[SSerge 4]

Кстати, ознакомился (пока поверхностно) с DS на ADS1210. Производит впечатление довольно сложного прибора. Могли бы Вы как-то прокоментировать это:

При стандартных включениях микросхемы ADS1210

(дифференциальном либо при подключении одного входа к опорному

напряжению), входной сигнал может попасть в зону нулевого

дифференциального напряжения (ширина этой зоны составляет несколько

мВ). При этом в цифровом фильтре микросхемы образуется комбинация,

которая не может быть подавлена цифровым фильтром. Этот эффект

известен и описан в [3] и при измерениях выглядит как сигнал низкой

частоты.

Это такая особенность этой микросхемы или типичная проблема для сигма-дельта? На сайте TI я не нашёл пояснений.

В прошлом веке имел дело с этим АЦП.

Все сложности у него внутри, а снаружи всё просто: задать нужные режимы, провести цикл калибровки - и дальше всё делается само, только успевай данные забирать.

Насчёт НЧ шума при некоторых уровнях входного напряжения (лично наблюдал такое, вообще говоря этих уровней может быть несколько и они индивидуальны для каждого экземпляра микросхемы и зависят от питания, температуры, и пр.) - да, есть такая весьма неприятная особенность. Как я понял из их (тогда ещё BurrBrown) application notes это свойство не какой-то конкретной микросхемы а именно дельта-сигма как принципа их работы. Говорят они об этом как-то нехотя и весьма туманно, типа не виноватые мы, - это закон природы такой, его не обманешь. Дескать ВЧ шумы в окрестности частоты входного сэмплирования переносятся в окрестность нуля и всё тут. Рекомендуют подавать входной клок с минимальным джиттером и желательно синусоидальный, делать минимальную длину проводников для входного сигнала и давить ВЧ наводки на входные ноги.

Сильно сомневаюсь что предложеный в статье метод есть радикальное решение проблемы - просто этот шум (он называтся по-ихнему Idle Tone ) будет возникать при других уровнях входного напряжения. А вот половина возможного диапазона входного сигнала и, соответственно, один бит эффективной разрядности теряется.

К счастью Idle tone хорошо виден только при низкой, единицы герц, частоте выдачи отсчётов, при более высоких скоростях (50..100 и выше сэмплов в секунду) он или не возникает или теряется в прочем шуме АЦП.

По слухам есть какие-то методы борьбы с ним, при этом происходит "размазывание" этого типа шума по диапазону входных сигналов, а максимальная амплитуда, соответсвенно, уменьшается, но деталей не знаю, врать не буду.

[MarkOne 0]

... Как я понял из их (тогда ещё BurrBrown) application notes это свойство не какой-то конкретной микросхемы а именно дельта-сигма как принципа их работы. Говорят они об этом как-то нехотя и весьма туманно, типа не виноватые мы, - это закон природы такой, его не обманешь. Дескать ВЧ шумы в окрестности частоты входного сэмплирования переносятся в окрестность нуля и всё тут.

...

К счастью Idle tone хорошо виден только при низкой, единицы герц, частоте выдачи отсчётов, при более высоких скоростях (50..100 и выше сэмплов в секунду) он или не возникает или теряется в прочем шуме АЦП.

По слухам есть какие-то методы борьбы с ним, при этом происходит "размазывание" этого типа шума по диапазону входных сигналов, а максимальная амплитуда, соответсвенно, уменьшается, но деталей не знаю, врать не буду.

 

да нет, это не слухи, а одно из классических свойств таких АЦП - (снижение уровня шума в рабочей полосе АЦП при увеличении частоты сэмплирования сверх критерия Найквиста-Котельникова, т.н. "оверсэмплинга", за счет размывания частотного спектра выходного синала)....

это свойство математически описано в терии АЦП и широко используется в схемотехнике, например при построении цифровых систем обработки аудиосигналов и т.д. ...

