspannings- versterker gecombineerd met het gebrek aan drift van een chopperversterker.

Tecamen vormen zij een hybride-eenheid met

lol

goede gewenste eigen-

s chappen. All hquencier

, L W f r w & r Om deze punten kort

toe te lichten, be- schouwen we fig. 3.5.a. Fig. 3.5.a. laat een drietraps versterker zien, met de driftspanning van

elke trap, gerefereerd i,om

-+

naar zijn ingang. Ge-

1

vanrducer

makkelijk is in te zien l.---”

dat geldt: i C 1

Fig. 3 5 Chopper-skabùued amplifier 3 edrifts drift) + e = e. + e 1 + i drift’ KIK2 K2K3

We kunnen dus de uitgang e

gelijken met die ten gevolge van drift. De drift van de ie trap is de meest belangrijke, omdat zijn effect aan de uitgang reiatief net zo groot is als e.. Drift van de trappen 2 en 3 worden gereduceerd met resp. de factoren K en K K Als we een le trap kunnen bouwen met lage drift en relatief grote versterking K dan is de drift van het totale systeem klein. Fig. 3.5.b. laat het blok-diagram zien van hoe dit gerealiseerd is voor een chopper gestabiliseerde gelijkspannings- versterker. Aïïe frequenties aanwezig in het signaal e. gaan door de ware gelijkspanningsversterker, terwijl alleen de laag-frequente com- ponenten door de chopperversterker gaan en dan door de gelijkspannings- versterker. Als we gebruik maken van de numerieke waarden van fig. 3.5 en we verwaarlozen de drift van de le trap (chopper), dan zien we dat de totale drift gereduceerd is tot 1/2000 van de drift van de gelijk- spanningsversterker zelf. De versterkingsfactor voor laag-frequente

ten gevolge van de gewenste ingang e. ver-

O 1 1 1 1 2’ 1 9 1 (3.1)

6

signalen is 2000

*

75000 = 150

.

10 en voor hoog-frequente signalen 75000.

Omdat drift een laag-frequent fenomeen is, is de ie trapsversterking van 2000 voldoende om de drift tot 1/2000 te reduceren van zijn vroegere waarde, zoals reeds eerder opgemerkt.

De versterkers worden in werkelijkheid niet gebruikt in de open-loop con- figuratie zoals in fig. 3.5.b. omdat zulke hoge versterking niet nodig is, en door terugkoppeling kan de versterking naar beneden gehaald worden voor andere gewenste eigenschappen, zoals Zineariteit en controle van de ingangs- en uitgangsimpedantie. Dus de verpakking, die verkocht wordt als chopper gestabiliseerde meetversterker, heeft een configuratie van fig. 3.5.c., waar- in de weerstanden R. en R zo gekozen z i j E dat de teruggekoppelde versterking (es ten opzichte van e ) in de grootte orde van een paar duizend is, of minder. We kunnen dit circuit als volgt analyseren:

Veronderstel dat de grote ingangsweerstand van de open-loop versterker ervoor

1 O O zorgt dat i N e

-

e. R. S 1 -

-

1 Tengevolge van

O is. Sommeren van de stromen op knooppunt 1 geeft: e

-

e.

-

O 1

RO

6

de erg hoge open-loop versterking (150

.

10 voor laag- frequente signalen) kan het signaal e. een volle uitslagwaarde e produ- ceren (zeg 10 V), zonder zelf groter te zijn dan een paar microvolts op zijn hoogst. Dus ei is altijd verwaarloosbaar ten opzichte van e

de grootte orde van millivolts i s ) en e (in de grootte orde van volts). Vergelijking 3.2 kunnen we dan benaderen door:

1 O (die in S O Q RQ e e R. - = - - S 1 (3.3)

en daardoor wordt de versterking een functie van alleen R. en R De numerieke waarden van deze weerstanden kunnen erg nauwkeurig afgesteld en gehandhaafd worden, en geven een erg stabiele en nauwkeurige ver- sterking

.

De hierboven gegeven beschouwingen en diagrammen zijn simplificaten en bedoeld om de principes duidelijk te maken, maar verwaarlozen veel details die bekeken moeten worden om daadwerkelijk een versterker te bouwen. Een hulp bij het bouwen van een versterker is de operationele versterker.

