Диссертация (1024691), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Они могут использоваться для исследования процессов с широкимчастотным диапазоном измеряемых сигналов и быстро изменяющихся процессов.К недостаткам безмодуляционной схемы следует отнести наличие шумов типа1/f на низких частотах, а также наличие специальных требований к СКВИДдатчикам для совместного использования.
Поскольку безмодуляционная схемапредставляет собой схему прямого усиления, и ее первый каскад подключаетсянепосредственно к СКВИДу, он может вносить существенный шум врезультирующий шум на выходе магнитометра. К настоящему моменту времениизвестные из литературных источников наименьшие значения спектральнойплотности собственных шумов первого каскада усиления безмодуляционнойэлектроники составляют около SVamp ~ 0.33 нВ/Гц1/2. Для пересчета шумапредусилителя в единицы эквивалентного шумового магнитного потока на входеСКВИДа SΦamp необходимо это значение разделить на величину крутизныпреобразования вольт-потоковой (или т.н.
«сигнальной»)характеристикиСКВИДа ∂Vout/∂Фe (где ∂Vout – это изменение напряжения на выходе СКВИДа, а∂Фe - приложенный к его входу внешний магнитный поток). Так, чтобы величинаSVamp ~ 0.33 нВ/Гц1/2 была эквивалентна, например, значению шума SΦamp ~ 1мкФ0/Гц1/2, (т.е. быть существенно меньше уровня собственных шумов СКВИДа,типичные значения которого составляют SΦSQ ~ 3 мкФ0/Гц1/2), крутизнапреобразования сигнальной характеристики должна составлять величину порядка330 мкВ/Ф0.
У стандартных коммерческих СКВИДов значения крутизныпреобразования сигнальной характеристики обычно на превышают 100 мкВ/Ф0,поэтому для работы с безмодуляционной схемой требуется изготовлениеспециальныхСКВИД-датчиков,впротивномслучаеэлектроникадает110существенный вклад в результирующий шум магнитометра и оказывается менееприспособленной для высокочувствительных измерений по сравнению смодуляционной схемой.3.3.2 Электроника для магнитометрических СКВИД-систем гелиевого уровняохлажденияДля применения СКВИД-магнитометров в исследованиях биомагнитныхсигналов сердца и мозга человека необходимо обеспечить наивысшуючувствительность прибора, поскольку исследуемые сигналы имеют чрезвычайномалые амплитуды, не превышающие значений в несколько десятков пикоТесла.Таким образом, достижение максимально чувствительности СКВИД-системыявляется одним из приоритетных параметров в магнитокардиографических имагнитоэнцефалографическихисследованиях.Необходимоотметить,чтоэлектроника такой биомагнитной системы представляет собой целый комплексустройств, который включает в свой состав кроме собственно СКВИДэлектроники, систему аналоговой обработки и преобразования сигналов, системуэлектронного подавления помех, систему сбора данных и т.д., качество работыкоторых существенно влияет на качество получаемых результатов, особенно вслучае, когда измерения проводятся в условиях неэкранированного пространствапри воздействии высокоамплитудных электромагнитных помех.Имея ввиду, что частотный диапазон регистрируемых биомагнитных сигналовнаходится в диапазоне нескольких первых десятков Герц, элементы СКВИДэлектроники должны быть специально адаптированы для данного типаизмерений, и таким образом, схемотехнические решения и их параметрынеобходимо специально подбирать.Как уже было отмечено выше, из двух типов электроники, применяемых вСКВИД-магнитометрах, лучшими характеристиками на низких частотах (т.е.
втребуемом диапазоне регистрируемых сигналов) обладает модуляционная схема,поскольку все преобразования полезного сигнала производятся на частоте111модуляции, где собственный шум электроники мал, и после синхронногодетектированияостаетсятолькосигналисследуемогообъекта.Схемамодуляционной СКВИД-электроники, используемой с низкотемпературнымиСКВИДами, иллюстрирующая принцип ее работы, приведена на рисунке 3.8.Принцип ее работы состоит в том, что на СКВИД-датчик через специальнуюкатушку подается модулирующий магнитный поток амплитудой (-Ф0/4, +Ф0/4)симметричнохарактеристики.относительноВэтоммаксимумаслучае(какилиминимумапоказанонасигнальнойрисунке3.8аслева) выходное напряжение СКВИДа на частоте модуляции равно нулю.
