[iiv 18]

Добрый день,

 

имеется у меня 6 аналоговых сигналов от 0 до 3.3В, в которых где-то на 2-3МГц у меня полезный сигнал. Причем для любой пары таких сигналов мне особенно важно измерить именно дифференциальную составляющую, которая, к сожалению, обычно не выше милливольта, а часто, и того меньше.

 

То есть если оцифровывать каждый сигнал по отдельности (как я сейчас и делаю), то я теряю до 8 бит. Более того, в исходном сигнале присутствуют обычно еще высокочастотные составляющие (20-30МГц), и они существенно (в десятки раз) ярче основного сигнала, но они все совершенно одинаковы у всех входных 6-ти сигналов и меня не интересуют.

 

Я готов поставить кучу оцифровщиков и все синхронизировать друг с другом, на примете lm98714, два таких я сейчас использую для оцифровки всех входных каналов, но, приходится исходный сигнал делителем до 1.2В понижать.

 

Я хотел поставить на все комбинации пар (для 6 сигналов это будет 15 комбинаций) дифференциальный усилитель на операционном усилителе и 4 резисторах, с расчетом, что я буду еще и усиливать дифференциальную составляющую исходных сигналов в 5-10 раз. То есть у меня будет 15 операционных усилителей перед 15 каналами оцифровки (5 штук lm98714).

 

В качестве разумного кандидата на операционный усилитель я рассматриваю mic920.

 

Альтернативно, на каждую пару задумываюсь поставить инструментальный усилитель на трех таких же операционных усилителях, то есть тогда у меня будет уже 45 операционных усилителей перед теми же 15 каналами оцифровки (5 штук lm98714).

 

Еще как вариант на входе с каждого сигнала поставить по 5 повторителей впараллель и от них уже ставить дифференциальные усилители.

 

Меня волнует тот факт, что каждый из 6-ти исходных сигналов будет подаваться на вход 5 конструкциям (дифференциальный или инструментальный усилители) и, возможно, они как-то будут друг на друга влиять.

 

Если нельзя так делать от слова совсем, то буду аналоговыми переключателями выбирать по три различные пары, их усиливать, и результаты подавать на вход оцифровщика, благо сигнал можно повторить, но, такой вариант существенно замедляет время съема, так как исходные сигналы надо повторить 5 раз во времени, чтобы перебрать все комбинации пар сигналов.

 

Скажите, пожалуйста, как правильно соорудить такой фронт-енд, чтобы не испортить исходные сигналы и по максимуму точно и быстро их оцифровать?

 

Спасибо!

 

ИИВ

[Plain 170]

Вы уверены, что синфазное абсолютно одинаковое?

[iiv 18]

2 hours ago, Plain said:

Вы уверены, что синфазное абсолютно одинаковое?

Спасибо большое за ответ!

Да, похоже, что это уже измеряемый факт:

 

У меня есть стенд, на котором один сигнал подсоединен напрямую через делитель в 4 раза, и две пары сигналов - через дифференциальный усилитель на MIC920 с 4х кратным усилением и все это на одну lm98714 и в ней на эти каналы включено усиление в 7 раз. (Вернее я делитель ставлю в 28 раз, а внутренний усилитель в 7 раз на каждом канале, так как по-другому не понял как сделать).

На сигнале, что напрямую, я вижу сигналы от 0.5 до 2.7В, на дифференциальных сигналах в те моменты, когда мне надо, это синфазное получается около 2-3 милливольт, и, по физике оно именно такое, какое я ожидаю. Я знаю, что есть где-то 10% времени в сигнале, где сами сигналы сильно отличаются друг от друга, но в этот момент мне достаточно измерять сами сигналы по отдельности, но в остальное время мне не хватает точности прямой оцифровки. При дифференциальном измерении я могу включить предусиление сигнала в 7 раз внутри lm98714 и предусилить в 4-10 раз, и, по сравнению с делением сигнала в 4 раза имею примерно 8 бит по точности, что очень не хотелось бы потерять.

[_pv 53]

полоса у полезного сигнала - полностью весь 1МГц от 2 до 3?