3.4. Operationele versterker Operationele versterkers

zijn open-loop ware gelijk- spanningsversterkers of chopper

gestabiliseerde versterkers, + -4

met erg hoge versterking. Door een geschikte terugkoppeling in te bouwen kan men vele handige actieve circuits maken. Zulke vers terkers bijvoorbeeld zijn de basis bouwstenen van de ana- loge computer. Deze versterkers zijn zo extreem handig om een

meetinstrument voor speciale F i g . 3,6 ~peratimai amplifier. gevallen te bouwen (zoals ver-

sterkers, filters, integrators,

enz.), dat iemand met weinig electronische kennis deze versterkers kopen kan en dan met toevoegen van relatief simpele passieve elementen (zoals weerstanden, condensators, diodes, enz.) de gewenste functiekarakteristieken krijgt. Zowel lineaire als niet-lineaire operaties zijn gemakkelijk te reali- seren.

Om de algemene lineaire operaties toe te lichten beschouwen we fig. 3.6.a. Met gebruik van de veronderstellingen zoals bij fig. 3.5.c. krijgen we:

(3.4) O e e. -(D) * ) =

-

-

‘i 1 (D) = operationele uitgangsimpedantie e. A l en Z. =

-

(D) = operationele ingangsimpedantie 1 i. 1 ( 3 . 5 ) A d

* ) Met D wordt de differentiaaloperator bedoeld D =

-

Als voorbeeld fig. 3.6.b.: Zo = I/CD en Z . = R.. 1 1 Hieruit volgt: O 1 e e. RCD

-

(D) =

-

-

1 of e = - - j e i d t 1 O RC

Dit circuit vervult de bruikbare handeling van integratie van het signaal e. naar de tijd. Een heel scala van andere handelingen kan gerealiseerd worden, door de juiste terugkoppelschakeling te gebruiken.

3 . 5 . Kathode- of emittervolger

n

Wanneer een opnemer met een

hoge uitgangsimpedantie (zoals een piëzo-electrisch kristal of capacitatieve verplaatsingsopnemer) gekoppeld moet worden aan een op- namesysteem en we willen de be- lastingseffecten minimaliseren, dan moet de gebruikte versterker een hoge ingangsimpedantie hebben.

Als de versterker ook een aanzienlijke stroom naar de recorder moet leveren, dan moet de uitgangsimpedantie laag zijn. De kathode-volger van fig. 3 . 7 heeft zo'n impedantietransformatie. De versterking- is altijd kleiner dan één (meestal ongeveer 0 , 9 ) . Dus is spanningsver- sterking noodzakelijk, er moet nog een versterker toegevoegd worden. Het basiscircuit van fig. 3 . 7 heeft een gelijkspanningsresponsie,

maar voor vele toepassingen is dit niet noodzakelijk. Dan wordt er een condensator gekoppeld aan de ingang om de problemen vari drift en systematische fout te reduceren.

De transistorversie van een kathodevolger wordt emitter- of bronvolger genoemd. De versterking ligt dan In de buurt van 0,995.

3.5.1. BRtfEL & KJAER; type 2625

De "Vibration Pick-up Preamplifier", type 2625 is voorzien van inte- gratienetwerken voor het meten van snelheid en verplaatsing, met een versnellingssignaal als ingang. Er zijn 3 onafhankelijke ingangen met ieder een eigen gevoeligheidsinstelling. De twee ingangen die niet in gebruik zijn, zijn verbonden met aarde. De functiekeuzeschakelaar heeft 4 verschillende versterkingsgebieden voor de 3 ingangen; 1: variabel van

-40 tot -20 dB, 2: variabel van

O

tot +ZO dB, 3: vast op O dB, 4 : vast op -40 dB. De integratienetwerken zijn passieve RC-netwerken met 3 ver- schillende laagste frequentiegrenzen;

1 ,

10 en 100 Hz voor snelheids-, en 6 grenzen:

1 ,

3, 10, 3 0 , 100 en 300 Hz voor verplaatsingsmetingen.

Om de best mogelijke signaal-ruis verhouding te verkrijgen, moet steeds de hoogst mogelijke laagste frequentiegrens gekozen worden.

De veldeffect transistortrap in het ingangscircuit zorgt voor een extreem hoge ingangsimpedantie, variabel van ongeveer 3000 Mi2 bij 0 dB tot onge- veer 450 Mi2 bij 20 dB versterking. Het type 2625: "Vibration Pick-up Preamplifier" is een versterker met hoge ingangsimpedantie voor het

gebruik met piezo electrische versnellingsopnemers. Het piezo electrische element bezit een kleine capaciteit, die een kleine lading over het

element geeft, als deze aangestoten wordt met een versnelling. A l s de versnellingsopnemer aangesloten was op een grote capaciteit (zoals een lange kabel naar de versterker), dan zou de gevoeligheid sterk geredu- ceerd worden, vanwege de spanningsdeling van de kabelcapaciteit en de versnellingsopnemercapaciteit. De belangrijkste functie van de voor- versterker is de impedantietransformatie tussen de hoge ingangsimpedantie

(vereist voor de versnellingsopnemer) en de lage uitgangsimpedantie (ver- eist voer het uitgangssignaal, dat in de relatief hoge capaciteit van de kabel gestuurd wordt). Fig. 3.8 geeft het blokdiagram van de voorver- sterker a

maar hij varieërt met de versterking, zoals fig. 3.9 laat zien.

