В продолжение темы про Transimpedance, поиск схемного решения Опции

[Herz]

В теме о применении ОРА380 я уже описывал свою задачу, вкратце напомню.
Необходимо измерить степень рассеяния света некоторой поверхностью. С этой целью освещаю её лазером видимого диапазона, с импульсной модуляцией частотой 6,4 кГц (для удобства усреднения).
Проблема в фоновой засветке, не позволяющей различить весьма слабый полезный сигнал. Попытки скомпенсировать фон мне пока не удались. Точнее, отстроиться от медленно меняющегося солнечного света несложно, гораздо неприятнее искусственное освещение, наводящее помеху в виде детектированной синусоиды. Учитывая слабопредсказуеые уровень, фазу и несимметричность, бороться с ней очень тяжело. В итоге не удаётся достаточно усилить полезный сигнал, имеющий уровни на 2-3 порядка ниже.
Прежде я решал похожую проблему при помощи УВХ. Видимо, придётся поступить так же. Вот как я вижу себе схемное решение:
Фототок усиливаю предварительным усилителем до максимально возможного значения. (поскольку фон может вызывать до 15 мка фототока, К~300 ком при 5В питании). В этом каскаде предполагаю использовать ОРА350 (кстати, скорее всего в обычном, не трансимпеданс-включении). Далее подаю усиленное напряжение на УВХ (ОРА615), который "запоминает" уровень сигнала в паузах между импульсами лазера. В состав указанной м/сх входит т.н. Transconductance Amplifier (OTA), но его характеристики меня огорчают. Попробую вместо него буфер на том же ОРА350 (благо, он стабилен при единичном усилении).
Слудующим планирую дифкаскад, например, на INA106. Пусть вычтет текущее напряжение (в момент включенного лазера) из сохранённого на УВХ. За ним - оконечный, чтобы усилить разность до нужных значений перед подачей на АЦП (AD7896). (Или объединить два последних в инструментальный усилитель?)
Поскольку в разностных значениях всегда будет присутствовать ошибка, связанная с изменением уровня фона (наводки) от момента Hold до момента сравнения, окончательно останется усреднить 128 замеров, что будут выполнены как раз за 20 мсек.
Прошу форумчан высказать замечания по структуре и методу, а также по элементной базе. (Может, в предусилителе применить более высоковольтный ОУ?) Схемку прикреплю чуть позднее. Хотя ничего нового я не придумал. Возможно, я просто сузил кругозор, сосредоточившись на конкретном пути и не вижу других, более оригинальных или простых решений? Например, если учесть, что измеряемая величина (собственно степень рассеивания) меняется очень медленно, допустимо увеличить период измерений даже до нескольких секунд. Этим стоило бы как-то воспользоваться...

[DS]

УВХ здесь не шибко годиться.
Наиболее правильным с точки зрения подавления шумов было бы использовать трансимпедансый усилитель с небольшим резистором, потом ключ, который бы подавал сигнал на интегратор при включенном лазере с коэффициентом +1, при выключенном - -1. Если скважность включено-выключено лазера близка к 1:1, то это позволит максимально задавить фон и существенно проще. 5в питания видимо не хватит т.к. Вы ходите иметь динамический диапазон порядка 120 Дб после диода.
Измерить 15 на с 12 разрядной точностью при засветке 15 мка невозможно из-за чисто физических ограничений на дробовые флуктуации тока. Поэтому, чтобы вытянуть нужные параметры Вам все равно придется бороться с засветкой.

[Rst7]

Напомню пару проблем - например то, что у нас сеть далеко не 50Гц кварцованные - в результате при накоплении за 20мс будете иметь биения.
Второе - фототок только трансимпедансом преобразовывать, иначе фигня будет.
Еще хорошо-бы повысить частоту модуляции - это лучше подавит помеху от засветки.

[MosAic]

Позвольте все же сказать несколько общих слов...

У Вас два мешающих фактора - постоянная фоновая засветка (в основном мешает тем, что создает дробовой шум на переходе фотодиода) и помехи от искуственного освещения (частотный спектр ламп дневного освещения простирается до мегагерцев).

Мне известны два основных способа борьбы с шумами. Второй используется в сверхширокополосных системах и сводится к выделению только той временной области, где сосредоточен импульсный сигнал. Но это довольно продвинутая и новая технология. Проще обратиться к доброму старому варианту - ограничение полосы пропускания устройства. При Вашем медленно меняющемся сигнале ее можно сузить до долей Гц и получить все, что нужно. Несущую лучше выбрать порядка десятков килогерц, чтобы избежать розовых шумов.

Завтра подкину обстоятельную книжку по предусилителям.

[Herz]

Напомню пару проблем - например то, что у нас сеть далеко не 50Гц кварцованные - в результате при накоплении за 20мс будете иметь биения.
Второе - фототок только трансимпедансом преобразовывать, иначе фигня будет.
Еще хорошо-бы повысить частоту модуляции - это лучше подавит помеху от засветки.

Да, будут, но с этим уже что поделаешь...
Почему только трансимпедансом? Мне пока не очевидно.
Частоту модуляции существенно повыситьне могу - АЦП не успеет. Нужно будет сигнал восстанавливать. Не применять же для таких скоростей быстродействующие.

[DS]

Так если вы после входного каскада что-то начали с сигналом делать, то АЦП уже нужно на герцы - надо после получения сигнала его фильтром усреднить и измерять низкоскоростным АЦП.

Трансимдеданс у Вас все равно присутствует так или иначе - просто вместо операционника будет резистор. При этом шум резистора пойдет в сигнал, и возникнет нелинейность, связанная с изменением напряжения на диоде, которая обгадит Ваш и так небольшой полезный сигнал.

[Herz]

УВХ здесь не шибко годиться.
Наиболее правильным с точки зрения подавления шумов было бы использовать трансимпедансый усилитель с небольшим резистором, потом ключ, который бы подавал сигнал на интегратор при включенном лазере с коэффициентом +1, при выключенном - -1. Если скважность включено-выключено лазера близка к 1:1, то это позволит максимально задавить фон и существенно проще. 5в питания видимо не хватит т.к. Вы ходите иметь динамический диапазон порядка 120 Дб после диода.
Измерить 15 на с 12 разрядной точностью при засветке 15 мка невозможно из-за чисто физических ограничений на дробовые флуктуации тока. Поэтому, чтобы вытянуть нужные параметры Вам все равно придется бороться с засветкой.

С интегратором хорошая мысль, надо обмозговать. Но, ИМХО, способ применим только при точном меандре. Иначе интегратор неизбежно "уползёт" в одну сторону даже при нулевом сигнале.
По поводу дробового шума и динамического диапазона действительно, неплохо бы оценить теоретический предел, не укажете ли методику?
Уж хотя бы 10 достоверных разрядов вытянуть...

[Herz]

Так если вы после входного каскада что-то начали с сигналом делать, то АЦП уже нужно на герцы - надо после получения сигнала его фильтром усреднить и измерять низкоскоростным АЦП.

Трансимдеданс у Вас все равно присутствует так или иначе - просто вместо операционника будет резистор. При этом шум резистора пойдет в сигнал, и возникнет нелинейность, связанная с изменением напряжения на диоде, которая обгадит Ваш и так небольшой полезный сигнал.

