ГУН. Сверхнизкие частоты, f<0.01Hz Опции

[mig-11101]

Есть задача собрать синусоидальный геренатор управляемый напряжением с регулировкой периода от 1 минуты до 10 часов.

Пока что делаю в цифровом виде с помощью ЦАП, ибо 100% будет рабочим вариант, однако хочется узнать, нельзя ли реализовать такой генератор без ЦАП?

Проблема с настолько низкими частотами, что обычная RC цепь релаксационного генератора принимает непрактичные значения.

Пока что по теме нашел статью(приложена), в которой рекомендуются к использованию switched capacitor топология, но вот цепь АРУ выходит неприлично дорогая, решение выходит дороже и сложнее чем ЦАП и при этом является дискретным устройством как и ЦАП.
Есть ещё мысль, что может быть RC генератор с умножителем ёмкости на ОУ мог бы сработать, но пока в симуляторе ничего не выходит.

Кто-то сталкивался с генерацией частот ниже 0.01Гц? Поделитесь наработками

Прикрепленные файлы

 miyazaki1992.pdf ( 552.86 килобайт ) Кол-во скачиваний: 49

 

[rx3apf]

А чем-то не подходит обычный PWM, который есть почти в любом микроконтроллере ? А все остальное - "в цифре", тут, полагаю, просто без вариантов...

[mig-11101]

Хотелось бы минимизировать цифровые помехи. А так да.. шим или цап будет работать

[novikovfb]

Хотелось бы минимизировать цифровые помехи. А так да.. шим или цап будет работать

16-разрядные ЦАП вполне доступны, на выход можно поставить ФНЦ с частотой среза 0,1Гц, переключения ЦАП при частоте 1/36000 Гц еще будут подавляться этим фильтром. А если фильтр перестраивать...
Или нужно еще более точное устройство?

[Tanya]

16-разрядные ЦАП вполне доступны,

И 20-разрядные, что в данном случае лучше.

[mig-11101]

16-разрядные ЦАП вполне доступны, на выход можно поставить ФНЦ с частотой среза 0,1Гц, переключения ЦАП при частоте 1/36000 Гц еще будут подавляться этим фильтром. А если фильтр перестраивать...
Или нужно еще более точное устройство?

Точности вполне хватает начиная с 16 бит =)
Интерес вызван тем что на плату я бы предпочёл не ставить ЦАП(и цена выше и цифровые сигналы на чисто аналоговой плате). Для диапазона 0.01Гц+ вопрос решается парой ОУ, но с преносом этого подхода в более низкие частоты - сталкнулся с проблемами.

[Tanya]

Для диапазона 0.01Гц+ вопрос решается парой ОУ, но с преносом этого подхода в более низкие частоты - сталкнулся с проблемами.

Расскажете, как?
Расскажите, как.

[Plain]

цифровые сигналы на чисто аналоговой плате

При правильной разводке всё мирно сосуществует.

Задёшево решить задачу можно каким-нибудь звуковым ЦАП, например CS4334, добавив к нему калибратор, в виде чередующего его выходы аналогового мультиплексора и пары компараторов, потому что у таких ЦАП только разрешение соответствующее, а точность абстрактна.

[Myron]

Точности вполне хватает начиная с 16 бит =) Интерес вызван тем что на плату я бы предпочёл не ставить ЦАП(и цена выше и цифровые сигналы на чисто аналоговой плате). Для диапазона 0.01Гц+ вопрос решается парой ОУ, но с преносом этого подхода в более низкие частоты - сталкнулся с проблемами.

Основная проблема не в этом, если нужна не одна штука, а любая серия больше 2-х-3-х, так как тестировать и ремонтировать будет подвигом. Вас убьют не только на производстве, а и ваше руководство. Причем при каждом выпуске. Да и при первой верификации нужно будет провести уйму часов на измерениях и отладочных итерациях, даже при применении автоматического тестового оборудования, которое тоже надо будет сделать и/или наладить. Так что только цифра. Тестирование и отладку можно существенно упростить, например, изменяя частоту выборок на входе ГУН в процессе.

[mig-11101]

Расскажете, как?
Расскажите, как.

VCO с треугольным выходом - делается из двух ОУ, схем полно. Чтобы получить синус использую такую цепочку:


Схема дает THD 1-2% что для меня приемлемо.

Проблема в том что опуская релаксационный генератор ниже по частоте надо увеличивать сопротивление R-C цепи, что становится уже не приемлимо из соображений шума.

При правильной разводке всё мирно сосуществует.

Задёшево решить задачу можно каким-нибудь звуковым ЦАП, например CS4334, добавив к нему калибратор, в виде чередующего его выходы аналогового мультиплексора и пары компараторов, потому что у таких ЦАП только разрешение соответствующее, а точность абстрактна.