Wanneer de ingang gevoed wordt door een bron met capaciteit C en de in-

S

dan is de laagste grensfrequentie fL: i’ gangsweerstand is R 1

-

-

fL 2.rr Cs Ri Bij 20 dB versterking Daarom is het gunstig

(3 9)

en een broncapaciteit van 1000 pF geeft dit f

om bij laagfrequente signalen een versterking van O dB

= 0,3 Hz.

L

Input Resistance M n

Input mpedance as a function of gam setting.

500 O 2 4 6 8 10 12 14 16 18 2ûdB

.

----ja= Gain . , í=.g,-/-?r ’ O1Hz settings. TO kHz 100 kHz Gain 20 dB ₁ 2 10 dR _.l 4 O dB 5 6 -10 dB 7 8 -20 dB Frequency te kiezen. (Ingang s capaci t e i t = 1 4 pF). R. is dan 3000 MQ,

c

= 1000 PJ?. 1 S De frequentie- karakteristiek van de versterker bij alleen ver-

snellingsmeting (géén integratie) wordt gegeven in fig. 3.10 en 3.11. De fïecpentizïeu- ponsie van de in- tegratienetwerken wordt gegeven in fig. 3.12. ,

li Upper frequency response curves of Type 2625. Curve identification:

Full line curves: response with output amplifier. Dashed curves: without outpui amplifier. input signal levels: 1 and 2: 0.1 V RMS, 3 and 4: 0.5 V RMS. 5 and 6:

s N M - m m n 7 W - 1mn 8 mHz- Oïmm 1OOHz 1kHz 10kHz IC71PC lil2

Fig. 3% i& Frequency response of integrating networks

Wanneer de versterker gebruikt wordt met de voedingsbron ZR 0024 (zie ook fig. 3 . 8 ) , dan is de maximale uitgangsspanning en -stroom (in de stand ACCEL): + 7 V,

2

1 mA; piekwaarde.

Bij snelheids- of verplaatsingsmetingen is dan de minimale belastings- impedantie 1 Ma. Dit begrenst de hoge frequentiekarakteristiek, wanneer we werken met capacitatieve belastingen, zoals fig. 3.13 laat zien. Echter, wanneer we overschakelen naar BATT of EXT. POWER, dan wordt het uitgangs-

4 signaal afgetakt van de vermogens- versterker. In deze standen is de maximale uitgangs- spanning en -stroom gelijk aan: + 7 V, f 2 , 3 mA. En dus wordt de belastingsbeperking aanzienlijk gereduceerd, zoals fig. 3.14 laat zien.

-

5

---p----F\

2 ___ __ ____ ~-~ , -I i o 2 5 . 0 ' 2 5 I d 2 5 1 d 2 5 1 0 ' 3 o1 R e q ~ e n c y r(z Fig. Limit of high f r e q u e ~ c y response due to capacitiv

position "ACCEL." without power amplifier Maximum Input Signal 5 0.7 V at 20 dB gain

5 7 V at O dB gain k /O V at - 2 0 d B gain 700 V at -40 dB gain IO 5 O"lp"1 Voltoge

(RMS) Limit tor negligible

distortion

Ode gain setiing 1 5 2 01 5 2 o o1 _io

2 s io' 2 s lo' z 5 io' 2 5 io'

Frequ@ncy HZ Ilp,,s

.#4 Limrt of h q h frequency resqsrnse due bo capacitive loading of power am@fier.

De vervorming, die de voorversterker zelf produceert, is weergegeven in fig. 3.15, voor de standen O dB en 20 dB versterking. Het ruisspectrum van 20 Hz tot 40 kHz, in i/3 oktaafstappen, is weergegeven in fig. 3 . 1 6 .

De totale ruis in het gebied van 20 Hz tot 40 kHz is aan de rechterkant van de schaal te zien, gemarkeerd met "Lin" (lineair opgeteld).

Mstortion O ! 5 (28V Power Supply) 4 3 2 1 2nd. harmonic

- I

I

3rd. harmonic

-

- -

O !