[DS 0]

Вы, господа, по моему чего-то путаете. Пока скорость изменения входного сигнала такова, что он не может измениться более чем на 1 квант АЦП за время между семплами, АЦП работает вполне по Котельникову. Если это условие не выполняется, АЦп перестает работать. У ADS, насколько я понимаю, есть проблемы с реализацией фильтра, возможно что-то слишком упростили. Ничто другое, кроме дефектов фильтра, не может вызвать в таком АЦП кодо - зависимый шум.

[SSerge 4]

да нет, это не слухи, а одно из классических свойств таких АЦП - (снижение уровня шума в рабочей полосе АЦП при увеличении частоты сэмплирования сверх критерия Найквиста-Котельникова, т.н. "оверсэмплинга", за счет размывания частотного спектра выходного синала)....

это свойство математически описано в терии АЦП и широко используется в схемотехнике, например при построении цифровых систем обработки аудиосигналов и т.д. ...

Тут всё гораздо интереснее - речь не про спектр, т.е. зависимость чего-то от частоты, а про "интересное" поведение дельта-сигма модулятора при определённых уровнях сигнала на входе АЦП.

Вот, для примера, график из даташита на стр.7 "RMS NOISE vs INPUT VOLTAGE LEVEL" - на фоне более-менее равномерного шума чётко просматриваются 5 палок при входном напряжении +-1.5В, +-0.75В и 0В. Это и есть Idle Tone, чтоб ему провалиться.

 

Причём график нарисован при частоте выдачи отсчётов 60Гц. Если установить 6 или 10 Гц то картина получается совсем уж неприличная - прочий шум становится совсем маленьким - на уровне обещаных эффективных 23 бит, а палки от Idle Tone на его фоне торчат ну просто вызывающе.

 

Причём этот Idle Tone появляется только при постоянном или ну уж очень медленном изменении входного напряжения и не сразу, а как было у нас - примерно через 1-2 секунды становится заметным, амплитуда постепенно нарастает и через 5..10 секунд устаканивается на уровне 10..20..40 дискретов.

 

По форме сигнал похож на -(sin(x))^2, период порядка 1..1,5 секунды.

Такая фигня с амплитудой 24 дискрета соответствует примерно 4 дискрета RMS, а это уже, извините, не 23, а только 22 эффективных разряда. За что, спрашивается, боролись? :)

 

Стоит чуть-чуть изменить входное напряжение или подмешать к входному сигналу переменный с частотой от долей герца и амплитудой в несколько дискрет - и всё! - никакого Idle Tone как не бывало! У нас снова замечательный, с 23 эфф. разрядами АЦП.

 

Кстати, в прежних редакциях даташита про Idle Tone упоминалось, правда так, как бы мимоходом, а сейчас скачал - посмотрел ни слова, может уже устранили?

[DS 0]

Это похоже на дефекты КИХ фильтра (переполнение, неправильное округление). То ли упростили слишком сильно, то ли просто ошиблись. Дефект специфичен, видимо только для данной микросхемы. Но это уж никак не свойство дельта-сигма АЦП вообще.

[SSerge 4]

Это похоже на дефекты КИХ фильтра (переполнение, неправильное округление). То ли упростили слишком сильно, то ли просто ошиблись. Дефект специфичен, видимо только для данной микросхемы. Но это уж никак не свойство дельта-сигма АЦП вообще.

Вот, сейчас поиском по словам idle tone нашёл на www.ti.com докУмент:

How_to_get_23_bits_of_effective_resolution_from_your_24-bit_converter

Там среди прочего и этот эффект обсуждается.

[Herz 5]

2 SSerge

Спасибо за информацию. Я хотел бы освоить эту микросхему, буду обращаться к Вам за советами.

 

2 DS_

Кстати, Herz, у Вас нет доступа к серийному Lock-inу типа Stanford Researchа ? Можно было бы все за несколько дней проверить без сборки схемы.

Свободного нет, к сожалению. :) А что и как Вы предлагаете проверить?

[DS 0]

2 SSerge

Спасибо за информацию. Я хотел бы освоить эту микросхему, буду обращаться к Вам за советами.

 

2 DS_

Кстати, Herz, у Вас нет доступа к серийному Lock-inу типа Stanford Researchа ? Можно было бы все за несколько дней проверить без сборки схемы.

