Добрый день, форумчане!

Посоветуйте, пожалуйста, какой лучше использовать подход для решения следующей задачи:
необходимо измерять изменение амплитудного значения переменного синусоидального сигнала, амплитуда около 10 В (размах 20 В), изменения амплитуды около 100 мВ (это изменение и необходимо измерять), необходимая разрешающая способность 0,3 мВ, частота сигнала 3 кГц, могут быть высокочастотные шумы, выходное сопротивление источника сигнала 500 Ом. Питание схемы однополярное 3-5 В.
Посоветуйте, ставить делитель на входе или пробовать сдвинуть сигнал и, тем самым, не потерять в чувствительности?
Первоначально предполагал сделать так: делитель (резистивный), дифференциальный усилитель (или инструментальный усилитель для преобразования дифференциального сигнала в сигнал с общей землей), ФНЧ, повторитель на ОУ (для согласования уровней), АЦП. Цифровать ли сигнал полностью (накладывается ограничение на скорость АЦП) и определять максимум, или организовать пиковый детектор на аналоговой схемотехнике и цифровать постоянный уровень? Какому из подходов отдать предпочтение? Может есть еще варианты? Раньше мне не приходилось фиксировать небольшие изменения на фоне больших сигналов, поэтому опыта нет. Прошу помощи.
Заранее благодарю за ответы.

- Если цифровать влоб, понадобятся чистые 16 бит по шуму (что - то около 98дБ) и соответствующая линейность.
Решение такой задачи может оказаться очень болезненным даже для 3 КГц.

- В пиковый детектор с такой линейностью как-то тоже не очень верится.

- Я бы попробовал что-то типа активного выпрямителя, совмещённого с усилителем и смещением. Сигнал предварительно пофильтровать. А дальше можно ставить простенький самплирующий АЦП. Сгодится и встроенный в микроконтроллер, из тех, что поприличней.

Нормальные герои всегда идут в обход. В лоб (брать и оцифровывать и обрабатывать) действительно трудновато, но по богатому ботанскому прошлому помню, что если не можешь померять изменение- меряй производную.
Поширше задачу можно описать? Эти изменения чем-то вызваны? Что это за воздействия, что вызывают эти изменения? Можем мы их "кто нам мешает тот нам поможет"?
Ну например, если мне нужно изучить влияние (очень слабое) света на модуль Юнга, то я не буду мерять модуль Юнга со светом и без света и потом вычитать их. Я буду светить на образец с частотой (все дальнейшие цифры условны) 10 кГц и регистрировать модуль Юнга (точнее конечно сигнал, который потом пересчитаю в модуль Юнга) либо на частоте 10 кГц селективным вольтметром, либо (что несомненно лучше) синхронным детектором на той же частоте 10 кГц и получу нормальный сигнал/шум даже для изменения -60-80 дБ относительно "невозмущенного" модуля Юнга. А померяв на частоте 20 кГц, я зарегистрирую производную модуля Юнга по освещенности, которую при обычном подходе я бы хрен (даже с 24 разрядным ацп) увидел.

Этот подход вполне правильный и я его всецело поддерживаю. Но вопрос - получится ли у ТС им воспользоваться. Здесь есть еще отягчающее обстоятельство с переменным напряжением выпрямлять или ловить максимум с хорошей линейностью накладно. Сейчас есть хорошие дельта-сигма АЦП, 24-разрядные, которые позволяют спокойно измерять все напрямую, 3 кГц - не проблема, оцифровку можно поставить килогерц на 30-50, все прекрасно получится. И входной каскад можно делать достаточно простой, чтобы не наловить шума дополнительного. Нужен только сдвиг уровня, делитель и переход к парафазному сигналу.

А как быть с тем, что амплитуда входного сигнала больше напряжения питания схемы? Это не помешает?

cловить дельту -80 дБ на 10 точках на период - имхо иллюзорно.
Для измерения с хорошей линейностью напряжения 3 кГц есть готовые приборы, тут и голову ломать не надо. Собственно я их и указал - либо селективный вольтметр, либо синхронный детектор, и те и те дают линейность десятые доля % на шкалу, а шкала ведь - не 20 В, а порядка нужного нам (не,не нам, а ТС) изменения.