-

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 û V RMS Output Voltage í'g7Y3-0

Fig. 3 15 Distortion for O dB and 20 dB gain.

ingangsweerstand : variabel van 450 MQ, bij 20 dB tot 3000 MQ, bij O dB versterking : 40 PF : versnelling ingangscapaciteit frequent i eg eb ied : 1 HZ

-

35 kHz snelheid 3,16 m/s: 1 Hz

-

4 kHz 0,316 m/s: 10 Hz

-

10 kHz 0,0316 m/s: 100 Hz

-

30 kHz verplaat- 1000 mm: i

-

30 Hz sing 100 mm: 3

-

100 Hz 10 mm: 10

-

300 HZ 1 mm: 30

-

1000 HZ 0 , l m: 100

-

3000 HZ 0,Ol mm: 300

-

10000 HZ

Max. ingang s s ignaal : + 7 V bij O dB versterking + 700 V bij -40 dB versterking + O,? V bij 20 dB versterking

+

70 V bij -20 dB versterking

-

-

-

versterking voeding : vast op O en -40 dB;

variabel van C tot 20 en van -40 tot -20 dB. ruis : max. 20 1.iV van 2 Hz tot 40 kHz.

belastingsimpedantie : integratienetwerken: min. 1 MQ, max. 150 pF (met voeding ZR 0 0 2 4 ) .

vermogensversterker: min. 3 kQ. uitgangsspanning

ui t gangs imp edan t i e

harmonische vervorming : < 1% met 5 V RMS ingang, bij O dB, : max.

-

+ 7 V (piek); 13 V gelijkspanning. : < 3 0 Q

versnellingsmeting.

: extern: 28 V gelijkspanning (bijv. ZR 0 0 2 4 )

3.6. Ladingsversterker

Toenemend gebruik van piëzo electrische versnellingsop- nemers, drukopnemers en druk- dozen hebben geleid tot de ont- wikkeling van een versterker-

type dat enkele voordelen heeft ten opzichte van de gebruikelijke spannings- versterker.

De actieve elementen van een piëzo electrische versnellings- opnemer zijn kleine plaatj es

a ) Charge equivalent circuit.

- --.

N V-5.a

van gepolariseerd keramiek, ,‘,.L.

die, wanneer ze gedeformeerd worden, een lading ontwikkelen

* 6) Voltage equivalent circuit

op de beide oppervlakken van de

plaatjes. Het equivalente circuit fig. 3.17. Versnellingsopnemer. van dit systeem kan weergegeven worden a l s een condensator C

een ladingsbron S .a (fig. 3.17a), o f als een condensator Ct in serie met een spanningsbron S .a (fig. 3.17b), met:

parallel met t 9 v S = ladingsgevoeiigheid (pC/g) sV a = versnelling ( g ) qi = spanningsgevoeligheid (mV/g) A 2 g = valversnelling = 9,81 (m/sec ) Ct = capaciteit v.d. opnemer (pF) Cp = capaciteit v.d. kabel (pF) b

In het spanningsequivalente circuit (fig. 3.17b) zien we dat de kabel- capaciteit C en de opnemercapaciteit C werken als een spanningsdeler, en dus het signaal aan het andere einde van de kabel reduceren. De kabel- capaciteit is evenredig met zijn lengte. Dit betekent dat voor erg lange kabels, het spanningssignaal dat naar de voorversterker gaat, erg klein is aan het uiteinde van de kabel. Wanneer de kabellengte veranderd wordt of als andere kabels gebruikt worden, moet er een nieuwe spanningsgevoelig- heidsfactor berekend worden, omdat de spanningsdeler nieuwe waarden krijgt voor zijn componenten.

Als echter een versterker een uitgangsspanning geeft evenredig met de lading aan de ingang, dan zien we in fig. 3.17a dat de kabelcapaciteit géén invloed heeft op de gevoeligheid. Dit is het verschil tussen een ladings- en een spanningsversterker.

Een spanningsversterker is gevoelig voor variaties in ingangsspanning en dus ook gevoelig voor de capaciteit van de kabel. Een ladingsversterker is gevoelig voor variaties in ingangslading en aangezien de capaciteit van de kabel parallel staat aan de lading en deze lading niet verandert, is de ladingsversterkersuitgang onafhankelijk van de kabelcapaciteit.

Zo'n ladingsversterker, verbonden met een piëzo electrische opnemer, is te zien in fig. 3.18a (Merk op dat een operationele versterker gebruikt wordt met een condensator C

Veronderstel dat de ingang s spanning e ai en ingangsstroom i a A in de terugkoppeling. C = Ct + Cc). f van de operationele versterker klein ge- noeg zijn, zodat ze verwaarloosd kunnen

Charae=q=K#X,

worden. Current = I = K e i

-

-

(Zie ook 9 3.3, ver- gelijking 3.2 en 3.3). Analyse van dit circuit geeft dan de volgende verge1 ij king en:

K . D . X . = -Cf

.

