прецизионное опорное напряжение, помогите выбрать оптимальный вариант Опции

[junoSynthesizer]

господа, обращаюсь за помощью, ибо в аналоговой схемотехнике я ламак =)

задача глобальная, решённая на уровне идеи - измерение частоты колебания напряжения амплитудой примерно 10 мВ частотой от 1kHz до 10kHz с очень большой точностью.

вариант исполнения: усиливаем напряжение малошумящим операционником (думаю взять TL07X) до вольт 3-4, затем подаём на компаратор.

задача - получение прецизионного источника опорного напряжения для компаратора (точность, я так думаю, необходима до десятых долей милливольта), причём само значение напряжения может быть и 2, и 2.5 вольта... неважно, ибо измеряется длительность периода (заполнением счётчика на частоте 8 MHz), и главное чтобы оно не плавало.

так вот, опорное... как его сделать лучше, да ещё и с такой точностью?
я думал за вариант ЦАП + повторитель на операционнике... но что-то много деталей.

посоветуйте что-то, или ткните в хорошую и проверенную схему

[Designer56]

задача глобальная, решённая на уровне идеи - измерение частоты колебания напряжения амплитудой примерно 10 мВ частотой от 1kHz до 10kHz с очень большой точностью.

"С очень большой точностью" - это с какой? вообще, опишите задачу поточнее, или хотя бы то, что вы хотите получить. А вообще само по себе измерение частоты не есть задача трудная- достаточно иметь частотомер с необходимой по условиям точностью измерения и сигнал на его входе достаточного уровня, причем он может быть и зашумленым- за счет увеличения времени измерения частотомера шумы могут быть подавлены.

и главное чтобы оно не плавало.

Это одна из самых главных х-к эталонов, если не главная. Насколько достаточно чтобы "не плавало"?

[Владимир]

А для чего вообще в этом случае компаратору опора.
если колебания - синус то по переходу через "0" работать надо,
а бороться со смещением нуля усилителя- это другая задача

[deemon]

В этом случае никакой сверхточной опоры не надо ! Достаточно подать на один вход компаратора 1/2 от питания , а на другой вход - то же самое через резистор , и сигнал - через конденсатор . Вот и всё . Если компаратор будет неустойчиво себя вести на НЧ сигналах - можно ввести небольшой гистерезис , подав с выхода компаратора на вход + положительную обратную связь . Да , и ещё - нужно предусмотреть ограничитель на диодах , чтобы большие сигналы не перегружали компаратор ........ обычно компараторы и ОУ это не любят .

[junoSynthesizer]

спасибо ответившим. подумал, почитал... родил схему из аттача.

в ней я ловлю переходы через ноль.
входной сигнал (синусоида амплитудой до 10 мВ, снимается с датчика-индуктивности) усиливается в 100 раз, поступает на компаратор, который детектирует переход через ноль. получается, в данном случае, меня не волнует стабильность и скорость срабатывания, потому что дилей будет одинаковым в пределах одного измерения... и я не думаю что ноль операционника успеет хоть сколько то уплыть за время измерения - до десятка миллисекунд...

ах, да, забыл сказать ещё вот что: мерять надо всего 10-15 периодов, с точностью до 0.0426 Hz... для этого я детектирую пересечение нуля, и затем считаю со скоростью 8 MHz.

поправте меня, пожалуйста, если я где-то ошибаюсь...

Эскизы прикрепленных изображений

 

[deemon]

спасибо ответившим. подумал, почитал... родил схему из аттача.

в ней я ловлю переходы через ноль.
входной сигнал (синусоида амплитудой до 10 мВ, снимается с датчика-индуктивности) усиливается в 100 раз, поступает на компаратор, который детектирует переход через ноль. получается, в данном случае, меня не волнует стабильность и скорость срабатывания, потому что дилей будет одинаковым в пределах одного измерения... и я не думаю что ноль операционника успеет хоть сколько то уплыть за время измерения - до десятка миллисекунд...

ах, да, забыл сказать ещё вот что: мерять надо всего 10-15 периодов, с точностью до 0.0426 Hz... для этого я детектирую пересечение нуля, и затем считаю со скоростью 8 MHz.