Свободного нет, к сожалению. :) А что и как Вы предлагаете проверить?

 

Так можно было бы собрать только ТИ усилитель, все остальное можно проверить, вертя ручки на lock-inе. И, соотвественно, выбрать наиболее подходящую методику детектирования. Сэкономило бы кучу времени.

[Herz 5]

Применять time-gating имеет смысл, если в момент импульса сигнал/фон >>1, а у Herz - 10е-3.

Готов доказать, что Вы абсолютно не правы, и способ, предложенный мной, является близким к наилучшему из возможных в обоих случаях.

Пожалуй, вставлю и свои 5 копеек...

Мне тоже показалась несколько избыточной схема, предложенная Вами. Она, ИМХО, являет собой классический пример "лобового" решения проблемы (впрочем, я не собираюсь дискредитировать безусловно такой подход). Например, излишним мне представляется построение идентичного канала для выделения и измерения помехи (то бишь, наводки и засветки). Во-первых, она (помеха) достаточно мощная и, безусловно, не требует даже и близко такого же усиления, как основной сигнал. Во-вторых, если модулировать лазер частотой около 20 кГц (кстати, совсем не обязательно меандром), для отделения НЧ-помехи от сигнала достаточно примитивного ФНЧ, СД же, по-моему, ни к чему. В-третьих, для измерения её уровня предлагается, как я понял, аналогичный дельта-сигма АЦП (или второй канал оного). Это не выглядит оправданным, учитывая то, что ЦФ АЦП наиболее эффективно подавляет именно частоты, являющиеся для данной помехи основными гармониками: 50Гц, 100Гц... Если же частота среза ФНЧ предполагается много ниже этих частот (что само по себе весьма громоздко), то и время измерений станет, наверное, оочень большим... Возможно, такое постороение системы оправдано при использовании быстродействующих АЦП, чтобы оцифровать каждый импульс и восстановить форму помехи...

И, наконец, в-четвёртых: сам сигнал (составляющий всего лишь 0,1% от уровня помехи и это в лучшем случае!) так и не будет усилен достаточно общим для обоих каналов усилителем. Вы, правда, на это уже заметили:

Верно, но ведь мы говорим о сигма-дельта, не так ли? 24 бита уже лет 15 как не проблема...

Только, если имеется в виду, что АЦП такой разрядности лет 15 существует на рынке, то да. Но получить достоверные данные с такой разрядностью - это и по сей день проблема немаленькая. Тем более, обратите внимание: значащими при таком способе измерений будут именно младшие разряды, а это есть совсем не хорошо, думаю, Вы понимаете, почему...

Поэтому пока остаюсь убеждённым в том, что "вычитание засветки" необходимо делать до основного усиления. В этом смысле структура, предложенная уважаемым DS_, нравится мне больше. Хоть и не лишена определённых недостатков, это ясно.

Кстати, почему нельзя использовать УВХ для этих целей, мне так и не понятно. Я бы, всё-таки, попробовал.

[DS 0]

УВХ с точностью лучше 2е-4 - уже экзотика, а после фильтра смысл УВХ потеряется. Да и дороги они. Вы попробуйте рассмотреть проблему, порисовав спектры сигнала. Т.е. нарисуйте спектр помехи, шум ТИ, пики от частоты модуляции и ее гармоник. Ну и просто карандашиком можно начертить поверх, что хотелось бы от пропускания схемы - будет наглядно.

 

Да, любой синхронный детектор с ключом - это в некоторой степени сильно упрощенный аналог УВХ, без схем компенсации помехи от ключа и схемы быстрого заряда накопительного конденсатора. И наоборот - УВХ можно считать синхронным детектором без усреднения выходного сигнала.

 

Еще хочу отметить, что насчет 24 разрядов Herz абсолютно прав. У очень хороших ОУ НЧ шум порядка 1.5 мкв. Если от него потребуется усиление, шум пропорционально вырастет. Так что в схеме, в которой входы АЦП не подключены непосредственно к датчикам, получение точности в 20 разрядов и больше , представляет собой очень непростую задачу.