D

.

( 3 .

io)

4 1

Vergelijking 3.11 geeft aan dat e momentaan en lineair afhankelijk is van de ver- plaatsing x zonder de ge- bruikelijke verliezen bij de statische responsie zoals bij piëzo electrische opnemers en spanningsversterkers. Helaas is dit voordeel niet te

O

i'

realiseren daar bij een systeem gebouwd zoals in fig. 3.18a, door de niet- oneindige ingangsweerstand van de operationele versterker en lek van de condensator C

,

een steeds opnieuw opladen van C optreedt door een lek- stroom, totdat de versterker verzadigd is. Om dit probleem te verhelpen is in het praktische circuit van fig. 3.18b een weerstand R

koppeling parallel geschakeld om te verhinderen dat de kleine lekstroom een significante lading op C aanbrengt. Analyse van dit nieuwe circuit geeft : f f in de terug- f f O KTD e X. TD+ 1 met

KA

K q / ~ f (v/m)

-

(D) =

-

1

n

en T= RfCf (sec) (3.13) (3.14)

Vergelijking 3.12 is van identieke vorm als de overdrachtsfunctie van een piëzo electrische opnemer en een spanningsversterker en heeft dezelfde ver-

liezen van statische en laagfrequente responsie (zie fig. 3.18~). De voor- delen van een ladingsversterker zijn terug te vinden in de vergelijkingen 3.13 en 3.14. We zien dat zowel de gevoeligheid K, als de tijdconstante T,

nu onafhankelijk zijn van de capaciteit van de opnemer zelf en de ver- bindingskabel. Deze voordelen konden bij een spanningsversterker niet be- reikt worden. Dus lange aansluitkabels resulteren niet in gevoeligheids- verlies of variatie van de frequentieresponsie. Deze voordelen maken de ladingsversterker interessant voor verschillende meetsystemen.

Nadelen, die bij sommige toepassingen een rol kunnen spelen, zijn: een moge-

lijke slechtere signaal-ruis verhouding en een reductie van de eigenfre- quentie van de opnemer tengevolge van verlies van stijfheid, veroorzaakt door het toevoegen van een klein circuit over de opnemer.

Wanneer we quartz-kristal opnemers gebruiken, zijn de waarden voor C

1 0 tot ~ O O O O p~ en voor R, van 10" tot

lol4

R. Voor C, = 10000 p~ en van f

L I

6

R =

lol4

R is T = i0 sec (= 277,8 uur) en is, onder deze condities,

f

sprake van praktische gelijkspanningsresponsie (en dus statische ijking en meting mogelijk!).

10 Voor keramische opnemers is C van 10 tot 1000 pF en Rf van

lo8

tot 10

zodat de maximale T = 10 sec. en dus statische metingen onmogelijk zijn. Enkele voorbeelden van ladingsversterkers zijn:

a , f

BRIfEL & KJAER, Charge Amplifier, t y p e 2624.

BRuEL & KJAER, Conditioning Amplifier, type 2626.

KISTLER, Ladungsverstärker

,

Class B oulput o cutput Input Circuit

-

i I ut Overload indlcatm Feedback Cappcitor ' 'C' Overload indlcatm

3 . 6 . 1 . BRuEL & KJMR: type 2624

De "Charge Amplifier", type 2624 is een ladingsversterker met een erg kleine laagste frequentie, fL = 0,003 Hz. Deze versterker is dus ideaal om schokken en lang-

durige inschakel- ver schij nselen t e meten.

Fig. 3.19 laat het blokdiagram van de versterker zien. Het ingangscircuit heeft

een veld effect transistor, die voor een hoge in-

gangsimpedantie zorgt (meer dan 10 G a ) . De operationele versterker wordt gevolgd door een klasse B-uitgangstrap die een relatief hoge condensatorstroom levert, nodig voor de terugkoppel- condensator C bij hoge

f

frequenties. De terug-

koppelweerstarxl Rf is nodig voor de stabilisatie van het gelijkspannings- nivo en geeft de laagste grensfrequenties: f = 1 / ( 2 1 ~ C R ) . Voor de ver- schillende gevoeligheden ( 0 , l ; i en 10 mV/pC) is de terugkoppelweerstand

.5GQ en dit geeft als grensfrequenties 0,003; 0 , 0 3 en 0 , 3 Hz (Cf = 10;

i en 0 , i nF).