А я и не сомневаюсь.
Я уже писал, что решение на данный момент - ЦАП.

Но тема о том, как реализовать подобноее в рамках аналоговых цепей, не впадая в шумы r-c цепи? Можно воспринимать как спортивный интерес.

[Guest_TSerg_*]

Задумайтесь о фильтрах на переключаемых конденсаторах.

[vhk]

Кто-то сталкивался с генерацией частот ниже 0.01Гц? Поделитесь наработками

Пожалуйста. Реализация на практике. Два кварцевых генератора (например "Гиацинт" 5 МГц) и смеситель. На выводы управления коррекцией частоты кварцевых генераторов подаёте напряжения для выбора заданной НЧ частоты -0,01 - 0,0001 Гц. Сигналы с выходов генераторов подаются на смеситель где с выхода снимаете разностный сигнал частотой 0,01 - 0,0001 Гц.

Хотелось бы минимизировать цифровые помехи.

Я уже писал, что решение на данный момент - ЦАП.
Но тема о том, как реализовать подобноее в рамках аналоговых цепей, не впадая в шумы r-c цепи? Можно воспринимать как спортивный интерес.

Цифры нет в принципе, один аналог и кстати "малошумящий".

Сообщение отредактировал vhk - Dec 23 2016, 10:15

[novikovfb]

Реализация на практике. Два кварцевых генератора (например "Гиацинт" 5 МГц) и смеситель. На выводы управления коррекцией частоты кварцевых генераторов подаёте напряжения для выбора заданной НЧ частоты -0,01 - 0,0001 Гц. Сигналы с выходов генераторов подаются на смеситель где с выхода снимаете разностный сигнал частотой 0,01 - 0,0001 Гц.

У Вас это реально работало? Как-то раз доводилось видеть подобные эксперименты с кварцевыми генераторами, работающими на близких частотах. Почему-то всегда получалась самосинхронизация этих генераторов между собой и отсутствие инфранизкочастотных биений, проблемы начинались уже на 1 Гц при частоте кварцев 10 МГц.
Возможно, было плохое экранирование и развязка по питанию, давно это было.

[vhk]

генераторами, работающими на близких частотах. Почему-то всегда получалась самосинхронизация этих генераторов между собой

Плохая развязка. Три буферных каскада с ослаблением влияния выхода на вход -60 дБ на выход каждого из генераторов. Только потом на смеситель. Предложенный вариант удовлетворяет условиям автора темы:
это аналог без цифры и нет шумов RC если это важно.

[=SSN=]

Пожалуйста. Реализация на практике. Два кварцевых генератора (например "Гиацинт" 5 МГц) и смеситель.

Что-то не стыкуется с теорией..

Для генератора "Гиацинт-М" ИГ2.210.003 заявлена "кратковременная нестабильность за 1 с, не более: 5*10^-11".

Для двух независимых генераторов "кратковременная нестабильность за 1 с" сигнала на выходе смесителя будет не более: 5*10^-11+5*10^-11 = 10^-10.

Это дает ошибку частоты на выходе смесителя: 5*10^6[МГц] * 10^-10 = 5*10-4 = 0.0005 [Гц].

Таким образом, необходимая частота 0.0001 [Гц] будет получена с точностью +/-0.0005 [Гц]..

И это еще посчитано для "кратковременной нестабильности за 1 с".

В реальности, нужно использовать значение "кратковременной нестабильности" за временной интервал: T >> 1/0.0001[Гц] = 10^4 [Сек].

Для генератора "Гиацинт-М" ИГ2.210.003 заявлена "долговременная нестабильность за сутки 5х10^-9", что дает уход частоты на два порядка больше: +/-0.05 [Гц].

То есть, за несколько периодов колебаний на выходе смесителя с частотой 0.0001 [Гц], значение этой самой частоты будет гулять в пределах +/-0.05 [Гц].

Кому нужна такая частота?

Сообщение отредактировал =SSN= - Dec 23 2016, 11:55

[vhk]

Что-то не стыкуется с теорией..

По результатам измерений, два "Гиацинта" расположенные рядом 1Х10^-11 за период измерений 100 секунд. За 1 сек не мог "увидеть" отклонение. Гиацинт приведён для примера как самый распространённый генератор. Никто не мешает какой либо "Морион" с нестабильность 1Х10^-12 или лучше.
Можно применить низкочастотные генераторы на НЧ кварцах, разделить частоты 5 МГц (ВЧ кварцев) регенеративными делителями например на 1024, тем самым пропорционально уменьшив кратковременную нестабильность.

Кому нужна такая частота?

Автор хотел аналоговое решение без шумов RC цепочки. Метод "биений" от двух кварцевых генераторов этим условиям удовлетворяет. Предложите другое аналоговое решение с меньшими шумами и легко реализуемое на практике.