[Herz 5]

Да, любой синхронный детектор с ключом - это в некоторой степени сильно упрощенный аналог УВХ, без схем компенсации помехи от ключа и схемы быстрого заряда накопительного конденсатора. И наоборот - УВХ можно считать синхронным детектором без усреднения выходного сигнала.

Да, вот именно! Почему же УВХ должны быть заведомо хуже СД? И тот и другой самому ещё правильно сделать уметь надо :) Мне кажется, ОРА615 не так уж плох, точнее, его первая часть. И их есть у меня. :) Впрочем, я не о железе. В конце концов, из того же железа, как Вы правильно заметили, они и будут состоять. Но, принципиально, в УВХ хотя бы не будет ошибки, присущей интегратору и связанной с несимметричностью периодов.

[Stanislav 0]

Вы, господа, по моему чего-то путаете. Пока скорость изменения входного сигнала такова, что он не может измениться более чем на 1 квант АЦП за время между семплами, АЦП работает вполне по Котельникову. Если это условие не выполняется, АЦп перестает работать. У ADS, насколько я понимаю, есть проблемы с реализацией фильтра, возможно что-то слишком упростили. Ничто другое, кроме дефектов фильтра, не может вызвать в таком АЦП кодо - зависимый шум.

Это похоже на дефекты КИХ фильтра (переполнение, неправильное округление). То ли упростили слишком сильно, то ли просто ошиблись. Дефект специфичен, видимо только для данной микросхемы. Но это уж никак не свойство дельта-сигма АЦП вообще.

Причина появления Idle Tones, если не изменяет склероз, - модуляция опорного источника внутри кристалла, так что ссылки на "законы природы" - от лукавого. Это эффект, однако, присущ в той или иной степени всем известным мне сигма-дельта АЦП.

Самый простой метод борьбы с помехами этого вида - подача на вход небольшого постоянного напряжения, заведомо большего всех внутренних смещений АЦП, тогда продукты нелинейного преобразования в его модуляторе удаётся "вытеснить" во внеполосную область спектра. Где они будут подавлены шифровым фильтром НЧ. Механизм явления описывать довольно долго, но можно посмотреть в Analog Dialogue примерно 10-летней давности, там была очень толковая и понятная статья по этому вопросу.

[DS 0]

Такое объяснение очень похоже на правду. Модуляция небось происходит от переключения фильтра, поэтому и кодозависима. В новых ADшных АЦП я пока на такое не нарывался (тьфу-тьфу).

[Stanislav 0]

Применять time-gating имеет смысл, если в момент импульса сигнал/фон >>1, а у Herz - 10е-3.

Готов доказать, что Вы абсолютно не правы, и способ, предложенный мной, является близким к наилучшему из возможных в обоих случаях.

Пожалуй, вставлю и свои 5 копеек...

Мне тоже показалась несколько избыточной схема, предложенная Вами. Она, ИМХО, являет собой классический пример "лобового" решения проблемы (впрочем, я не собираюсь дискредитировать безусловно такой подход).

Мой опыт говорит, что решение задачи "в лоб", то есть, в прямом соответствии с её постановкой, оказывается в подавляющем большинстве случаев наиболее приемлемым из всех возможных.

...Например, излишним мне представляется построение идентичного канала для выделения и измерения помехи (то бишь, наводки и засветки). Во-первых, она (помеха) достаточно мощная и, безусловно, не требует даже и близко такого же усиления, как основной сигнал. Во-вторых, если модулировать лазер частотой около 20 кГц (кстати, совсем не обязательно меандром), для отделения НЧ-помехи от сигнала достаточно примитивного ФНЧ, СД же, по-моему, ни к чему.

Простите, но я уже перестал что-либо понимать...

По-моему, Вы собирались использовать именно меандр, или я что-то упустил?

НЧ компоненты мешающего сигнала могут быть подавлены с помощью ФВЧ, или компенсатора засветки, аналогичного ФВЧ. Однако, спектр помехи простирается довольно далеко из-за нелинейного характера процессов, происходящих в ЛДС. Например, рассмотрите спектр функции |sin(x)|. В реальных лампах он может быть ещё "хуже".