Еслидополнительно к сигналу модуляции на вход СКВИДа начинает поступатьнизкочастотный измеряемый сигнал, он сдвигает рабочую точку на сигнальнойхарактеристике, и на выходе СКВИДа появляется напряжение на частотемодуляции, амплитуда которого пропорциональна величине измеряемого сигнала.Далее оно усиливается, детектируется, интегрируется и через резистор обратнойсвязи в виде тока поступает на катушку обратной связи, создавая в СКВИДемагнитный поток обратного знака, возвращающий рабочую точку на сигнальнойхарактеристике в исходное положение, т.е. схема работает, как нуль-детектор.Напряжение на резисторе обратной связи Roc в этом случае оказываетсяпропорциональнымприложенномувнешнемумагнитномупотоку,т.е.измеряемому сигналу, и далее используется в качестве выходного сигналамагнитометра.Как уже отмечалось выше, стандартные коммерческие СКВИД-датчики,доступные для проектирования и создания биомагнитных систем, имеют уровнисобственных шумов в диапазоне (3-5) мкФ0/Гц1/2 и значения крутизныпреобразования сигнальной характеристики порядка 100 мкВ/Ф0.
Таким образом,это эквивалентно уровням шумового напряжения на выходе СКВИДа (0.3-0.5)нВ/Гц1/2.Современныеполевыетранзисторы,которыедоступныдляиспользования в качестве первого каскада усиления, имеют уровни собственныхшумов около 0.7 нВ/Гц1/2 (типа 2SK369 фирмы Toshiba) на частотах 100-500 кГц,112что существенно превышает эквивалентный уровень шумового напряжения навыходе СКВИДа.Рисунок 3.8 – Схема модуляционной СКВИД-электроники (а) и ееподключения к СКВИД-датчику (б) [106]Блок-схема реального канала электроники биомагнитной СКВИД-системыприведена на рисунке 3.9.Решение проблемы снижения вклада шума предусилителя в результирующийсигналмагнитометраобеспечиваетсяпосредствомиспользованияустанавливаемого между выходом СКВИДа и входом первого транзисторапредусилителя дополнительного согласующего трансформатора с коэффициентом113преобразования по напряжению n ~ 25, который позволяет с одной стороны в nраз снизить эквивалентный шум первого каскада предусилителя в пересчете ковходу СКВИДа, и, с другой стороны, согласовать с коэффициентом n2низкоомный выход СКВИДа (как правило, имеющий сопротивление менее 10Ом), с относительно высокоомным входом полевого транзистора первого каскадаусиления.Благодаряиспользованиютакогосхемотехническогорешениядостигается минимизация вклада шумов электронной схемы в выходной сигналСКВИД-магнитометра.Рисунок 3.9 – Блок-схема двухдиапазонной электроники, разработанной длябиомагнитного СКВИД-магнитометраВажныммоментомприпроектированииСКВИД-электроникидлябиомагнитных применений является выбор аналогового перемножителя дляреализации синхронного детектора, используемого в схеме магнитометра.
Длясхем с частотой модуляции порядка 100 кГц и напряжением питания ± 15 Вольтможет быть использована микросхема AD633 (фирма Analog Devices), а для более114высокочастотных схем с частотами модуляции порядка 500 кГц и напряжениемпитания ± 5 Вольт – микросхема AD835.Генератор модуляции формирует прямоугольный сигнал с частотой порядка100 кГц и амплитудой 0 - 5 В, который подается в катушку модуляции СКВИДа, иодновременно, как опорный сигнал, на один из входов синхронного детектора. Ввыбраннойсхемечастотноймодуляциичастота100кГцпримерносоответствовала середине амплитудно-частотной характеристики согласующеготрансформатора, включенного между СКВИДом и предусилителем.С выхода синхронного детектора сигнал интегрировался, и через такназываемый «резистор обратной связи» подавался далее в катушку модуляции спротивоположным по отношению к входному сигналу знаком, обеспечивая темсамым режим отрицательной обратной связи.