нынче АЦП научились делать, 20+ разрядные SAR под 110дБ на пару МГц.

ad4030 c 20 lsb шумов (fig.14 даташита) от +-5В = 10В диапазона это 12мкВ.

mic920 c 12nV/rtHz (и это только сам усилитель, у "инструментального", из этих усилителей собранного, если все шумы собрать ещё раза в два больше получится) в полосе 3МГц - > 20мкВ rms шумов.

то есть АЦП без предусилителя шумит собственно меньше чем mic920.

если получится хорошо отфильтровать остальное снаружи от 2-3МГц, то ацп на 2МГц undersamplingом эти 2..3МГц сам в 0..1МГц спустит, у него там входная полоса до 75МГц.

а разницу каналов смотреть уже потом в цифре. ну и плюс ещё предусилитель для уменьшения шумов ещё раза в 3 приделать можно.

 

с undersamplingом шумы конечно подрастут, да и что-то неотфильтрованное из соседних зон пролезет, но если сигнал довольно узкополосный, может и получится не особо хуже 15ти инструментальных усилетелей и оцифровки целиком быстрым, но не столь высокоразрядным АЦП в количестве тех же 15 штук, но пожалуй дороже.

[iiv 18]

Спасибо большое, за ответ!

 

5 minutes ago, _pv said:

полоса у полезного сигнала - полностью весь 1МГц от 2 до 3?

я бы сказал бы хуже, сигнал похож на sinc, с несущей, частоту которой я заранее знаю, но вот несущая каждые 10-20 микросекунд выбирается в довольно большом диапазоне, от 1МГц до 3МГц, в недалеком будущем хочется иметь возможность поднять частоту несущей до 5-7МГц.

 

Еще поверх этого сигнала имеется сильная помеха, примерно в 30 раз по частоте выше, то есть если несущая 3МГц, то помеха будет около 100МГц. ad4030 - видел, но, боюсь, может не потянуть такие сигналы.

 

С mic920 - да, пока взял этот, так как самый дешевый и очень распространенный корпус. По хорошему, надо заменять на что-то лучше.

10 minutes ago, _pv said:

а разницу каналов смотреть уже потом в цифре.

вот как раз это делал до этого и сейчас хочу от этого отойти. Сигналы получаются очень-очень похожи, так как исходный сигнал может иметь уровень близкий к 3.3В, то приходится его делить, а полезная информация лежит в милливольтах, то есть хоть я и получаю 16 бит у сигнала, но полезных у меня только 3-4 бита получается всего-то. Хочется их как-то аналогово вытащить.

 

То есть на все 6 сигналов мне надо знать один сигнал или сумму на всем диапазоне до 3.3В, и дифференциальную составляющую сигнала к этой сумме. Я готов численно преобразовывать все, благо плиску GW1N освоил, но хочу аналоговым фронтэндом максимально сильно помочь.

 

Про андерсемплинг - да, можно, но тут как раз хочется иметь больше точек на период, так как частота плывет и сложно подстроиться, поэтому тендирую оцифровывать на хотя бы 10МГц и больше.

 

Скажите, пожалуйста, а если все-таки только по повторителю на каждый канал поставить и потом дифференциальным, а не инструментальным усилителем? Или есть какие-то аналоговые разветвители сигналов?

 

Спасибо!

 

ИИВ

[Plain 170]

В 03.06.2022 в 13:53, iiv сказал:

В 03.06.2022 в 10:57, Plain сказал:

Вы уверены, что синфазное абсолютно одинаковое?

это уже измеряемый факт

Тогда хватит 5-ти диффвходов, зачем 15?

 

 

[iiv 18]

1 minute ago, Plain said:

Тогда хватит 5-ти диффвходов, зачем 15?

если бы шума не было бы, то да, но есть свойство сигнала, некоторые пары от эксперимента к эксперименту сильнее-слабее отличаются. Я хотел, имея все 15 диффвходов построить с данных подпространство (сингулярным разложением, например) и вытащить первые 5 самых ярких компонент, вот они-то мне как-раз и покажут то, что надо по моей физике. Если делать только на 5-х парах, подпространство будет сильно замешиваться с шумом, я эти данные много раз получал в похожих экспериментах на другом железе и, ожидаю, что тут будет также. Альтернатива - делать 5 дифф-входов и объединять данные с одного эксперимента к другому, а на это у меня внутренней памяти плиски GW1N-9 не хватит, а на вторую серию Говинов я не факт, что решусь, тем более, что оно там все последнее время совсем не доставаемо. Выносить битстрим на процессор не хотелось бы, там трафик будет 400МБит/с и у меня 3 таких блока, и там такое шаманство будет, если необработанные данные тащить на процессор (это тоже можно сделать, но очень не хочется этим заниматься).