Применить интегрирующий АЦП?
Я прежде сравнивал два способа включения фотодиода (как в DS на FDS100 и "классический" с нулевым смещением), оказалось при том же усилении быстродействие в схеме "с резистором" выше, и это понятно. При том, что основное усиление я собирался получить именно в первом каскаде, фронты получал очень затянутые, до неприличия. Может, я не прав? Но если с целью минимизации шумов КУ предусилителя сделать невысоким, то дальнейшее усиление будет уже не только собственно сигнала, но и искажений тракта, разве нет?

[DS]

Считаете колическтво электронов, прошедших через фотодиод за нужный период времени (например 1/6400 секунды). Разброс равен корню из этого числа. Соответственно, вычисляете ток дробового шума.
Для Ваших 15 мка будет порядка 120 па. Что дает сигнал/шум порядка 100, если идеально удастся подавить флуктуации засветки. Дальше копим - за 1 сек еще 80, тогда вроде вытяиваются Ваши 12 разрядов. Но это на чисто теоретическом пределе.
Естественно, интегратор надо с шунтирующим резистором, а еще лучше фильтр второго порядка на одном ОУ. Тогда небольшая неидеальность меандра приведет просто к постоянному смещению. Что не страшно.


Быстродействие с резистором меньше - при использовании ОУ не влияет емкость фотодиода. Шумы в трансимпедансе тем меньше, чем больше усиление (шумы на выходе - это в точности шумы резистора обратной связи, а сигнал с диода у Вас может усиливаться в сотни раз). При применении резистора шум резистора усиливается вместе с шумом диода последующими каскадами.

АЦП лучше всего ставить дельта-сигма - за счет внутреннего фильтра вы получите почти идеальную фильтрацию вашего сигнала.

[Tanya]

УВХ здесь не шибко годиться.
Наиболее правильным с точки зрения подавления шумов было бы использовать трансимпедансый усилитель с небольшим резистором, потом ключ, который бы подавал сигнал на интегратор при включенном лазере с коэффициентом +1, при выключенном - -1. Если скважность включено-выключено лазера близка к 1:1, то это позволит максимально задавить фон и существенно проще. 5в питания видимо не хватит т.к. Вы ходите иметь динамический диапазон порядка 120 Дб после диода.
Измерить 15 на с 12 разрядной точностью при засветке 15 мка невозможно из-за чисто физических ограничений на дробовые флуктуации тока. Поэтому, чтобы вытянуть нужные параметры Вам все равно придется бороться с засветкой.

С интегратором хорошая мысль, надо обмозговать. Но, ИМХО, способ применим только при точном меандре. Иначе интегратор неизбежно "уползёт" в одну сторону даже при нулевом сигнале.
По поводу дробового шума и динамического диапазона действительно, неплохо бы оценить теоретический предел, не укажете ли методику?
Уж хотя бы 10 достоверных разрядов вытянуть...

Нет, достаточно сделать равными времена работы ключа. Тут нужен коммутатор 3 - 1. 1 такт +1, второй -1, остальное время (до следующей вспышки) 0 - т.е вход интегратора на 0.
А еще полезно встречно включить идентичный приемник, который бы видел только фон.
Пусть хоть процентов 80 фона убъет - и то +.

[DS]

Еще вот подумалось - а почему бы Вам не уйти в длину волны порядка 1.5 мкм. Вы конечно раза в 4 потеряете в сигнале, но можно будет использовать слепой к обычному освещению InGaAs фотодиод, да еще и ИК фильтр поставить на входе. Порядка 3 по засветке выиграете.

[Herz]

Считаете колическтво электронов, прошедших через фотодиод за нужный период времени (например 1/6400 секунды). Разброс равен корню из этого числа. Соответственно, вычисляете ток дробового шума.
Для Ваших 15 мка будет порядка 120 па. Что дает сигнал/шум порядка 100, если идеально удастся подавить флуктуации засветки. Дальше копим - за 1 сек еще 80, тогда вроде вытяиваются Ваши 12 разрядов. Но это на чисто теоретическом пределе.
Естественно, интегратор надо с шунтирующим резистором, а еще лучше фильтр второго порядка на одном ОУ. Тогда небольшая неидеальность меандра приведет просто к постоянному смещению. Что не страшно.

Спасибо.

Быстродействие с резистором меньше - при использовании ОУ не влияет емкость фотодиода.

Пожалуй, не соглашусь. Для получения КУ, к примеру, 300 ком в трансимпедансном включении необходим именно такой резистор в цепи обратной связи. Этот же номинал использовать в формуле расчёта ширины полосы (согласно DS на фотодиод). Нагрузив же ФД на резистор 10 ком и используя неинвертирующий усилитель с К=30, получим полосу существенно шире. Что и подтверждается экспериментально. Другое дело, что широкая полоса, в общем-то не нужна, но импульс должен был успеть установиться перед оцифровкой.

Шумы в трансимпедансе тем меньше, чем больше усиление (шумы на выходе - это в точности шумы резистора обратной связи, а сигнал с диода у Вас может усиливаться в сотни раз). При применении резистора шум резистора усиливается вместе с шумом диода последующими каскадами.

А как же собственные шумы ОУ, приведенные ко входу? Ведь они усилятся если не в этом каскаде, то в последующих? Особенно беспокоит токовый шум. Учитывая высокое сопротивлением источника сигнала, может получится немаленькая величина. А в "нетрансимпедансном" включении номиналы резисторов (при том же усилении) ниже. Значит, и ёмкость фотодиода, кстати, должна влиять меньше?

[Herz]

Нет, достаточно сделать равными времена работы ключа. Тут нужен коммутатор 3 - 1. 1 такт +1, второй -1, остальное время (до следующей вспышки) 0 - т.е вход интегратора на 0.
А еще полезно встречно включить идентичный приемник, который бы видел только фон.
Пусть хоть процентов 80 фона убъет - и то +.

Что-то с тремя состояниями интегратора не уяснил. Как эти такты соотнести с фазой импульсов света?
Насчёт идентичного компенсирующего ФД думал, не получается. Если направить его в другую сторону, его могут заслонить и разность засветок изменится непредсказуемо. Если в том же направлении - вообще смысла нет. Вот, может, применить RGB-сборку (хоть MCS3AO фирмы MAZeT, я с ними работал). Тогда G- и B- уровни можно использовать для компенсации. Тоже недешёвое решение... Кроме того, если бы у меня был зелёный лазер, тогда да...

[DS]

По поводу шумов и быстродействия Вы не правы. Быстродействие определяется быстродействием операционника и паразитной емкостью резистора обратной связи. При простом резисторе - RC , где C - емкость фотодиода. При 300 Ком трансимпеданс может иметь полосу в несколько мегагерц, Такую полосу при 10 Ком можно получить примерно при 20 пф емкости диода.
Шумы операционика практически не входят в выходной сигнал - в первом приближении они не увеличиваются вообще, и скажем при 300 Ком резистор будет иметь 70 нв/гц1/2, посредственный операционник - 12 - 14 нв. Для Вашего включения 10 Ком и 30 кратное усиление 380 нв за счет резистора и 260 - 400 за счет операционника.
Если рассматривать более точную модель для 50 пф емкости диода и частоты 10 Кгц - шумы операционника увеличатся в 2 раза и составят 25 нв, что все равно мало влияет на результат - итоговый шум примерно 70 нв

[_artem_]

можно попробовать также сделать второй оптический канал для только фоновой засветки а затем вычитать его из полезного сигнала.

