[Pavel73 0]

Здравствуйте, много информации перечитал, но осталось несколько вопросов по синхронному детектированию. Конкретно - по детектированию сигнала после фотодиода. Схема установки классическая: источник света - механический обтюратор - исследуемый образец - монохроматор - фотодиод. Схема компенсации засветки на ОУ по вычитающей схеме и полосовые фильтры работают отлично - при обкатке расстояние от выходной щели монохроматора до фотоприемника делалось около 50 мм и включалось верхнее освещение в виде люминесцентных ламп, при этом мплитуда сигнала фотоусилителя прыгала примерно на 250 мВ при небольшом коэффициенте усиления, зато после компенсации и полосового фильтра, выделяющего частоту модуляции примерно в килогерц, форма сигнала и амплитуда изменялись очень незначительно относительно полезного сигнала. Докучи к этому нужно приделать ещё синхронный детектор. Так как опыта работы с ними не было, первым взгляд упал на статью Дмитрия Лапшина "Простой метод синхронного детектирования" из журнала Схемотехника, она прикреплена ниже. Собран детектор на AD781 - мс выборки-хранения. Но как-то совсем не нравится его работа, может что-то делаю не так или недопонимаю, подскажите. Одновибратор - АГ3, длительность регулируется хорошо и время начала запоминания амплитуды полезного сигнала устанавливается стабильно и почти не плавает. Запутался с вопросом перекрывания частот. К примеру если опорная частота около 1 кГц, а частота помехи в несколько раз меньше, то она однозначно перекрывает опорную и выборка и хранение в случае величины просочившейся помехи, сравнимой с полезным сигналом, будет проведена именно по амплитуде помехи или сумме амплитуд помехи и сигнала. Ниже осциллограммы работы. Синяя -сигнал после детектора, желтая - сигнал с фотоусилителя, зелёная - импульс с оптопары обтюратора, розовый - импульс после одновибратора. Всё вроде хорошо, частоты, большие опорной, детектор гасит, но при меньших частотах амплитуда продетектированного сигнала начинает скакать. Как должно быть в оригинале? Как-то смущает эта выборка-хранение. Однозначно соберу поиграться детекторы на основе перемножения и ключевания, но как-то подзапутался со схемами. Если дадите пару советов по работе с AD781 или поделитесь обкатанными схемами синхродетекторов на попсовых деталях, буду очень признателен.

Изменено 7 июня, 2014 пользователем Pavel73

[Меджикивис 0]

С AD781 я не работал, но работал с 525ПС3 именно в этом применении, синхронное детектирование. Точность оказалась низкой. Для измерительных целей навряд ли пригодна.

Другая схема была на основе ОУ и ключей, периодически обменивавших местами прямой и инверсный входы. Эта схема работала намного лучше. Погрешность зависит от качества ключей, которое сказывается только на маленьких уровнях сигнала (утечки, ненулевое включенное сопротивление). Но поскольку перед детектированием сигнал уже бывает достаточно усилен, неидеальность ключей влияет мало. Этот вариант можно рекомендовать попробовать.

 

То, что написано в статье - аналоговое запоминание амплитуды, для вашей конструкции не подходит. Потому что Вам надо не только детектировать, а еще и выделять нужный Вам сигнал из помех.

Свойство фазового детектора то, что он выпрямляет только синфазный сигнал, все остальные остаются переменными и давятся дальнейшим ФНЧ.

Схема же из статьи пытается уйти от последующего ФНЧ. То есть "чистый" сигнал она продетектирует хорошо, а вот зашумленный - плохо. Потому что в моменты запоминания, если была помеха, даже короткая, она запомнится вместе с сигналом и значение окажется испорченным аж до следующего периода.

А в традиционной схеме - последующий ФНЧ сглаживает ВЕСЬ искомый сигнал без изъятия, так что у сигнала оказывается преимущество перед помехой, и отстройка от помех получается на порядки лучше.

 

Детектирование перемножением, даже с применением особо точных микросхем, не даст Вам каких-либо преимуществ перед простой схемой с ключами. Перемножение выгодно тогда, когда мы имеем сигналом синус и умножая его на обратный, еще до сглаживания уже получаем довольно ровную линию.

Но у Вас-то полезный сигнал близок к прямоугольному, раз вырабатывается обтюратором. Так что, если его просто синхронно переворачивать ключами - Вы и так получите прямую линию - без всякого перемножения.