 

Но даже если 5 дифф-входов делать, то каждый входной сигнал будет дважды участвовать в двух разных дифф-парах. Вот тут и возникает мое не понимание как правильно поступить с аналоговым фронтендом, то есть какую топологию для этого выбрать, чтобы пара дифф-пар не мешала бы друг другу.

 

Я имею ввиду следующее, пусть сигналы s1, s2, s3, s4, s5, s6

я строю пары

s1-s2, s2-s3, s3-s4, s4-s5, s5-s6

и сигналы s2, s3, s4, s5 участвуют по два раза.

 

Если в каждой из этих пар шум однонаправлен, то шум для перевычисленной пары s1-s6 будет в 5 раз выше, а если я измерю все пары, то шум можно вытащить, как плохо коррелируемый с основным сигналом.

То есть я хочу таки строить пары

si-sj, где i,j=1,...,6, и таких пар будет 15, и каждый канал будет участвовать по пять раз в формировании таких пар.

[Plain 170]

В 03.06.2022 в 16:34, iiv сказал:

если бы шума не было

Тогда суммирующим 6 сигналов буфером создать виртуальный общий и относительно него 6 ИУ, затем 6 ФЛЧ и 6 АЦП, либо посадить на этот виртуальный общий плавающее питание, от которого запитать 6 ФЛЧ и 6 АЦП, что избавит от подавления ВЧ синфазного.

[iiv 18]

Спасибо большое, Plain, за интересный совет. До ФЛЧ я понял, и так даже хотел когда-то делать.

 

Пожалуйста, скажите, что такое ФЛЧ?

 

Вариант со средним на буфере интересен, но тут снова возникает та же проблема - я упорно не понимаю на что обращать внимание, когда один аналоговый сигнал (виртуальное среднее) можно подать на вход дифф усилителей или инструментальных усилителей. Ведь напряжение может проседать искажая всем измериловкам результаты. 

[Plain 170]

7 часов назад, iiv сказал:

что такое ФЛЧ?

Фильтр ложных частот.

 

7 часов назад, iiv сказал:

напряжение может проседать

Где? Каким образом?

[iiv 18]

Спасибо большое за разъяснение про ФЛЧ.

Я имею ввиду следующее

на выходе буфера ток короткого замыкания около 20мА, а на входе ОУ или ИУ сопротивление около мегаома а может и меньше, если я высокочастотный ИУ пользую. То есть при 16 битной оцифровке для 1.2В два ИУ с 3.6МОм входного уже будут друг другу мешать? Скажите, пожалуйста, я в таких оценках прав и, если да, скажите, пожалуйста, как с этим бороться? 

[Plain 170]

Ток КЗ ОУ указывается как порог, после которого схема перестаёт работать правильно, и я перечитал исходное — 100 МГц синфазного никакой ИУ не задавит, поэтому, как альтернатива сажать плавающие АЦП на виртуальный общий,— 6 суммирующих усилителей, т.е. каждый суммирует 1:1 сигнал и инверсный виртуальный общий.

[sysel 0]

On 6/3/2022 at 9:22 AM, iiv said:

Более того, в исходном сигнале присутствуют обычно еще высокочастотные составляющие (20-30МГц), и они существенно (в десятки раз) ярче основного сигнала, но они все совершенно одинаковы у всех входных 6-ти сигналов и меня не интересуют.

Доброе утро.

Ещё Вы не написали требуется ли принимать сигнал со всех проводов одновременно (требуется много АЦПшек) или же можно мультиплексировать нужную Вам пару на вход единственной АЦПшки перед измерением.

Буду исходить из того, что надо всё делать одновременно.