Deze frequenties zijn zo laag dat het een hele tijd duurt voordat de normale werkcondities weer bereikt zijn na overbelasting.

Daarom is de versterker uitgevoerd met een resetknop, die de werkcondities weer hersteld (R = 25 kil). Wanneer niet zo'n erg lage frequenties gemeten behoeven te worden, dan kunnen bij dezelfde gevoeligheden de laagste fre- quenties een factor 100 omhoog geschroefd worden: 0 , 3 ; 3 en 30 Hz.

(Rf = 50 Ma).

L f f

S

1'1121

De uitgang is niet intern ontkoppeld, het uitgangssignaal wordt gedragen op een gelijkspanning van 1 2 . 5 V. Daarom moet de uitgangsspanning ge- balanceerd worden met -12,5 V of moet de gelijkspanning geblokkeerd worden met een condensator. (De ingang van de meeste meetinstrumenten is al geblokkeerd met een condensator).

De versterker is uitgevoerd met een overbelastingslampje dat aangaat wanneer het meetgebied overschreden wordt o f wanneer de versterker blokkeert tenge- volge van verzadiging. Door dit blokkeren is deze versterker niet geschikt om toegepast te worden in een servo-gestuurd meetsysteem.

De frequentiekarakteristiek voor type 2624 wordt gegeven in fig. 3.20, voor alle standen van de gevoeligheidsschakelaar. De geladen condensator aan de ingang zorgt voor een opslingering bij hoge frequenties, met een maximale piek b i j frequenties groter dan 20 kHz. Wanneer de condensator helemaal "vol" is, is de stijging van gevoeligheid, bij 20 k H z , kleiner

De maximaal beschikbare uitgangsstroom beperkt de hoge frequentieresponsie wanneer de uitgang aangesloten wordt op lange kabels. Een stel kurves voor

0,5% vervorming, bij verschillende kabelcapaciteiten, wordt weergegeven in

fig. 3 . 2 1 .

Het ruisspectrum van 20 Hz tot 40 kHz is weergegeven in fig. 3 . 2 2 , 23 en 24

voor de drie verschillende gevoeligheden en twee lengtes van de aansluit- kabel tussen versnellingsopnemer en versterker ( I m en 67 m). De totale ruis in het gebied van 20 Hz tot 40 kHz, met weegfactoren A, B, C of lineair (LIN), zijn aan de rechterkant van de schaal te zien.

Spectrum of inherent noise in 0.1 mV/pC mode.

Spectrum of inherent noise in f mVlpC mode.

gevoeligheid : O , ]

-

1

-

10 mV/pC

-

+ 1 % bij 100 Hz.

ingangscapaciteit : max. 1 LIF

-

0 , l LIF

-

10 13.

ingangs shunt-

weerstand : 10 GR.

25 kR bij RESET.

frequentiegebied gevoeligheid - 3 dB punt

( l

vermogen) Hz HZ

-

k I a ~ 0 , 3

-

30 +

1 %

5

-

10 + 5% 3

-

30 + 1 % 30

-

30 + 1 % 50

-

10 + 5%

-

-

-

-

-

harmonische

vervorming : < 0,5%, géén capacitatieve lading.

ruis

(gerefereerd aan de uit- gang) *

< 5%

,

volle capacitatieve lading.

broncapaciteit

uitgangsspanning : 20 V piek-piek; 12,5 V gelijkspanning. uitgangsstroom

uitgangsimpedantie: < 1 Q b i j

4

volle belasting.

:

-

+ 10 mA; kortsluiting beveiligd.

3-5 R bij volle belasting. overbelastings-

hers telt ij d : 1 / ( 2 1 ~ fL) met fL de laagste grensfrequentie. minimaal 5 msec.

voeding

maximaal 50 sec.

3 . 6 . 2 . BRtfEL & KJAER: type 2626

De "Conditioning Amplifier", type 2626 is een ladingsversterker met aanpassingsmogelijkheden voor verschillende opnemers en meetgebieden.

7---

pq

Voltlg Upper Lower

limit limit 1 frequency frequency / Output transformer

Block diagram of Conditioning Amplifier Type 2626

Fig. 3 . 2 5 geeft het blokdiagram van de versterker. Deze versterker bestaat uit:

1. Drie versterkingstrappen: ingang, conditionering en uitgang. 2. Uitgangstransformator.

3. Hoge en lagebandfilter.

(Low Pass, respectievelijk High Pass Filter).

4 . Signaalnivo indicators (overbelasting en 20 dB minder dan overbelasting)

.