поправте меня, пожалуйста, если я где-то ошибаюсь...

Всё примерно так и должно быть , только подавать сигнал лучше на вход (-) компаратора , вход же (+) лучше применить для введения гистерезиса ( если понадобится ) . Компараторы иногда бывают неустойчивы при переходе через 0 на низкой частоте , это ещё кстати и от монтажа зависит .... И по постоянке входы компаратора нужно подключить не к 0 , а к +2,5 , так будет лучше . Далее , если полоса входных частот будет от единиц герц - конденсаторы в цепи сигнала нужно применить побольше , например 4,7 мкф , и резисторы после них тоже - скажем , килоом по 50 вместо 10 .

[Scha]

Абсолютно согласен с deemon.
Срабатывание по пересечению 0, не является оптимальным решением.
Лучше использовать порог +2,5В (желательно еще и гистерезис).
Но если Вы хотите использовать переход через 0, то лучше не использовать такое большое усиление.
В связи с тем, что достаточный порог срабатывания компараторов лежит в диапазонане от 60мВ до 100мВ.

[xemul]

10 мВ можно и сразу на компаратор отправлять. Обеспечить смещение нуля в пределах 1 мВ - не сверхзадача, и, так как для измерения периода не требуется точный меандр, этого будет достаточно.
Для упрощения задачи опору компаратору удобно сделать равной постоянному напряжению на выходе предыдущего каскада, если, конечно, оно укладывается в рабочий диапазон по входу компаратора.

[deemon]

Хотя позвольте - на схеме ведь есть питание и +5 и -5 вольт ! Я сразу не заметил -5 , вот тормоз При однополярном питании надо смещать на +2,5 , а если симметричное питание есть , то всё прекрасно будет работать и около нуля , так лучше . И входы поменять , чтобы можно было удобно ввести гистерезис ........ Кстати , гистерезис можно делать не только с помощью резистора , но и с помощью небольшой ёмкости , тогда гистерезис не будет смещать порог компаратора .
И вот ещё мысля - если подавать сигнал не на вход (-) ОУ , а на вход(+) , то есть сделать неинвертирующее включение ОУ , то можно будет поставить на входе большее сопротивление , например 100 ком , а это позволит обойтись меньшей входной ёмкостью .

Сообщение отредактировал deemon - May 2 2007, 09:25

[EvgenyNik]

Смещение нуля компаратора имеет значение только тогда, когда замер ведётся по полупериоду, т.е. счёт открывается по положительному пересечению, а закрывается по отрицательному. Если же открывать счёт импульсов и закрывать по переходу одного знака, то погрешность внесенная смещением компаратора стремиться к нулю.
Честно говоря, не понял - как Вы при таком методе получили точность 0,04 Гц. У меня для частоты 10 кГц на 15 периодах получается 0.83 Гц.

[junoSynthesizer]

Честно говоря, не понял - как Вы при таком методе получили точность 0,04 Гц. У меня для частоты 10 кГц на 15 периодах получается 0.83 Гц.

а расскажите, каким способом меряете Вы?

и, если считаете мой метод недостаточно точным, то какой можете предложить? буду крайне признателен за советы!
просто я посчитал, что скорости счёта 8 МГц (в крайнем случае 16) будет достаточно...
кстати выяснил... всё-таки мои сигналы лежат в области 1-4 кГц. но тем не менее, до 10 хотелось бы иметь запас...

[Designer56]

Все равно, на резудьтат измерения периода будут сильно влиять шумы как самой схемы усиления/формирования импульсов, так и наводки различного вида. А поскольку уровень сигнала- 10 мВ, то можно ожидать достаточно больших погрешностей в реальности. Для подавления этих неприятностей потребуется усреднение по множеству периодов. А вот каково должно быть это множество- будет зависеть от спектра помех. Т.е., если измеряемый период будет модулироваться частотой, например, 50 Гц, то период усреднения может измеряться секундами и более- в зависимости от уровня помех и требуемой точности.