[DS]

Забыл отметить - я считал для случая наличия на фотодиоде отрицательного смещения. Если Вы его пользуете без смещения - вполне может эффективная емкость фотодиода вырасти во много раз, и посадить быстродействие. При однополярном питании можно посадить + операционника на смещение и тем самым создать отрицательное смещение на диоде.

[Herz]

Забыл отметить - я считал для случая наличия на фотодиоде отрицательного смещения. Если Вы его пользуете без смещения - вполне может эффективная емкость фотодиода вырасти во много раз, и посадить быстродействие. При однополярном питании можно посадить + операционника на смещение и тем самым создать отрицательное смещение на диоде.

Да, в самом деле, видимо этим и объяснялось снижение быстродействия при включении ФД в схему ТИ-усилителя без смещения. Ведь, по сути, отличие этого режима от "обычного", обратносмещённого - только в поддержании нулевого смещения. Для линейности это - хорошо, но не для быстродествия. Всё остальное - аналогично: ток ФД определяется освещённостью, выходное напряжение - сопротивлением резистора, через который он течёт. То есть, для ФД, как источника тока, именно он является "нагрузкой", определяющим постоянную времени. Тогда для расчёта быстродействия должна быть применима формула из DS, разве нет?

[DS]

Как раз в режиме без смещения нелинейность гораздо больше. Поле в переходе сопоставимо с полями, создаваемыми носителями заряда, и наблюдается куча чудес, связанных с этим. При подаче смещения в зоне перехода появляется приличное электрическое поле и носители переходят из режима диффузии в режим дрейфа.
При точном расчете быстродействия ТИ надо брать входное сопротивление, а оно равно сопротивлению обратной связи, деленному на коэффициент усиления ОУ на данной частоте. Для 10 Кгц это типично 1000, если GBW ОУ около 10 Мгц. Поэтому RC получается очень небольшим.

[Stanislav]

Немного не в тему, но может быть полезно.
Отражённый под углом от диэлектрических поверхностей свет сильно поляризован. При определённой пространственной ориентации источников засветки и лазера можно попробовать их разделить с помощью поляризатора, повёрнутого на нужный угол.

Как раз в режиме без смещения нелинейность гораздо больше. Поле в переходе сопоставимо с полями, создаваемыми носителями заряда, и наблюдается куча чудес, связанных с этим. При подаче смещения в зоне перехода появляется приличное электрическое поле и носители переходят из режима диффузии в режим дрейфа.

Вообще-то запирающее смещение подавать не обязательно, если на входе усилка реализован режим КЗ. Для усилителей с ООС режим проводимости (со смещением), однако, всё же является предпочтительным, так, как барьерная ёмкость перехода в нём меньше, и устойчивость системы датчик/усилитель лучше.

...При точном расчете быстродействия ТИ надо брать входное сопротивление, а оно равно сопротивлению обратной связи, деленному на коэффициент усиления ОУ на данной частоте. Для 10 Кгц это типично 1000, если GBW ОУ около 10 Мгц. Поэтому RC получается очень небольшим.

Ещё нужно учесть, что характер входного сопротивления даже на 10 кГц будет комплексным, поэтому, для уменьшения реактивной его составляющей, желательно брать ОУ пошустрее.

[DS]

При использовании диода без смещения появляется куча эффектов второго поряка. В частоности в i слое pin диода может идти рекомбинация, емкость очень сильно модулируется. Опять же не бывает ОУ с точно нулевым входным. В точной схеме смещение обязательно.

[Stanislav]

При использовании диода без смещения появляется куча эффектов второго поряка. В частоности в i слое pin диода может идти рекомбинация, емкость очень сильно модулируется. Опять же не бывает ОУ с точно нулевым входным. В точной схеме смещение обязательно.

Согласен. Для p-i-n диода это очевидно, для p-n - в меньшей степени. Но и при приложении запирающего напряжения могут быть отрицательные явления - например, дробовой шум тока утечки P-N перехода.

[DS]

Согласен. Но и при приложении запирающего напряжения могут быть отрицательные явления - например, дробовой шум тока утечки P-N перехода.

Я бы это назвал уже эффектом третьего порядка. Я пока не встречался с ситуацией, чтобы при удовлетворительном токе утечки не удовлетворял его дробовой шум. Оптические шумы в таких ситуациях много больше.

[Stanislav]

Я бы это назвал уже эффектом третьего порядка. Я пока не встречался с ситуацией, чтобы при удовлетворительном токе утечки не удовлетворял его дробовой шум. Оптические шумы в таких ситуациях много больше.

А какие эффектам можно было бы присвоить "второй порядок", при условии, что диод работает на КЗ?

[DS]

А всяческим побочным эффектам при среднем и большом фототоке, например снижение чувствительности с ростом тока, ухудшения динамических характеристик и т.д. Причем они у каждого типа диода свои. Поскольку на малых токах и относительно низких частотах ими можно пренебречь, я бы отнес их ко второму порядку.

[Stanislav]

А всяческим побочным эффектам при среднем и большом фототоке, например снижение чувствительности с ростом тока, ухудшения динамических характеристик и т.д. Причем они у каждого типа диода свои. Поскольку на малых токах и относительно низких частотах ими можно пренебречь, я бы отнес их ко второму порядку.

Да, в такой трактовке это понятно.
Иными словами, я бы назвал это эффектами, связанными с объёмным сопротивлением полупроводника. Которое несущественно при малых уровнях фототока.

[Herz]

Вообще-то запирающее смещение подавать не обязательно, если на входе усилка реализован режим КЗ. Для усилителей с ООС режим проводимости (со смещением), однако, всё же является предпочтительным, так, как барьерная ёмкость перехода в нём меньше, и устойчивость системы датчик/усилитель лучше.

Вы имеете в виду прямое смещение?
И что Вы называете "режимом КЗ"? В чём его отличие от режима проводимости в усилителе с ООС? Стал запутываться...

[Stanislav]

Вообще-то запирающее смещение подавать не обязательно, если на входе усилка реализован режим КЗ. Для усилителей с ООС режим проводимости (со смещением), однако, всё же является предпочтительным, так, как барьерная ёмкость перехода в нём меньше, и устойчивость системы датчик/усилитель лучше.

Вы имеете в виду прямое смещение?
И что Вы называете "режимом КЗ"? В чём его отличие от режима проводимости в усилителе с ООС? Стал запутываться...

Фотодиод может работать в двух режимах: фотогенераторном и проводимости. В фотогенераторном режиме диод сам создаёт фототок и генерирует мощность, поглощаемую входом усилителя. Смещение в этом режиме на него не подаётся. В режиме проводимости ток через диод создаётся внешним источником запирающей переход полярности (обратное смещение), диод только модулирует его в соответствии с освещённостью.
Режим КЗ нужно относить к усилителю, состоит он в том, что его входное напряжение не зависит от входного тока.
В этом смысле, наилучшие, по моему мнению, результаты могут быть получены при комбинации режима проводимости диода и КЗ на входе усилителя.
Включение ФД в фотогенераторном режиме несколько проще схемотехнически, поэтому им также часто пользуются.