 

Резюме:

Рекомендую делать синхронный детектор с ключами. Можно на отдельных микросхемах, можно на специализированной, если есть.

Изменено 7 июня, 2014 пользователем Меджикивис

[SSerge 4]

А ещё лучше сразу оцифровывать сигнал многоразрядным АЦП, а все прочие умножения и фильтрацию производить уже в цифровом виде.

Перед АЦП остаются только предусилитель и ФНЧ.

 

[Меджикивис 0]

Может оно и так, но столько программирования мне было б тяжело. И вообще тогда лучше уж DSP.

 

 

У меня на работе для такой цели (фотодатчик после монохроматора МДР-12) используют древний Унипан. Но там сигнал с датчика очень маленький.

Но и поновее готовые приборы для этой цели существуют.

 

 

[Меджикивис 0]

немного подумавши.

 

Всё зависит от требуемой точности. Если процента или двух хватает, то, учитывая низкую частоту сигнала, пожалуй можно бы запрограммировать даже на моих любимых PIC-ах.

 

[AlexeyW 0]

Мне показалось, что при неравенстве детектируемой и закрытой частей периода нижние частоты будут пролезать. Особенно это наглядно, например, для кратно низких частот - например, половинной.

Я раз делал такую схему, но со скважностью половина. Не использовал аналоговые ключи, просто подавал сигнал на +/- входы дифусилителя-интегратора, а стробирующим сигналом сажал нужный вход на землю в нужный полупериод. Хотя, честно говоря, пролезание помех специально не мерял. Помех от ламп видно не было совсем.

[Меджикивис 0]

стробирующим сигналом сажал нужный вход на землю в нужный полупериод.

По сути это уже и есть пол-ключа.

Просто в такой схеме уровень будет меряться не от "земли" точно, а от остаточного потенциала на притянутом к земле входе. Небольшая, но погрешность. Чтоб ее снизить, сигнал на это время от заземленного входа лучше отключать. - вот и полная нормальная схема с ключами :)

 

Касательно пролезания кратного сигнала - я такое не наблюдал, но не поручусь; надо бы проверить. Вообще, со многих сторон лучше иметь скважность 2. Она на выходе продетектируется ключами в точную ровную линию.

А если будет отклоняться от двойки, то после первого же разделительного конденсатора более короткий полупериод приобретет больше амплитуду, чем более длинный. Таким образом, когда мы вывернем их ключами на одну полярность, их амплитуды не совпадут в одну ровную линию и появится пульсация на частоте сигнала. ФНЧ обязан ее сгладить в среднее.

 

Хотел еще сказать про обтюратор.

Обычно у нас либо ответвляли основной луч отражением от стеклянной пластинки на фотодиод и получали точно синхронный сигнал; особенно хорошо такое с лазерным пучком.

Либо с другой стороны "вертушки" ставили пару светодиод-фотодиод и получали сигнал в противофазе. Не очень конечно сложно, но все же гиморно.

Я сделал такой вариант:

"Вертушка" имеет только одну лопасть - половинную. А напротив нее, в качестве уравновешивающего груза около оси - половинка отбитого кольцевого магнита.

Около магнита геркон. Надеюсь дальнейшее ясно: вертушка крутится, и на каждом прохождении магнита геркон замыкается.

Отличный прямоугольник с хорошими фронтами; дребезга не наблюдалось. Ток около миллиампера (5V), безукоризненно работает уже третий год.

 

 

[Herz 4]

В статье Лапшина даётся довольно поспешное заключение о преимуществах детектора, построенного на УВХ, лишь на том основании, что фильтру не нужно давить двойную частоту сигнала. В то же время ничего не говорится о шуме, его характеристиках - у него шум тоже идеален, как и сам сигнал.

Между тем, это принципиальный момент: если сигнал зашумлен не просто белым шумом, а присутствует регулярная помеха в рабочей полосе, то все преимущества такого простого подхода утрачиваются. Ведь подавление внеполосного сигнала в виде двойной частоты выглядит забавой по сравнению с борьбой с НЧ-шумами.

Я для похожей задачи тоже начал с детектора на УВХ. Экспериментировал даже с OPA615, но быстро убедился в бесперспективности самого метода. Гораздо лучше вёл себя простой прецизионный аналоговый детектор на "идеальных диодах". А в итоге остановился именно на синхронном переключении. Для сигнала, близкого к прямоугольному - действительно особенно приемлемый вариант.

 

 

[DS 0]

Делайте "классический" с ключами, и не ломайте себе голову, как сразу же и посоветовали.