Думаю, описанная задача измерения модуля Юнга отличается от моей. Изменения амплитуды сигнала вызваны различными объектами, помещенными в первичный преобразователь (пока не буду писать какой). От разных объектов сигналы отличаются по амплитуде (об изменениях я писал ранее). Единственное, что объединяет объекты - то, что изменения амплитуды сигналов находятся в определенном неизменном диапазоне. Поэтому пока не знаю что мешает и что может помочь.


А последовательность именно такая или делитель, сдвиг уровня и т.д.? Я правильно понимаю, что для сдвига уровня в моем случае нужен источник питания на напряжение вольт 12 ?

А причем тут "на период", вопрос на каком интервале вообще их нужно измерять? Если изменения амплитуды идут каждый период - тогда есть большая проблема, я бы сказал, почти не решаемая. А есл изменения медленные - то сколько точек у нас на период - дело десятое.

артефакты оцифровки- дело не десятое.


вроде спинового детектора? А что не написать какой, если это поможет?


а всовывать и высовывать или сделать "первичный преобразователь" вибрирующим и ловить сигнал на частоте вибрации и двойной частоте вибрации? Магнитометры бывают такого типа - не образец вибрирует (как заставить вибрировать Землю), а головка магнитометра, и ловят сигнал на частоте вибрации. Или как в видеомагнитофоне- лента едва движется, а головка движется относительно ленты со скоростью порядка метра в секунду.

Вибрационные магнитометры - штука сложная, дорогая и стационарная. Селективный вольтметр и синхронный детектор (Lock-in amplifier) - тоже удовольствие не из дешевых. А в моем вопросе подразумевалось простое решение для носимой малогабаритной аппаратуры.

Заплатите - Вам сделают.

Решение на суммирующих усилителях и пиковых детекторах:




К отрицательной полуволне добавлена ступенька 100 мВ, чтобы показать привязку усиления.

Прерываться можно по слегка отфильтрованному падению в насыщение ОУ ПД, и тогда же оцифровывать и сбрасывать ПД.

V4 и V5 изображают из себя два подкручивающих соответствующие смещения ЦАП'а, с весами, заданными R2 и R10.

Есть еще вопросы:
- С какой точностью известно значение частоты сигнала 3 кГц?
- Может ли частота сигнала изменяться на интервале измерения?
- И чему равен этот интервал измерения?

Спасибо за вариант схемы. С первого взгляда кажется сложноватой из-за обилия источников. Пока разбираюсь, есть вопросы...
V4 и V5 задают смещения для возможности работы схемы от источника питания 3.3V? Почему это должны быть ЦАПы, а не ИОНы, например?
Ступенька 100 мВ задается V3?
Не могли бы вы привести осциллограммы на инвертирующих входах U1, U4?
А можно оцифровывать постоянно с выходов ПД и выбирать максимумы?
Заранее благодарю за ответ.



- неизвестно
- частота может меняться
- чем меньше, тем лучше (не более 1-2 секунд)

В таком случае, можно сделать так:

ОУ -> АЦП -> S_n² -> ФНЧ -> SQRT().

Где:

ОУ - ADA4941,

АЦП - любой из: AD7989-1/AD7691/AD7982,

функция возведения в квадрат реализована в 32-х битной арифметике на любом МК.

Для сигнала S(t) = A*sin(ω*t+φ) имеем:

[S(t)]² = [A*sin(ω*t+φ)]² = A²*[sin(ω*t+φ)]² = A²*[1 - cos(2*ω*t+2*φ)]/2 = A²/2 - A²*cos(2*ω*t+2*φ)/2.

После фильтрации:

ФНЧ([S(t)]²) = A²/2.

Вычисляя с 16-ти битной точностью квадратный корень SQRT(2*ФНЧ([S(t)]²)), находите амплитуду "A".

PS. И даже можно сделать еще проще:

ОУ -> АЦП -> ABS(S_n) -> ФНЧ -> *pi/2.

PPS. Ну и если в спектре есть сильные помехи, то:

ОУ -> АЦП -> FFT(S_n) -> параболическая_интерполяция -> максимум_параболы.