[DSIoffe]

с импульсной модуляцией частотой 6,4 кГц

А не хотите попробовать подстраивать эту частоту по фазе к частоте сети 50 Гц? Я таким образом давил мерцания от люминесцентных ламп, когда делал телевизионную камеру.

[Herz]

В этом смысле, наилучшие, по моему мнению, результаты могут быть получены при комбинации режима проводимости диода и КЗ на входе усилителя.
Включение ФД в фотогенераторном режиме несколько проще схемотехнически, поэтому им также часто пользуются.

То есть, имеется в виду трансимпедансное включение со смещением, как предлагал DS_?

с импульсной модуляцией частотой 6,4 кГц

А не хотите попробовать подстраивать эту частоту по фазе к частоте сети 50 Гц? Я таким образом давил мерцания от люминесцентных ламп, когда делал телевизионную камеру.

Но если усреднение производить за 20 мсек, то вроде бы нет смысла подстраивать фазу.

[Rst7]

Смысл есть. Если у вас случится 49 Гц, то за 20мс получите +-1/50 уровня засветки.
Помоему, проще частоту повысить.

[Tanya]

Нет, достаточно сделать равными времена работы ключа. Тут нужен коммутатор 3 - 1. 1 такт +1, второй -1, остальное время (до следующей вспышки) 0 - т.е вход интегратора на 0.
А еще полезно встречно включить идентичный приемник, который бы видел только фон.
Пусть хоть процентов 80 фона убъет - и то +.

Что-то с тремя состояниями интегратора не уяснил. Как эти такты соотнести с фазой импульсов света?
Насчёт идентичного компенсирующего ФД думал, не получается. Если направить его в другую сторону, его могут заслонить и разность засветок изменится непредсказуемо. Если в том же направлении - вообще смысла нет. Вот, может, применить RGB-сборку (хоть MCS3AO фирмы MAZeT, я с ними работал). Тогда G- и B- уровни можно использовать для компенсации. Тоже недешёвое решение... Кроме того, если бы у меня был зелёный лазер, тогда да...

Поясняю... Имеется в виду, что во время импульса коммутатор подключает на вход интегратора сигнал с датчика , потом такое же точно время инвертированный сигнал (так вычитается фон). В третьей фазе на вход подается ноль пока лазер не вспыхнет - первая фаза.
По поводу компенсирующего датчика. Не зная Вашей геометрии и географии, трудно сказать, куда его направить. Может на небо? Такой подход имеет смысл, если компенсацию вводить до усилителя, чтобы снизить требования к его линейности.

[Herz]

Поясняю... Имеется в виду, что во время импульса коммутатор подключает на вход интегратора сигнал с датчика , потом такое же точно время инвертированный сигнал (так вычитается фон). В третьей фазе на вход подается ноль пока лазер не вспыхнет - первая фаза.

Надо понимать, первая фаза - со включенным лазером, вторая (в точности той же длительности) - с выключенным, и оставшееся время (лазер выключен) - третья фаза. Наверное, имеет смысл, если импульсы света короче пауз. При меандре третья фаза не нужна, верно?

Итак, по рекомендациям участников обсуждения:
Начну с модулятора. Поскольку каждый импульс обмерять не надо, МК от функции модуляции освободить, генератор применить внешний, заодно меандр обеспечить проще. Частоту модуляции повысить килогерц до 15-ти - 20-ти, но оставить кратной 50 Гц. Синхроимпульсы с генератора через фазовращатель - на ключ интегратора.
Приёмник. Трансимпедансное включение ФД со смещением (подачей на неинв. вход ОУ). ОРА350 не подойдёт, подобрать высоковольтнее. За ним ключ и интегратор.

Естественно, интегратор надо с шунтирующим резистором, а еще лучше фильтр второго порядка на одном ОУ. Тогда небольшая неидеальность меандра приведет просто к постоянному смещению. Что не страшно.

Тут непонятно. Вместо интегратора фильтр? Или после?
И, наконец, сигма-дельта АЦП. (какой? нужно ли привязывать частоту сэмплирования к частоте модуляции?) Кроме того, интегратор, фильтр - уже входят в сигма-дельта, ими бы воспользоваться...

[MosAic]

Выслушайте IMHO

Вам потребуются:
1) Оптика с хорошим полосовым оптическим фильтром с полосой около 50 нм (лучше интерференционным, но дороже). Впрочем, это можно отложить до готовности электроники.
2) В качестве излучающего элемента следует взять светодиод, а не лазер т. к. он имеет очень линейную зависимость ток-излучение, причем практически от ноля.
3) Фотодиод с обратным смещением + резонансный предусилитель на несущую частоту с очень узкой полосой (порядка 1 Гц) и пиковый детектор после него. В качестве резонансного элемента я бы попробовал применить часовой кварц. Входной каскад лучше сделать на малошумящем полевом транзисторе с pn-переходом.
4) Сигнал с выхода пикового детектора (его постоянная времени, как уже говорилось, порядка 1 с) стабилизировать путем регулировки излучаемой мощности светодиода. Таким образом выходным сигналом будет амплитуда тока в светодиоде.

Думаю получится очень большой динамический диапазон. Постоянная составляющая засветки восприниматься не будет вообще. Основной вклад в шумы будет вносить дробовой шум детектора, но мы так сильно сузили полосу пропускания устройства, что это будет очень маленькая величина, несколько больше sqrt(2*q*I), где I - ток засветки, q - заряд электрона.

P.S.
По поводу книжки - переносится на завтра. Под рукой только английские, но где-то есть и русская, ищу.

[Herz]

Выслушайте IMHO

Спасибо. По этому поводу:

1) Оптика с хорошим полосовым оптическим фильтром с полосой около 50 нм (лучше интерференционным, но дороже). Впрочем, это можно отложить до готовности электроники.

С таким?

2) В качестве излучающего элемента следует взять светодиод, а не лазер т. к. он имеет очень линейную зависимость ток-излучение, причем практически от ноля.

Есть подозрение, что спектр светодиода тоже зависит от тока и в требуемом диапазоне пик может сместиться более, чем на 50 нм.

3) Фотодиод с обратным смещением + резонансный предусилитель на несущую частоту с очень узкой полосой (порядка 1 Гц) и пиковый детектор после него. В качестве резонансного элемента я бы попробовал применить часовой кварц. Входной каскад лучше сделать на малошумящем полевом транзисторе с pn-переходом.

Интересная мысль. Может, в книжке будут примеры, хотелось бы взглянуть, как это решается схемотехнически. И почему пиковый детектор, а не интегратор?

[MosAic]

Фильтр неплохой, но "тарапица не нада" Когда электроника заработает станет ясно насколько нужно упираться в этом направлении.

Спектр светодиода слабо зависит от тока, даже очень слабо. Он ведь работает на эффекте спонтанного излучения. Эта зависимость скорее связана с повышением температуры кристалла. Насколько помню, характерное смещение максимума излучения в рабочем диапазоне температур порядка 20 нм. Но лучше смотреть даташник. Есть вариант как учесть смещение спектра, несмотря даже на присутствие светофильтра и неравномерности характеристики фотодиода - мониторный фотодиод.