...В-третьих, для измерения её уровня предлагается, как я понял, аналогичный дельта-сигма АЦП (или второй канал оного). Это не выглядит оправданным, учитывая то, что ЦФ АЦП наиболее эффективно подавляет именно частоты, являющиеся для данной помехи основными гармониками: 50Гц, 100Гц... Если же частота среза ФНЧ предполагается много ниже этих частот (что само по себе весьма громоздко), то и время измерений станет, наверное, оочень большим... Возможно, такое постороение системы оправдано при использовании быстродействующих АЦП, чтобы оцифровать каждый импульс и восстановить форму помехи...

Непонятно... Нужно рисовать блок-схему.

...И, наконец, в-четвёртых: сам сигнал (составляющий всего лишь 0,1% от уровня помехи и это в лучшем случае!) так и не будет усилен достаточно общим для обоих каналов усилителем. Вы, правда, на это уже заметили:

Верно, но ведь мы говорим о сигма-дельта, не так ли? 24 бита уже лет 15 как не проблема...

Только, если имеется в виду, что АЦП такой разрядности лет 15 существует на рынке, то да. Но получить достоверные данные с такой разрядностью - это и по сей день проблема немаленькая. Тем более, обратите внимание: значащими при таком способе измерений будут именно младшие разряды, а это есть совсем не хорошо, думаю, Вы понимаете, почему...

Нет, не понимаю. Поясните мысль, пожалуйста. Кроме того, могу показать, как получить хорошие характеристики и с меньшим числом разрядов (напр., 16). "Недостающую" точность при этом можно "вытянуть" путём усреднения данных в МК.

Поэтому пока остаюсь убеждённым в том, что "вычитание засветки" необходимо делать до основного усиления. В этом смысле структура, предложенная уважаемым DS_, нравится мне больше. Хоть и не лишена определённых недостатков, это ясно.

Простите, но на каких соображениях держится Ваша убеждённость? Лично я уверен в прямо противоположном.

Рассмотрите реальный случай: скважность равна 2,01, отношение Ку+ к Ку- равно -1,01. Пусть помеха после предварительного подавления на входе СД равна сигналу...

Кстати, почему нельзя использовать УВХ для этих целей, мне так и не понятно. Я бы, всё-таки, попробовал.

Функция выборки идеального УВХ - суть дельта-функция, а предлагаемого СД - прямоугольник. В первом случае, выборка будет не согласованной со входным сигналом, во втором её можно сделать согласованной, то есть, получить на выходе отношение С/П, близкое к теоретически предельному.

 

...Вы попробуйте рассмотреть проблему, порисовав спектры сигнала. Т.е. нарисуйте спектр помехи, шум ТИ, пики от частоты модуляции и ее гармоник. Ну и просто карандашиком можно начертить поверх, что хотелось бы от пропускания схемы - будет наглядно...

Вот именно! С построения моделей сигнала и помехи, по-моему, и надо начинать...

Тогда станет совершенно ясно, что предложение сделать частоту зондирующего сигнала кратной частоте помехи (точнее, её периодической части), не выдерживает никакой критики.

[Stanislav 0]

Такое объяснение очень похоже на правду. Модуляция небось происходит от переключения фильтра, поэтому и кодозависима...

Нет, скорее, выходного компаратора в с-д модуляторе.

В современных АЦП намеренно вносят смещение перед модулятором (есть и иные трюки), поэтому Idle Tones можно обнаружить при нулевом напряжении на входе только вне основной полосы пропускания фильтра. При подаче на вход медленно меняющегося сигнала, однако, они могут проявиться, что исказит результат измерения.

 

Простите, а нельзя ли прокомментировать вот это:

...Пока скорость изменения входного сигнала такова, что он не может измениться более чем на 1 квант АЦП за время между семплами, АЦП работает вполне по Котельникову. Если это условие не выполняется, АЦп перестает работать...

?

По-моему, Вы глубоко заблуждаетесь, и с Котельниковым дела обстоят вовсе не так.