[EvgenyNik]

junoSynthesizer, я не считаю ваш метод неточным, т.к. я даже с ним не знаком. Вы привели только результат.
Давайте, я посчитаю по-своему:
Пусть будет 4.000кГц, т.е. период 250мкс.
Будем считать для 15 периодов, т.е. для интервала 3.750мс.
Интервал дискретизации периода на 8МГц равен на 125нс.
Таким образом, мы получим 30000 отсчетов +/- 1 и это в самом лучшем случае!
29999 отсчетов соотвествуют интервалу 0.003749875с. Возьмём обратную величину и помножим на 15 - получаем 4000.133 Гц.
30001 отсчетов это 0,003750125с, из чего вычислиться частота 3999,866 Гц.
При таком подходе на частоте 4кГц грубо имеем точность 0.15 Гц.
А как Вы получили 0.0426 Hz ?

[SasaTheProgramme...]

Абсолютно согласен с deemon.
Срабатывание по пересечению 0, не является оптимальным решением.
Лучше использовать порог +2,5В (желательно еще и гистерезис).
Но если Вы хотите использовать переход через 0, то лучше не использовать такое большое усиление.
В связи с тем, что достаточный порог срабатывания компараторов лежит в диапазонане от 60мВ до 100мВ.

По поводу точностных расчётов не скажу - у меня сейчас голова не в ту сторону работает :-(. Но "ловля" переходов через ноль обеспечивает работу на максимальной производной сигнала (для синусоподобного, разумеется)Ю т.е. наилучшее подавление помех и шумов. С другой стороны, гистерезис тоже нужен. Это решается следующим образом - ПОС вводится в компаратор через диод. При этом один фронт (рабочий) срабатывает по нулю, а второй... Тут есть подводный камень - уровень срабатывания по второму фронту хорошо-бы выбрать где-то на половине амплитуды сигнала, а она может быть не известна. Но если амплитуда сигнала может менятся в процессе измерения, например, если речь идёт о затухающих колебаниях, то другого пути нет.
Имея две таких разнополярных схемы можно организовать раздельное измерение по переднему и заднему фронтам с последующим усреднением, это позволит выиграть 1.4 раза по точности.
Есть ещё один математический трюк, позволяющий ещё повысить точность, но он требует вычислений с длинными числами и на малом (десяток) количестве периодов позволит выиграть ... ну ещё раза два (лень считать).

[rx3apf]

junoSynthesizer, я не считаю ваш метод неточным, т.к. я даже с ним не знаком. Вы привели только результат.
Давайте, я посчитаю по-своему:

Угу, так и получается. Нужна лучшая точность - надо увеличивать частоту опорника. Или делать интерполятор (преобразовывать дельту фазы в напряжение, и измерять его с помощью ADC - как самый простой вариант) - два порядка разом можно прибавить, но, боюсь, вот тут-то дрейф порога, шумы и прочее скажутся. Впрочем, для таких частот можно попробовать делать преобразование и на каждом периоде...

2junoSynthesizer - протонный магнитометр делаем ?

Сообщение отредактировал rx3apf - May 4 2007, 01:02

[junoSynthesizer]

2junoSynthesizer - протонный магнитометр делаем ?

абсолютно верно =)
а вы имеете опыт изготовления оного? =)


а по поводу "как я получил"... я просто прикинул... теперь вижу, что прикинул не совсем точно =)
что ж, опора у меня максимум получается 16 МГц (атмега16)... получается, в грубом приближении, улучшение точности вдвое (0.15/2 = 0.075), если увеличить ещё вдвое вышеописанными методами (гестерезис) - то, думаю, получится относительно приемлемый результат... ваши мнения?

[rx3apf]

абсолютно верно =)

а вы имеете опыт изготовления оного? =)

Нет, к сожалению. Любопытно было, но и только. Обычный-то импульсный металлоискатель сколько уж валяется недоделанный...
На эту тему (если интересно) свеженькая практическая конструкция в майском Circuit Cellar за этот год.