В книжке есть много примеров, но именно такого, пожалуй, нет. Придется немного дофантазировать. А теория изложена очень хорошо.

Про интегратор я не понял. Несущая частота 16384 Гц, постоянная составляющая отсекается разделительным конденсатором. Модулируя амплитуду тока в светодиоде удерживаем постоянной амплитуду сигнала после фотоприемника - эдакий "трансимпедансный антиМДМ усилитель" (шутка )

[Stanislav]

То есть, имеется в виду трансимпедансное включение со смещением, как предлагал DS_?

Да, верно. Только нужно бы предполагаемую схему выложить, дабы был повод... поправить.
Я бы порекомендовал Вам ещё ознакомиться с устройством усилителей фототока для... пультов ДУ. Надо сказать, они неплохо отстраиваются от помех. Правда, у Вас требования пожёстче, но некоторые принципы можно взять на вооружение.

3) Фотодиод с обратным смещением + резонансный предусилитель на несущую частоту с очень узкой полосой (порядка 1 Гц) и пиковый детектор после него. В качестве резонансного элемента я бы попробовал применить часовой кварц.

Боюсь, 1 Гц получить нереально. Даже с с кварцем и умножителем его добротности - такая схема будет очень неустойчивой, а уж звон на резкие перепады освещённости давать - ой-ой. Кроме того, часовые кварцы сильно плывут с температурой, в приёмнике потребуется АПЧ, что приведёт к усложнению системы.

Входной каскад лучше сделать на малошумящем полевом транзисторе с pn-переходом.
4) Сигнал с выхода пикового детектора (его постоянная времени, как уже говорилось, порядка 1 с) стабилизировать путем регулировки излучаемой мощности светодиода. Таким образом выходным сигналом будет амплитуда тока в светодиоде.

Мне кажется, что способ, предложенный Вами, имеет несомненные достоинства, но нуждается в некоторой доработке.

Во-первых, смущает применение пикового детектора, из-за его плохой помехоустойчивости. Удовлетворительный результат можно получить только при очень узкой полосе приёма, что, как я уже и писал, сделать весьма затруднительно.
Во-вторых, вместо фильтра на часовом кварце я бы изготовил гетеродин на нём же, дающий квадратурные составляющие (можно даже на цифровых микросхемах). Далее - комплексный перемножитель, простейшие фильтры НЧ и дешевый двухканальный медленный сигма-дельта АЦП. Всю остальную обработку вести в цифре, с помощью недорогого МК. Об оптимальных методах обработки уместно поговорить позже. Можно обойтись и без перемножителя и гетеродина, тактируя АЦП удвоенной частотой модуляции, но это может быть неудобно.
В-третьих, вряд ли возможно обеспечить постоянный уровень сигнала фотодетектора при малой отражающей способности объекта. Сам принцип, конечно, неплох, но следует доработать его для этого случая (измерений при неизменном предельно допустимом токе через СД). Тоже лучше делать в цифрЕ.

[_artem_]

3) Фотодиод с обратным смещением + резонансный предусилитель на несущую частоту с очень узкой полосой (порядка 1 Гц) и пиковый детектор после него. В качестве резонансного элемента я бы попробовал применить часовой кварц.

Боюсь, 1 Гц получить нереально. Даже с с кварцем и умножителем его добротности - такая схема будет очень неустойчивой, а уж звон на резкие перепады освещённости давать - ой-ой. Кроме того, часовые кварцы сильно плывут с температурой, в приёмнике потребуется АПЧ, что приведёт к усложнению системы.

Если фильтр делать как комбинацию активного и второго на переключаюших кондерах (допустим штук 8 на частоту 30 кГц) используя один и тот же кварц (30 * 8) как задаюший генератор для фильтра и модуляционный для светодиода - проблем с нестабильностью частоты вроде бы не должно быть
при узкой полосе задаваемой переключаюшимся фильтрoм.

[DS]

Тут непонятно. Вместо интегратора фильтр? Или после?
И, наконец, сигма-дельта АЦП. (какой? нужно ли привязывать частоту сэмплирования к частоте модуляции?) Кроме того, интегратор, фильтр - уже входят в сигма-дельта, ими бы воспользоваться...

Фильтр вместо интегратора. Постоянная времени не менее 10 полных периодов измерения АЦП. Это надо, чтобы в принципе избежать неприятностей с переносами спектра шума. Фильтр в АЦП докончит дело. На входе дельта-сигма сигнал не должен меняться за время между его внутренними сэмплами более чем на один квант, поэтому фильтр на входе нужен.

С часовым кварцем не стоит здесь экспериментировать - я думаю, что устройство выйдет слишком сложным, а сигнал/шум он не добавит т.к. все равно его придется ставить после фотодиода.
А вот просто подрезать полосу перед "знакоменятелем", например гираторным фильтром можно, но не очень узкополосным, чтобы фаза не вертелась от температуры и прочих дрейфов.

При 6000 Гц бессмысленно синхронизировать с сетью - это не телевизор с 50 герцовой разверткой, где биения могут быть огромными. Частоту выше 20 - 30 Кгц не задирайте - проблемы с быстродействием ТИ операционника начнуться.

Если будете работать от напряжения 10 В и больше - берите ad825, он хоть и старый но для данного дела, как показало множество экспериментов, подходит лучше всего.

У сведодиодов спектр может быть и постоянным, и плавать. Все зависит от технологии изготовления диода - их сейчас очень много. Сверхъяркие диоды уже имеют структуры, весьма похожие на лазерные. Но при прочих равных яркость лазера поболе будет.

[MosAic]

То есть, имеется в виду трансимпедансное включение со смещением, как предлагал DS_?

Да, верно. Только нужно бы предполагаемую схему выложить, дабы был повод... поправить.
Я бы порекомендовал Вам ещё ознакомиться с устройством усилителей фототока для... пультов ДУ. Надо сказать, они неплохо отстраиваются от помех. Правда, у Вас требования пожёстче, но некоторые принципы можно взять на вооружение.

3) Фотодиод с обратным смещением + резонансный предусилитель на несущую частоту с очень узкой полосой (порядка 1 Гц) и пиковый детектор после него. В качестве резонансного элемента я бы попробовал применить часовой кварц.

Боюсь, 1 Гц получить нереально. Даже с с кварцем и умножителем его добротности - такая схема будет очень неустойчивой, а уж звон на резкие перепады освещённости давать - ой-ой. Кроме того, часовые кварцы сильно плывут с температурой, в приёмнике потребуется АПЧ, что приведёт к усложнению системы.

Входной каскад лучше сделать на малошумящем полевом транзисторе с pn-переходом.
4) Сигнал с выхода пикового детектора (его постоянная времени, как уже говорилось, порядка 1 с) стабилизировать путем регулировки излучаемой мощности светодиода. Таким образом выходным сигналом будет амплитуда тока в светодиоде.

Мне кажется, что способ, предложенный Вами, имеет несомненные достоинства, но нуждается в некоторой доработке.