[=SSN=]

Предложите другое аналоговое решение с меньшими шумами и легко реализуемое на практике.

Ну, я на это не подписывался.
Я лишь указал, что предложенное Вами решение не удовлетворяет первоначальному условию ТС, то есть,
с его помощью невозможно получить гармонический сигнал с частотой 0.0001[Гц] с разумной степенью точности.

[VCO]

Предложите другое аналоговое решение с меньшими шумами и легко реализуемое на практике.

Это может быть некое механико-электрическое преобразование медленно вращающегося предмета.
Например, магнита, периодически приближающегося и удаляющегося относительно датчика Холла.
Насчёт шумов вряд ли будет конкурировать, а вот со стабильностью, возможно, будет дело получше.

[vhk]

Я лишь указал, что предложенное Вами решение не удовлетворяет первоначальному условию ТС, то есть,
с его помощью невозможно получить гармонический сигнал с частотой 0.0001[Гц] с разумной степенью точности.

Возможно. Выбирайте с надлежащей точностью. Автор точность не указал.
http://www.morion.com.ru/rus/oscillators/
на 3-4 порядка "точность" выше, чем в ваших расчётах ранее.

Ну, я на это не подписывался

Метод биений двух кварцевых генераторов - минимальные шумы и чисто аналоговая синусоида. Без ступенек ЦАП.

Сообщение отредактировал vhk - Dec 23 2016, 12:02

[=SSN=]

на 3-4 порядка "точность" выше, чем в ваших расчётах ранее.

Что-то не вижу по ссылке, где там "на 3-4 порядка "точность" выше, чем в ваших расчётах ранее".

По ссылке указано: "Высокая кратковременная стабильность частоты: до 5x10^-13 за 1...10 с;"

Это в лучшем случае, выше на 2 порядка. И, опять же, это за 10 с.

И еще раз напомню, что 10 периодов с частотой 0,0001 Гц это временной интервал 10^5 секунд или ~28 часов.

Сообщение отредактировал =SSN= - Dec 23 2016, 12:09

[vhk]

Это в лучшем случае, выше на 2 порядка. И, опять же, это за 10 с.

За период наблюдения 10 сек частота изменится на +5х10^-13. За следующий период наблюдения 10 сек на -
5х10^-13. За период 10 000 секунд усреднится изменение частоты . Главное что бы для долговременной стабильности (часы и более) два генератора оба "плыли" в + или - одинаково, за год 5х10^-9. Точность и период измерения нам от автора темы не известны. Как самодельщик, для решения такой задачи делал бы два генератора на НЧ кварцах частотой порядка 10 кГц.

Сообщение отредактировал vhk - Dec 23 2016, 12:47

[khach]

Делали такое, на ДДС. ДДС был самописный, программный на микроконтроллере. Там еще была фишка- АПЧ кварцевого генератора. Каждый шаг ДДС замерялся его интервал и сравнивался с опорником на рубидии или GSPDSO и выдавалась на второй цап команда на подстройку опорного генератора. Также проводилась программная самокалибровка сдвига нуля выходных ОУ, т.к при таких интервалах они плыли сильнее чем неточность по времени. Цифровые помехи были отвязаны аналоговым ФНЧ с полосой пропускания меньше 10 Гц ( более низкочастотный ФНЧ не лез по габаритам).

[Corner]

Метод двух кварцев, наверное, самый лучший из предложенных. А кварцы можно посадить на ЧАПЧ по эталону. Два ЦАПа и два варикапа. Все в шубку и на виброизоляторы. Прямое DDS будет зело ступенчатое.

[Plain]

Прямое DDS будет зело ступенчатое.

Автор внятно озвучил достаточность 16-ти бит, и выше был предложен бюджетный 24-разрядный ЦАП.

[тау]

был предложен бюджетный 24-разрядный ЦАП.

имхо, внешний цап в такой задаче - из пушки по воробьям. Слишком низкая выходная частота позволяет программно встроить в MCU ΔΣ Fs=1000 Гц . т.е. "изредка" дергать одной ножкой проца а далее фнч на 10 Гц .

[Myron]

имхо, внешний цап в такой задаче - из пушки по воробьям. Слишком низкая выходная частота позволяет программно встроить в MCU ΔΣ Fs=1000 Гц . т.е. "изредка" дергать одной ножкой проца а далее фнч на 10 Гц .

+/-.

Метод двух кварцев, наверное, самый лучший из предложенных. А кварцы можно посадить на ЧАПЧ по эталону. Два ЦАПа и два варикапа. Все в шубку и на виброизоляторы. Прямое DDS будет зело ступенчатое.

Это - тоже залпом катюши по воробьям. Ну а ФНЧ на выходе должен быть в любом случае.