а по поводу "как я получил"... я просто прикинул... теперь вижу, что прикинул не совсем точно =)
что ж, опора у меня максимум получается 16 МГц (атмега16)... получается, в грубом приближении, улучшение точности вдвое (0.15/2 = 0.075), если увеличить ещё вдвое вышеописанными методами (гестерезис) - то, думаю, получится относительно приемлемый результат... ваши мнения?

Попробовать стоит. Да, а 10 mV - это с сенсора или с усилителя ? Если с сенсора, то надо бы разгонять малошумящим усилителем, причем с селективными цепями, а не подавать сразу на компаратор. В порядке бреда - добавить перестраиваемый активный фильтр, подстраивая его под текущую частоту отклика. Хотя, в общем-то, десятые Hz - это более чем приличная чувствительность. Речь-то о самоделке "для души" или о попытке сделать действительно серьезный прибор для промышленного воспроизводства ?

[EvgenyNik]

Если делать серьёзно, то я бы сделал примерно так:
1. Усилитель сигнала раз так в 20-40 на хорошем сдвоенном ОУ с малым шумом. Причём усиливать сразу относительно некоторого смещения (1,25 В, допустим, или 2,5 В).
2. Дифференциальный АЦП 14-16 бит на 200-250kSPS (например AD7687).
3. ПЛИС или шустренький МК с SPI.
4. Считываем выборки с частотой 80-200кГц (из расчета примерно 20х на максимально определяемую частоту ).
5. Линейная апроксимация с поиском пересечения нуля...
---
Конечно, сильная зашумлённость может внести свои коррективы, но написано всё по собственному опыту определения частоты промышленной сети (50 Гц) с точностью +/-0,01 Гц при частоте выборки 1кГц.

[deemon]

Если амплитуда меняется , то порог нужно делать на нуле , а гистерезис вводить через конденсатор . ТОгда и порог сохраняется , и устраняются паразитные осцилляции компаратора на переходе .

[junoSynthesizer]

спасибо всем отвечающим =)

10 мВ - ожидаемая амплитуда с датчика (пока что соленоид метровой длины, позже будет тороид с намотаной бобиной миллиметровой проволоки)... силовую схему ещё не собрал, поэтому точную цифру пока не знаю.

речь идёт о самоделке для заинтересованных лиц, которым не подходят промышленные варианты. и я так подозреваю, что этих лиц интересуюет, в основном, относительная чувствительность - т.е. способность обнаруживать изменения магнитного поля относительно преобладающей на определённой местности величины. и, если будет точность измерения 0,01 Hz, то результат будет приемлимым. ИМХО...

2rx3apf
спасибо за направление в журнал, почитаю =)

2Евгений Николаев
я как раз и усиливаю малошумящим операционником (на схеме есть названия) в 100 раз, а затем на компаратор... хотя конечно ваща идея дальнейшей обработки мне очень интересна =)


да, и ещё по поводу 15 выборок =)
эту цифру я тоже взял чисто прикидочно вот из каких соображений: у меня длительность прецессии примерно 0,7-1 сек. т.е. я должен замерить частоту затухающих колебаний в этот промежуток времени. изначально, когда я хотел мерять относительно опоры, я подумал, что за время 3-4 мс сигнал не сможет настолько затухнуть (за 15 колебаний) чтобы влиять на точность промера. теперь же, когда схема ищет переход 0, а цифровая схема - так вообще только переход 0-1, мне собственно пополам сколько периодов мерить...

[Snaky]

спасибо всем отвечающим =)

10 мВ - ожидаемая амплитуда с датчика (пока что соленоид метровой длины, позже будет тороид с намотаной бобиной миллиметровой проволоки)... силовую схему ещё не собрал, поэтому точную цифру пока не знаю.

Делюсь готовой рабочей схемой (устройство я уже продал - схему не жалко ).
Достигнутые параметры:
- частота входного сигнала: 10 ... 30000 Гц
- амплитуда входного сигнала: 1,5 ... 5000 мВольт.
Точность измерения частоты определяется контроллером и вашей программой.
Вход подписан, выход на 7-ой ноге.

Эскизы прикрепленных изображений