Во-первых, смущает применение пикового детектора, из-за его плохой помехоустойчивости. Удовлетворительный результат можно получить только при очень узкой полосе приёма, что, как я уже и писал, сделать весьма затруднительно.
Во-вторых, вместо фильтра на часовом кварце я бы изготовил гетеродин на нём же, дающий квадратурные составляющие (можно даже на цифровых микросхемах). Далее - комплексный перемножитель, простейшие фильтры НЧ и дешевый двухканальный медленный сигма-дельта АЦП. Всю остальную обработку вести в цифре, с помощью недорогого МК. Об оптимальных методах обработки уместно поговорить позже. Можно обойтись и без перемножителя и гетеродина, тактируя АЦП удвоенной частотой модуляции, но это может быть неудобно.
В-третьих, вряд ли возможно обеспечить постоянный уровень сигнала фотодетектора при малой отражающей способности объекта. Сам принцип, конечно, неплох, но следует доработать его для этого случая (измерений при неизменном предельно допустимом токе через СД). Тоже лучше делать в цифрЕ.

Хорошо, что подключились к обсуждению этого варианта. Несомненно, замечания очень дельные и мне очень интересно Ваше мнение. Давайте тогда обсудим три варианта реализации и выясним какой более предпочтителен (а может появятся и другие):

1) Фильтрация в цифре, как Вы и предложили. Наверняка хорошо реализуется.
2) Уменьшение несущей частоты до разумного компромисcа с уровнем розового шума и реализация аналоговой фильтрации с полосой 1 Гц. Этот вариант требует проработки на предмет сложности реализации по сравнению с первым - это единственное потенциальное преимущество.
3) Превратить систему в генератор т. е. построить, например, кварцевый генератор с обратной связью через оптический канал и поддерживать его амплитуду постоянной регулируя излучаемую мощность и/или усиление приемника (кстати, можно в некоторых пределах и добротностю резонатора). Этот вариант родился вчера вечером.

Кстати, кто знает каковы свойства (добротность) низкочастотных кварцевых резонаторов? У меня валяется несколько штук на единицы кГц, советского периода, в небольших стеклянных колбах с гибкими выводами. Интересно.

Книжка в upload/DOCs - Микрофотоэлектроника.rar

[Herz]

Хорошо, что подключились к обсуждению этого варианта. Несомненно, замечания очень дельные и мне очень интересно Ваше мнение. Давайте тогда обсудим три варианта реализации и выясним какой более предпочтителен (а может появятся и другие):

1) Фильтрация в цифре, как Вы и предложили. Наверняка хорошо реализуется.
2) Уменьшение несущей частоты до разумного компромисcа с уровнем розового шума и реализация аналоговой фильтрации с полосой 1 Гц. Этот вариант требует проработки на предмет сложности реализации по сравнению с первым - это единственное потенциальное преимущество.
3) Превратить систему в генератор т. е. построить, например, кварцевый генератор с обратной связью через оптический канал и поддерживать его амплитуду постоянной регулируя излучаемую мощность и/или усиление приемника (кстати, можно в некоторых пределах и добротностю резонатора). Этот вариант родился вчера вечером.

Давайте, я тоже вмешаюсь.
1) Цифровую фильтрацию программно мне будет реализовать непросто - программист я посредственный, с алгоритмами цифровой фильтрации не работал, а привлечь в помощь пока некого.
И времени на изучение сейчас нет. Так что, разве только ЦФ, встроенные в АЦП, "железные".
2) Может, быть, не обязательна полоса 1 Гц? Действительно, мне сложно представить, как это реализовать. Вот это нельзя использовать?
3)Должен отметить, что фазовыя задержка тракта получается весьма большой. В прежних опытах получал значения более 1 мкс. Возможно, будет, даже больше. Допустимо ли это для построения кварцованного генератора?
Несмотра на красоту и оригинальность Вашей идеи (даже идей) со светодиодом, её проверку "в железе" пока оставлю "на потом". Это потребует времени и переделки уже готовых частей конструктива. (Да и очень трудно бороться с собственными стереотипами, поверьте. )
(Моя признательность Вам от этого ничуть не меньше).

Книжка в upload/DOCs - Микрофотоэлектроника.rar

Я не понял, где это. На всякий случай: доступа к FTP у меня нет. Она большая по объёму?

[Herz]

Я бы порекомендовал Вам ещё ознакомиться с устройством усилителей фототока для... пультов ДУ. Надо сказать, они неплохо отстраиваются от помех. Правда, у Вас требования пожёстче, но некоторые принципы можно взять на вооружение.

В ПДУ несколько другая специфика... Во-первых, ИК, к дневному свету они практически слепы; во-вторых, там задача распознать код, а не измерить амплитуду импульсов. Мне кажется, это существенное отличие. Но ознакомлюсь поближе обязательно.

Во-вторых, вместо фильтра на часовом кварце я бы изготовил гетеродин на нём же, дающий квадратурные составляющие (можно даже на цифровых микросхемах). Далее - комплексный перемножитель, простейшие фильтры НЧ и дешевый двухканальный медленный сигма-дельта АЦП.

Нельзя ли чуть развить эту мысль?
И, как Вы думаете, ADS1252 подойдёт? Или, может, ADS1210? Цена здесь не играет роли.

Сообщение отредактировал Herz - May 26 2006, 13:55

[Stanislav]

Во-вторых, вместо фильтра на часовом кварце я бы изготовил гетеродин на нём же, дающий квадратурные составляющие (можно даже на цифровых микросхемах). Далее - комплексный перемножитель, простейшие фильтры НЧ и дешевый двухканальный медленный сигма-дельта АЦП.

Нельзя ли чуть развить эту мысль?
И, как Вы думаете, ADS1252 подойдёт? Или, может, ADS1210? Цена здесь не играет роли.

Возможно, я немного поторопился. Придётся забежать немного назад.
Передатчик, как уже и писали, лучше всего сделать с модуляцией яркости луча в диапазоне 10-30кГц (цифра очень приблизительная) током прямоугольной формы. Важно: излучающий диод должен иметь возможно большее отношение пикового рабочего тока к среднему.
Система приёма, близкая к оптимальной (то есть, дающая наилучшее отношение С/Ш из всех возможных), мне видится принципиально состоящей из четырёх последовательно включенных блоков:
1. Фотодетектор с оптическим фильтром на нужный частотный диапазон;
2. Линейный усилитель-преобразователь с хорошим динамическим диапазоном (можно селективный, или ФВЧ, только добротность не должна быть большой);
3. Синхронный детектор с простым ФНЧ на выходе. Если нет прямой возможности синхронизации приёмника и передатчика, тогда детектор придётся делать квадратурным, с удвоением "железа". И тот, и другой могут быть реализованы на аналоговых ключах, но об этом позже;
4. АЦП и система обработки сигнала и выдачи данных на МК. Обработка не будет сложной - почти всё необходимое реализовано в аналоге.
Стоит обратить внимание на предложение MosAic о петле регулировании мощности - оно позволит снизить требования к динамическому диапазону системы. Хотя, здесь также могут быть подводные камни.
Сейчас времени нет, прервусь.