Падение напряжения на резистореобратной связи и являлось выходным сигналом магнитометрического канала, авеличина сопротивления этого резистора определяла т.н. коэффициент обратнойсвязи - коэффициент преобразования выходного напряжения канала в магнитныйпоток в СКВИДе KV-Φ, измеряемый в единицах В/Ф0 (Вольт на квант магнитногопотока). Интегратор был спроектирован с использованием микросхем, имевшихдостаточно низкий уровень собственных шумов и низкие значения дрейфавыходного напряжения (OP27GSZ), чтобы минимизировать их вклад в выходнойсигнал СКВИД-магнитометра.В качестве дополнительных элементов электроника магнитометрическойсистемы содержала фильтры высокой и низкой частоты, и усилители.
В болееранних версиях систем присутствовали и синхронные фильтры частоты 50 Гц и еегармоник. Все эти элементы рассчитывались из условия оптимальногосогласования уровней выходных сигналов магнитометрических каналов сдинамическим диапазоном используемых систем сбора данных [109]. По мереразвития элементной базы аналогово-цифровых преобразователей в сторонуповышения их разрядности, а также программных методов цифровой фильтрациисигналов, необходимость использования части дополнительных аналоговыхусилителей и синхронных фильтров отпала.115Так, например, современные магнитокардиографические системы серии «МАГСКАН» содержат в составе электроники только фильтры высокой частотыпервого порядка с частотой среза 0,05 Гц, фильтры низкой частоты второгопорядка с частотами среза 130 Гц и 1000 Гц, и дополнительный усилительвыходного сигнала с коэффициентом усиления, равным 10.
Этого оказалосьдостаточно для оптимальной работы используемой системы сбора данных наоснове 24-битных АЦП [103]. Подробнее описания конкретных схемотехническихрешений этих элементов будут представлены в Главе 4.3.3.3 Электроника для магнитометрических СКВИД-систем азотного уровняохлажденияРазработка электронных схем магнитометров на основе ВТСП-СКВИДовпрошла несколько этапов своего развития и обуславливалась практическимизадачами в ходе совместных работ с Исследовательским центром Юлих(Германия)по созданию магнитометрических систем различного назначения.
Вэтом центре уже около 20 лет разрабатывается технология изготовления ВТСПСКВИДов и планарных градиентометров из ВТСП материалов. На сегодняшнийдень Центр обладает лучшими в мире СКВИД-датчиками, включая доступные дляпрактического использования коммерческие образцы.В рамках научного сотрудничества с Центром Юлих было создано и испытанонесколько вариантов электронных схем магнитометров для исследованиясобственных характеристик ВТСП-СКВИДов [114-116], магнитометров длясистем неразрушающего контроля [117, 118] и магнитометрических систем длябиомагнитных применений [119, 120].В результате блок-схема электроники магнитометрического канала дляиспользования с высокотемпературными СКВИДами (рисунок 3.10) прошла рядпоследовательных усовершенствований и отвечала требованиям использования вконкретных практических приложениях [121-123].
Как уже было отмечено выше,в электронике для ВТСП-СКВИДов формируется сигнал переменного тока116смещения, и он имеет прямоугольную форму, как и сигнал модуляции. Периодсигнала тока смещения должен быть кратен периоду сигнала модуляции,например, как показано на рисунке 3.10, где частота сигнала тока смещения вдвоеменьше частоты сигнала модуляции.Поведение рабочей точки на сигнальной характеристике СКВИДа напротяжении одного периода сигнала тока смещения проиллюстрировано нарисунке 3.10.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