[AlexeyW 0]

По сути это уже и есть пол-ключа.

Просто в такой схеме уровень будет меряться не от "земли" точно, а от остаточного потенциала на притянутом к земле входе. Небольшая, но погрешность. Чтоб ее снизить, сигнал на это время от заземленного входа лучше отключать. - вот и полная нормальная схема с ключами :)

Да, конечно. Я просто поделился одним из упрощенных схемных решений. Но, кстати, хоть Вы верно написали про погрешность от остаточного потенциала - я еще сказал, что это была симметричная схема на входе дифинтегратора. Если входные цепи достаточно точно симметричны - погрешность падает на один-два порядка (можно брать пару транзисторов на одном кристалле).

Касательно пролезания кратного сигнала - я такое не наблюдал, но не поручусь; надо бы проверить. Вообще, со многих сторон лучше иметь скважность 2. Она на выходе продетектируется ключами в точную ровную линию.

А если будет отклоняться от двойки, то после первого же разделительного конденсатора более короткий полупериод приобретет больше амплитуду, чем более длинный. Таким образом, когда мы вывернем их ключами на одну полярность, их амплитуды не совпадут в одну ровную линию и появится пульсация на частоте сигнала. ФНЧ обязан ее сгладить в среднее.

Да, примерно так. Я сам рассуждал немного по-другому: есть ряд функции, математически образующих ортогональный базис. Сюда относится разложение в ряд Фурье на синусоиды и, как мне кажется, разложение на меандры как некое упрощение. Ортогональность (т.е. равенство нулю коэффициентов разложения по всем остальным частотам) здесь ключевой момент. А при неполовинной скважности ортогональность теряется, появляются ненулевые члены от других частот.

[Pavel73 0]

Огромное спасибо отозвавшимся за предложения и мнения, которые очень помогли разобраться. Все недопонимания разрешились и установка на данный момент закончена. Я просто доконца не проникся сутью устройств и сразу начал сборку. В итоге донастроил компенсатор засветки, пожестче обозначил полосу пропускания активного полосового фильтра и получил очень даже симпатичный периодический сигнал. Так как в моем случае после фотоусилителя при работе обтюратора присутствует только положительное напряжение и величина его не настолько мала, что бы не было возможности отличить его от возможной помехи без колдунств, остановился всё-таки на использовании УВХ. Применение ключевания предусматривает работу с отрицательной и положительной полуволнами, а у меня только положительное периодическое напряжение, появляющееся при открытии окна модулятора света. Поэтому картинка после ключевого детектора не сильно изменится - только сдвинется на 180 градусов, насколько понимаю. Поэтому сделал импульс одновибратора, управляющий микросхемой ВХ, максимально коротким и выставил фазу его появления ровно по центру открытого окна обтюратора. После УВХ стоит сглаживающий конденсатор, поэтому сигнал получается достаточно стабильным - четкая примая линия. В целом, благодаря синхродетектору, компенсатору засветки и хорошо настроенному полосовому фильтру, полезный сигнал держится в пределах 4-5 мВ даже при издевательствах в виде спецального подмешивания помех с амплитудой не менее 30-40% от полезного сигнала. На приличное отодвигание от щели монохроматора даже при включенном верхнем свете устройство практически не реагирует и удерживает амплитуду полезного сигнала в пределах 2-4 мВ при максимальных значениях сигнала примерно в 850 мВ, а большая точность мне и не требуется. Обдумал вариант устройства на контроллере - очень даже понравилось, через пару месяцев, когда появится время, обязательно соберу. Разве что не на PIC, а на AVR. Программой и соображениями поделюсь, может кто в чем поправит или кому-то пригодится. Спасибо за помощь!

Изменено 9 июня, 2014 пользователем Pavel73

[AlexeyW 0]

в виде спецального подмешивания помех с амплитудой не менее 30-40% от полезного сигнала.

А как именно Вы его подмешиваете?

[Tanya 4]

остановился всё-таки на использовании УВХ.

Таким образом Вы добровольно отказываетесь использовать большую часть сигнала (информации).

[AlexeyW 0]

Таким образом Вы добровольно отказываетесь использовать большую часть сигнала (информации).

В том смысле, что бОльшая часть времени, когда идет полезный сигнал, не используется и в интеграл не попадает?

[Tanya 4]

В том смысле, что бОльшая часть времени, когда идет полезный сигнал, не используется и в интеграл не попадает?

В том.