5. Voeding.

De ingangsversterker is een operationele versterker met hoge versterkings- factor en capacitatieve terugkoppeling. Om een laag ruis nivo en lage in- gangsstroom te krijgen wordt een dubbele veldeffect transistor aan de in- gang gebruikt. Men heeft een keuze uit 3 verschillende terugkoppel con- densators, met bijbehorende weerstand. De laagste grensfrequentie wordt bepaald door deze RC-combinatie en is onafhankelijk van de gevoeligheid. De maximaal beschikbare gevoeligheid is lV/pC.

Het conditioneringsgedeelte bestaat uit een 3-digitaal netwerkcircuit, met als functie de aanpassing van de versterkergevoeligheid aan de op- nemergevoeligheid, gecalibreerd in pC/g.

De uitgangsversterker is ook een operationele versterker, maar met één veldeffect transistor aan zijn ingang. Deze versterker is gestabiliseerd en levert een uitgangsstroom van tenminste 10 mA, zodat hij belast kan worden met lange kabels zonder instabiel te worden. De versterkeruitgang kan stapsgewijs gevarieërd worden tussen

1

mV/g en i 0 V/g, afhankelijk van de opnemergevoeligheid.

Het uitgangssignaal kan direct gekoppeld worden of via een inschakelbare transformator. In de stand "Direct Output" gaat het signaal direct naar de uitgang. In de stand "Transformer Output" gaat het signaal naar de primaire kant van een transformator. De secundaire kant heeft geen gal- vanisch contact met het frame en is dus zwevend. Zo wordt een eventueel aardecontact voorkomen (dit is van belang bij servogestuurde meetsystemen). Ook zijn er stapsgewijs regelbare lage en hoge bandfilters ingebouwd waarmee de frequentiegrenzen, onafhankelijk van de gevoeligheid, ingesteld kunnen worden. De kleinst beschikbare frequentiegrens is 0 , 3 Hz, dus is deze ver-

sterker geschikt voor impulsmetingen,

Er zijn twee lampjes aanwezig, een voor overbelasting en de andere voor onderbelasting.

Het laatste lampje brandt wanneer het signaal tenminste 1 V piekwaarde heeft. Om de beste signaal-ruisverhouding te krijgen moet de versterking zodanig afgesteld worden dat het onderbelastingslampje brandt bij normale signaalnivo's, zonder dat het overbelastingslampje aangaat bij de hoogste optredende signaalpieken.

Het overbelastingslampje brandt wanneer het signaal groter is dan 10 V piekwaarde (20 dB verschil met onderbelasting). Boor de korte overbe- lastingshersteltijd is de versterker geschikt om in servo-gestuurde meetsystemen gebruikt te worden.

De frequentiekarakteristiek wordt behvloed door de belasting van in- en uitgang. Fig. 3 . 2 6 geeft de bovenste frequentiegrens voor verschillende uitgangsbelastingen en uitgangsspanningen (20 Volt piekwaarde en 2 Volt piekwaarde). Fig. 3.27 geeft de bovenste frequentiegrens voor verschillende ingangsbelastingen en ingangsgevoeligheden. Fig. 3.28 geeft het ruis-nivo in het frequentiegebied van 2 tot i00000 Hz.

.

"PP

I

1

- 2 0 - - ~ i W + m 5 15- - + 3 c 8 I 10 - 5 -. - - - - L - Small signal response (load capacitance O to 50 nF)

3 k 5 k 10 k 2 0 k 30 k 5 0 k 100 k H z

Frequency

27025

Upper frequency limits for different output loads (Distortion

approx.

1%)

20k 30 k 50k 100 k H z

3 k 5 k l o k

Frequency 27-251,

Upper frequency limits for different source capacitances and input sensitivities

gevoeligheid : opnemergevoeligheid uitgangsgevoeligheid PC /g Voltlg

] - - l o

0,001; 0 , O l ; O , ] ; 1 10

-

100 0 , O I ; 0 , l ; 1; 10 100

-

1000 O , ] ; 1; 10 Versterkings- nauwkeurigheid :

_-

+ 1% bij 1 kHz

+

2% bij 10 kHz

-

frequentiegebied:

.

Direct output (-3 dB) : 0 , 3 Hz

-

100 kHz

.

Transformer output : 0 , 3 Hz

-

.

..

afhankelijk van de belasting (zie fig. 3 . 2 6 & 2 7 ) .

Uitgang :

.

Direct output

uitgangsspanning : 10 V piekwaarde

-

10 mA bij 0,3 Hz

-

30 kHz

en -stroom

uitgangsimpedantie :

1

D bij min. versterking

i 0 L? bij max. versterking

.