[Herz]

Пока предварительные соображения:
- в качестве источника излучения пока всё-таки будет использоваться лазер, в ключевом режиме, т.е. со 100% модуляцией. Частоту модуляции предполагаю не выше 20 кГц, кратной 50 Гц и степени двойки. Кстати, есть ли смысл согласовывать её с тактовой частотой для АЦП?
- с усилителем фототока, кажется, всё понятно. Осталось лишь выбрать и заказать ОУ, видимо, это будет АD825, как советовал DS_. Оптический фильтр тоже постараюсь заказать.
- склоняюсь к применению ADS1210. ИМХО, более гибкий, хоть и не такой компактный, как ADS1252. (Это то, что есть в наличии. Если надо, закажу другие). Скорость сэмплирования - самая низкая.
Перед ним- полнодиференциальный ОУ для увеличения динамич. диапазона. Ещё не вибирал. Если прямо на нём ФНЧ не получится, то перед ним - отдельный ФНЧ второго порядка. Кстати, может, UAF42?
- синхронный детектор, он же - интегратор с коммутатором (по рекомендациям Tanya и DS_)
Тоже предстоит определить, на чём. К нему - обязательно регулируемый фазовращатель - сдвиг фазы придётся настроить, другого пути не вижу.
Кажется, всё. Схему ещё даже не успеваю набросать, пока не окончательно сформировалась концепция.

Сообщение отредактировал Herz - May 26 2006, 20:24

[DS]

Пока предварительные соображения:
- в качестве источника излучения пока всё-таки будет использоваться лазер, в ключевом режиме, т.е. со 100% модуляцией. Частоту модуляции предполагаю не выше 20 кГц, кратной 50 Гц и степени двойки. Кстати, есть ли смысл согласовывать её с тактовой частотой для АЦП?
- с усилителем фототока, кажется, всё понятно. Осталось лишь выбрать и заказать ОУ, видимо, это будет АD825, как советовал DS_. Оптический фильтр тоже постараюсь заказать.
- склоняюсь к применению ADS1210. ИМХО, более гибкий, хоть и не такой компактный, как ADS1252. (Это то, что есть в наличии. Если надо, закажу другие). Скорость сэмплирования - самая низкая.
Перед ним- полнодиференциальный ОУ для увеличения динамич. диапазона. Ещё не вибирал. Если прямо на нём ФНЧ не получится, то перед ним - отдельный ФНЧ второго порядка. Кстати, может, UAF42?
- синхронный детектор, он же - интегратор с коммутатором (по рекомендациям Tanya и DS_)
Тоже предстоит определить, на чём. К нему - обязательно регулируемый фазовращатель - сдвиг фазы придётся настроить, другого пути не вижу.
Кажется, всё. Схему ещё даже не успеваю набросать, пока не окончательно сформировалась концепция.

ADS1210 похоже подходит, хотя я с ней конкретно не работал. Перед ним ставьте ФНЧ второго порядка на ОУ с хорошими JFETами на входе с низми уровнем шума на чатстоте <10 Гц, резисторы больше 10 Ком в этом фильтре не ставьте. Других особых мер не надо. Этот же ФНЧ и будет интегратором. Подстройку фазы ключа можно сделать на таймере т.к. частота у вас стабильна. Это можно и на МК реализовать, и на CPLD.
Сделать фильтр с частотой среза 1 Гц и низкими шумами очень сложно, поэтому рекомендую 10 Гц и 100 Гц скорость работы АЦП. 100 Гц до 1 Гц усредните в МК фильтром первого порядка.

[Herz]

ADS1210 похоже подходит, хотя я с ней конкретно не работал. Перед ним ставьте ФНЧ второго порядка на ОУ с хорошими JFETами на входе с низми уровнем шума на чатстоте <10 Гц, резисторы больше 10 Ком в этом фильтре не ставьте. Других особых мер не надо. Этот же ФНЧ и будет интегратором. Подстройку фазы ключа можно сделать на таймере т.к. частота у вас стабильна. Это можно и на МК реализовать, и на CPLD.
Сделать фильтр с частотой среза 1 Гц и низкими шумами очень сложно, поэтому рекомендую 10 Гц и 100 Гц скорость работы АЦП. 100 Гц до 1 Гц усредните в МК фильтром первого порядка.

Смущает одно: где же будет происходить собственно усиление полезного сигнала? Можно, конечно, ПУ сделать усилителем переменного напряжения, отказавшись от ТИ-включения. Но даже в этом случае селективность будет недостаточной. ФНЧ-интегратор, выделяющий разностный сигнал, вряд ли стоит делать с коэфффициентом передачи выше 1, PGA АЦП, ИМХО, маловато. Напрашивается усилитель между интегратором и АЦП, Вы не находите? Низкочастотный, но прецизионный.

[Tanya]

ADS1210 похоже подходит, хотя я с ней конкретно не работал. Перед ним ставьте ФНЧ второго порядка на ОУ с хорошими JFETами на входе с низми уровнем шума на чатстоте <10 Гц, резисторы больше 10 Ком в этом фильтре не ставьте. Других особых мер не надо. Этот же ФНЧ и будет интегратором. Подстройку фазы ключа можно сделать на таймере т.к. частота у вас стабильна. Это можно и на МК реализовать, и на CPLD.
Сделать фильтр с частотой среза 1 Гц и низкими шумами очень сложно, поэтому рекомендую 10 Гц и 100 Гц скорость работы АЦП. 100 Гц до 1 Гц усредните в МК фильтром первого порядка.

Смущает одно: где же будет происходить собственно усиление полезного сигнала? Можно, конечно, ПУ сделать усилителем переменного напряжения, отказавшись от ТИ-включения. Но даже в этом случае селективность будет недостаточной. ФНЧ-интегратор, выделяющий разностный сигнал, вряд ли стоит делать с коэфффициентом передачи выше 1, PGA АЦП, ИМХО, маловато. Напрашивается усилитель между интегратором и АЦП, Вы не находите? Низкочастотный, но прецизионный.

К вопросу о предусилителе. Тут необходимо тщательно обдумать проблему зашкаливания от постороннего света (или почти зашкаливания), что будет очень неприятно. Поэтому я так настойчиво и предлагаю компенсацию на входе ДО усилителей. Вы, к сожалению, (или это моя невнимательность?) не описали подробно, где излучатель, где приемник, какая расходимость луча, какая оптика, где все это стоит, и, наконец, что это вообще такое и зачем....
А это бы, возможно, помогло.
Ведь проблемы тут не только схемотехнические.

[One]

Необходимо измерить степень рассеяния света некоторой поверхностью. С этой целью освещаю её лазером видимого диапазона, с импульсной модуляцией частотой 6,4 кГц (для удобства усреднения).
Проблема в фоновой засветке ...

я все ждал, будет ли задан вопрос об " импульсной модуляции светового потока от лазера" ....
что это за модуляция и какие ее параметры отражены в характеристиках излучаемого светового потока ?
ИМХО - плясать надо от этой печки (весьма интересны также и другие характеристики и условия вашего эксперимента, вопрос о которых задан автором предыдущего поста)

[_artem_]

К вопросу о предусилителе. Тут необходимо тщательно обдумать проблему зашкаливания от постороннего света (или почти зашкаливания), что будет очень неприятно. Поэтому я так настойчиво и предлагаю компенсацию на входе ДО усилителей. Вы, к сожалению, (или это моя невнимательность?) не описали подробно, где излучатель, где приемник, какая расходимость луча, какая оптика, где все это стоит, и, наконец, что это вообще такое и зачем....
А это бы, возможно, помогло.
Ведь проблемы тут не только схемотехнические.