[VCO]

При реализации ГУНа с помощью ЦАПа надо последний выбирать не по разрядности, а по точности.
Что-то мне подсказывает, что точнее ЦАПа, чем построенного на R-2R матрице, в данном случае нет.

[khach]

При реализации ГУНа с помощью ЦАПа надо последний выбирать не по разрядности, а по точности.

Точность все равно плывет при суточных интервалах. Калибровали такой генератор c помощью Keytley 7.5 -цифрового. Сделали свой дельта-сигма АЦП для самокалибровки, по мотивам реверса того же Keytley.
Ну и модуляцию типа шим в пределах одного бита ЦАП делали, все равно ФНЧ все сглаживает, а ц ЦАП можно и на килогерцах писать.
ЗЫ. Конечно это был не ГУН, а просто ультранизкочастотный генератор синуса- надо было суточное изменение магнитного поля компенсировать, а автокомпенсаторы с обратной связью по холлам шумели слишком.

[тау]

однако хочется узнать, нельзя ли реализовать такой генератор без ЦАП?

без цап можно , нужен программный код и 1 свободная ножка микроконтроллера

на вложенных рисунках показаны результаты симуляции для дельта сигма модулятора 3 порядка работающего от клока 1 кГц , вырабатывающего "несущую 0,01 Гц" с выходными ФНЧ тоже 3-го порядка для частот среза 1-3-10 Гц.
спектр по уровню нормализован к частоте 5 миллигерц с т.з. СПМШ. Спектры даны для 1 и 10 Гц фильтров, несущая там почти впритык в левую ось но она видна.

Эскизы прикрепленных изображений

 

[vhk]

Автор внятно озвучил достаточность 16-ти бит, и выше был предложен бюджетный 24-разрядный ЦАП.

Самое бюджетное решение, это формирование сигнала звуковой картой. В любой современной карте 24 разрядный ЦАП, два канала. В имеющейся карте, с выхода ЦАП на буферные ОУ закоротить электролитические конденсаторы. Для генерации сигнала применить одну из множества программ генерации сигналов.

[Plain]

Самое бюджетное решение, это формирование сигнала звуковой картой. В любой современной карте 24 разрядный ЦАП, два канала. В имеющейся карте, с выхода ЦАП на буферные ОУ закоротить электролитические конденсаторы. Для генерации сигнала применить одну из множества программ генерации сигналов.

Выше уже говорилось, что данные ЦАП по точности никакие и требуется их постоянная фоновая, да ещё и термостатированная калибровка, т.е. описанный же выше аппаратный довесок, который одновременно решит и проблему обязательного наличия на выходе таких ЦАП цифровых ФВЧ (т.е. неотключаемых дубликатов закорачиваемых конденсаторов), а множество программ, не поддерживающее всего перечисленного, становится бесполезным.

[Tanya]

без цап можно , нужен программный код и 1 свободная ножка микроконтроллера

Еще очень стабильное питание и нулевое сопротивление выхода с этой ножки.
Вот DAC1220 как раз все это делает внутри себя. Недешевый почему-то...

[тау]

Еще очень стабильное питание и нулевое сопротивление выхода с этой ножки.
Вот DAC1220 как раз все это делает внутри себя. Недешевый почему-то...

1)
Татьяна, не подскажете , как DAC1220 делает "очень стабильное Vref" внутри себя ? и каковы официальные цифры "стабильности" Vref

2)
DAC1220: Gain error (! после калибровки ) ±150 ppm of FSR. Таня , это очень грустно.

Недешевый - да, антиквариат потомучто , наверное .

[Corner]

При реализации ГУНа с помощью ЦАПа надо последний выбирать не по разрядности, а по точности.
Что-то мне подсказывает, что точнее ЦАПа, чем построенного на R-2R матрице, в данном случае нет.

Есть 16 битные ЦАП не R-2R, а цепочка из 65535 одинаковых резисторов. Эти ЦАП имеют гарантированную точность в один резистор.

Еще очень стабильное питание и нулевое сопротивление выхода с этой ножки.
Вот DAC1220 как раз все это делает внутри себя. Недешевый почему-то...

Не надо высокостабильного сопротивления. Надо последовательно резистор поставить. И про сопротивление ножек можно забыть. У типовых стабилизаторов абсолютная точность 50 ппм. На время в несколько секунд еще на порядок выше.

Сообщение отредактировал Corner - Dec 31 2016, 16:54

[ScrewDriver]

Кварц на 20 МГц; одно плечо - делитель на 4, на выходе 4МГц. Другое плечо - DDS, например AD9956, синтезируется 4 МГц+Df, разрешение по частоте до 10^-8. И на смеситель. Все цифровые эффекты DDS легко парируются керамическим резонатором на выходе DDS.