Пусть есть сигналы X1, X2, X3, X4, X5, X6 с уровнями 0 - 3.3В относительно некоторой земли и большая синфазная помеха, которая действует на всех линиях одновременно относительно земли.

Делаем 5 диф. усилителей (и на них же фильтр нижних частот) сигналов, выходы которых оцифровываем 5-ю АЦПшками (ну или одной пятиканальной).

y0 = X2 - X1;  y1 = X3 - X1;  y2 = X4 - X1;  y3 = X5 - X1;  y4 = X6 - X1; 

Дальше есть возможность любые требуемые разницы получать в цифре:

Пусть нам надо, например сигнал Z = X6 - X3. Получаем его как Z = y4 - y1 = (X6 - X1) - (X3 - X1) = X6 - X1 - X3 + X1 = X6 - X3.

[iiv 18]

Спасибо большое, Plain и sysel за советы!

On 6/5/2022 at 9:51 AM, Plain said:

 я перечитал исходное — 100 МГц синфазного никакой ИУ не задавит

я кажется не понятно сформулировал входные данные о сигналах.

Сигналов 6, все содержат что-то похожее на sin(x)/x  с различными сдвигами фаз и амплитуд причем я знаю частоту более-менее точно, но от эксперимента к эксперименту она отличается и находится в диапазоне около 2-3МГц (в дальнейшем будет 1.5МГц - 7МГц). Эти сигналы очень похожи на разных каналах, но имеется отличие в амплитуде, фазе, и иногда в частоте, так, что если один сигнал вычесть из другого будет или тот же самый sin(x)/x на той же частоте, или эта частота пропадет и останется что-то в диапазоне до 1 КГц, то есть при семплировании 15МС/с и около 1-2К точек на семплировании можно считать, что там будет практически константа.

Разность сигналов имеет среднюю квадратичную норму примерно на 3 порядка меньше, чем сам сигнал.

Поверх этого всего имеется совсем некоррелированная помеха на примерно 100МГц, по интенсивности даже слегка большая, чем сам сигнал, но находящаяся на частоте около 100МГц. Я ее подавляю сейчас LC фильтром нижних частот, но не уверен, что не порчу полностью сигнал, поэтому хочу от него отказаться.

Пока максимально меня смущает только тот факт, что любая пара сигналов дает разность слегка отличную от константы, то есть если подать эти сигналы на несколько пар с дифф-усилителем, может возникнуть обратная связь между этими дифф-усилителями или сумматорами, которая приведет к тому, что сигналы встанут как вкопанные и я не смогу получить ту разницу, которую хочу. Вот как и на основе чего это можно оценить - я не понимаю, и поэтому и вопрошаю.

11 hours ago, sysel said:

Пусть нам надо, например сигнал Z = X6 - X3. Получаем его как Z = y4 - y1 = (X6 - X1) - (X3 - X1) = X6 - X1 - X3 + X1 = X6 - X3.

спасибо большое за совет! Но этот метод хорош только в точной математике, на практике такой метод будет добавлять ошибку, да и мне смысла нет из 5-ти пар получать 15, они после применения сингулярного разложения дадут точно 5 ненулевых сингулярных векторов, и все остальные 10 будут тождественно равны нулю. Я как раз хотел собрать за один раз побольше значений дифференциальных пар, чтобы потом методами вычислительной математики вытащить из них максимально точный сигнал - ведь в этих 15 парах у меня в точной математике и физике ранг матрицы данных (15 сигналов столбцов) должен быть тождественно не больше 5, а вытащив эти 5 сигналов с помощью сингулярного разложения я смогу существенно повысить точность измерения.

[тау 29]

1 час назад, iiv сказал:

Разность сигналов имеет среднюю квадратичную норму примерно на 3 порядка меньше, чем сам сигнал.

вот это условие очень неприятное.  Я бы подумал о балунах с синфазным дросселем в дополнение , для преобразования дифф сигналов в одиночный.  Коммутатор какой-то от датчиков к дросселям и балунам,  последовательную оцифровку 5 раз по 3 пары с накоплением, если сигнал не меняется от раза к разу. Перед каждым АЦП фильтр+усилитель+фильтр. Но это не точно, как принято сейчас добавлять.