Transformer output

uitgangsspanning : 10 V piekwaarde

-

10 mA bij 40 Hz

-

30 kHz en -stroom

uitgangsimpedantie : 12 D bij min. versterking

22 D bij max. versterking

ruis : 5 1.iV RMS bij een ingang van 4 VV RMS/1000 pF

( 1 O0 kHz bandbreedte) broncapaciteit (zie fig. 3 . 2 8 ) . gerefereerd aan de

ingang. 50 Hz magnetisch veld.

Technische gegevens: type 2626 (vervolg) f i1 ter s :

.

lage band filter : steilheid 6 dB/oktaaf

-3 dB punt bij 0 , 3 ; 3 ; 10 of 30 Hz.

tolerantie:

-

+ 10%

.

hoge band filter : steilheid 12 dB/oktaaf

- 3 dB punt bij I ; 3; 10; 30 of i00 kHz.

tolerantie: +

-

10% harmonische ver- vorming overbelastings- herstel tijd voeding

: 1% bij volle uitgangsbelasting en een capacitatieve

lading van 50 nF, bij frequenties lager dan 10 kHz.

:

1

msec bij impulsoverbelasting van 5000 pC. max. 200 Usec bij maximale versterking.

: 100

-

240 V ( +

-

10%) wisselspanning & 50

-

400 Hz.

opgenomen vermogen N 7 Watt bij max. gemiddelde spanning.

O

temperatuurgebied : werk: -10

-

+ 5 5 C O

3.6.3. Kistler: type 5007

Deze ladingsversterker is gebouwd om makkelijk mee te werken. Twaalf gebieden, gecalibreerd in mechanische eenheden per volt en afstemming op de gevoeligheid van de opnemer. Frequentiegebied vanaf quasi-statische metingen tot 180 kHz. Keuze uit 3 tijdconstantes en verschillende filters om de hoge frequentiegrens aan te passen aan het gewenste meetgebied

(standaard 180 kHz, filters verkrijgbaar tot een afkapfrequentie van 10

Rz; steilheid 12 dB/oktaaf). Deze filters worden gebruikt om trillingen met hogere frequenties, die gesuperponeerd zijn op het te meten signaal, weg te filteren. Bijvoorbeeld bij quasi-statische metingen om de onver- mijdbare 50 Hz ruis kwijt te raken.

Voor quasi-statische metingen wordt de terugkoppelcondensator Cf parallel geschakeld met een "reed-relay" (grote tijdconstante)

.

Door parallel aan de condensator C

wordt de tijdconstante middelmatig, respectievelijk klein. Onder deze condities zijn dynamische metingen zonder drift mogelijk. De nulpunts- drift kan gecorrigeerd worden met een schroevendraaier, in de stand

RESET.

een weerstand Rf van 100 GQ of

1

GR te schakelen, f

Technische gegevens: type 5007 meetgebieden, i 2 stappen

opnemergevoeligheid uitgangsspanning uitgangsstroom u i t gang s imp edar, t i e

isolatieweerstand (aan de ingang)

frequentiegebied (-3 dB) (met standaard filter) tij dconstante

(afhankelijk van ge- kozen meetgebied) linearitei t nauwkeurigheid v.h. gebied (van de 2 gevoeligsten) ij kings ingang brom en ruis kabelruis drift, t.g.v. lekstroom (20 C) gebruiktemperatuur O

' ) M.E. = Mechanische Eenheid (bijv. bar, N, g) :

-

+ 10

...

_-

+ 500000 pC :

o , ]

...

11000 ~c/M.E.') :

+

10 Volt : I 5 m A : 100

s2

: 100 TR

-

: O

-

180 ~ H Z : groot: 1000

...

100000 sec middel:

1

...

5000 sec klein: 0 , O i

...

50 sec : < + 0,05% : < + I % < + 3 %

-

-

-

:

1

pC/mV + 0,5% : < 2 mv RMS I') : 3.10-~ pc RMS/~F ' 8 ) : < + 0,03 pC/sec : O

...

50°C

-

) gemeten bij hoogste ingangsgevoeligheid.

Literatuur:

*

Ernest O. Doebelin:

Measurement Systems, Application and Design, Mc. Graw Hill Kogakusha, LTD. 1975

*

Peekel Instruments B.V.:

CA 100

-

Series High Performance Amplifier System,

Rotterdam, Holland 1980

*

BrÜel & K j a e r :

Instructions and Applications of the Amplifiers, type 2624

2625 2626,

Copenhagen, Denmark 1971

*

Kistler Instrumente AG: Piezo-Instrumentation:

Ladungsverstärker

,

type 5007,