Ключуйте резисторы в обратной связи трансимпеданса в зависимости от замеров на его выходе

[Herz]

К вопросу о предусилителе. Тут необходимо тщательно обдумать проблему зашкаливания от постороннего света (или почти зашкаливания), что будет очень неприятно. Поэтому я так настойчиво и предлагаю компенсацию на входе ДО усилителей. Вы, к сожалению, (или это моя невнимательность?) не описали подробно, где излучатель, где приемник, какая расходимость луча, какая оптика, где все это стоит, и, наконец, что это вообще такое и зачем....
А это бы, возможно, помогло.
Ведь проблемы тут не только схемотехнические.

Поверьте, я не напускаю туману специально сверх необходимого.
Просто это не моя прихоть...
Конечно, я отдаю себе отчёт в том, что проблемы тут не только схемотехнические и с влиянием внешней засветки стараюсь бороться, по мере возможности, и конструктивно. Более того, с этого начиналась разработка. Обсуждать здесь оптику не вижу большого смысла, тем более, что это - не совсем мой профиль и изменить что-то кардинально в оптической системе мне не по силам. По крайней мере, пока.
Само собой, мысль о компенсации - первое, что пришло в голову. Мне кажется, я посвятил ей достаточно много сил и времени. Вот кое-какие выводы. Компенсация ДО усилителей - вообще, ИМХО, нереальна. Нельзя же подавить свет "противосветом". Если бы речь шла только о постоянной засветке (солнечной), можно было бы скомпенсировать фототок, ею вызванный, ДО усилителя. Даже автоподстройку в этом случае сделать элементарно. Но наводка от ламп - серьёзная проблема. Это даже не синус, чтобы выделить его и подать в противофазе компенсирующий. Кроме того, если даже предварительная компенсация пройдёт успешно, нет гарантии, что в процессе измерений не будет включено постороннее освещение (скажем, люминисцентная лампа, включенная ещё и на другую фазу сети).
Ещё деталь: оптика включает в себя объектив, в фокусной плоскости которого находится ФД. (Поэтому применение второго, "компенсационного" фотосенсора затруднительно. Даже будучи поставлен рядом, вряд ли он даст какую-то пользу. Вынести же его за пределы объектива и направить в сторону - мало толку, слишком "неравные" условия).
Поэтому разумными действиями кажутся лишь применение полосового оптического фильтра на требуюмую длину волны (лазеры, к счастью, узкополосны) и применение вместо обычного ФД в качестве сенсора RGB-сборки, где два других канала использовались бы для дифференциации.

Необходимо измерить степень рассеяния света некоторой поверхностью. С этой целью освещаю её лазером видимого диапазона, с импульсной модуляцией частотой 6,4 кГц (для удобства усреднения).
Проблема в фоновой засветке ...

я все ждал, будет ли задан вопрос об " импульсной модуляции светового потока от лазера" ....
что это за модуляция и какие ее параметры отражены в характеристиках излучаемого светового потока ?
ИМХО - плясать надо от этой печки (весьма интересны также и другие характеристики и условия вашего эксперимента, вопрос о которых задан автором предыдущего поста)

Модуляция просто примитивная - включено/выключено. Модулировать излучаемую лазером мощность возможно лишь скважностью, т.е ШИМом, например. Но контролировать её всё равно приходится, КПД лазера - величина весьма непостоянная.

[One]

... проблемы тут не только схемотехнические и с влиянием внешней засветки стараюсь бороться, по мере возможности, и конструктивно. ..
Обсуждать здесь оптику не вижу большого смысла ...
разумными действиями кажутся лишь применение полосового оптического фильтра на требуюмую длину волны

....Модуляция просто примитивная - включено/выключено. Модулировать излучаемую лазером мощность возможно лишь скважностью, т.е ШИМом, например. Но контролировать её всё равно приходится, КПД лазера - величина весьма непостоянная.

может я где-то не врубаюсь, но почему бы вам не попробовать применить (а там, где облучателем лазер - так это первое, что само просится) поляризационные фильтры ?
согласованное их применение в облучателе и приемнике на порядки уменьшит влияние фоновой засветки...
второй путь - поскольку сигнал просто 100% амплитудно модулированный (а я уж было засомневался, может вы действительно что-то новое, доселе неизвестное широкому кругу применили ) - поставьте полосовой фильтр на эту частоту и обрабатывайте пропорциональный интенсивности отраженного спектра сигнал только в этой полосе (для обработки сигнала можно и синхронное детектирование применить) ...
и третье - вы уже сами отметили - полосовой оптический фильтр на нужную длину волны ...

но, все-таки, первое и третье даст самый большой эффект в улучшении шумовых характеристик вашей системы

[DS]

Усиление полезного сигнала должно происходить в ТИ усилителе. Можно после него еще каскад с небольшим усилением добавить. Дальше все только должно быть направлено на подвление внеполосных сигналов. Усилитель-ФНЧ перед АЦп вполне может иметь коэжффициент 10 -20.

Может будет полезно - голографические фильтры у Кaizerа уменьшаются в стиоимости по площади. Мы покупали по 400 с диаметром 25 мм, который на на фиг был не нужем. Тут выяснилось, что 10 мм можно заказать по 100. 3 мм, наверное по 10 Вам в количестве 1 штука не сделают, но если Вы разарабатываете серийный прибор, наверное 100 штук 3 -5 мм по сходной цене пройдет.

[Herz]

Усиление полезного сигнала должно происходить в ТИ усилителе. Можно после него еще каскад с небольшим усилением добавить. Дальше все только должно быть направлено на подвление внеполосных сигналов. Усилитель-ФНЧ перед АЦп вполне может иметь коэжффициент 10 -20.

Позволю себе усомниться в достаточности. Ведь всё усиление ДО подавления внеполосных сигналов во-первых, не повысит соотношение сигнал/шум, во-вторых, не может быть достаточным из-за сужения динамического диапазона величиной помехи. Это то, с чего начиналось обсуждение. Грубо: если соотношение фона к сигналу 15мка/15на, то, усилить эту смесь в ТИ, скажем, до 6В нужен К=400 ком. Полезный же сигнал перед подачей на АЦП требуется усилить примерно до 3В, а это К=200 Мом. Следовательно, нужно ещё усиление выделенного, полезного сигнала в 500 раз. (сравните с 10-20 для ФНЧ. Кроме того, может я заблуждаюсь, но чем выше усиление фильтра, тем точнее требуется подбор его компонентов, нет?).
Так что, основное усиление, ИМХО, должно быть именно после синхронного детектирования и интегрирования. Конечно, прикидка без учёта оптических фильтров, но насколько они улучшат сигнал/шум? Неужели на 40 дБ - реально?
По поводу поляризационных фильтров. Экспериментиы проводились. Может, фильтры были - не супер, но пользы от них заметить не удалось. Скорее всего, дело в том, что поверхность - некая мелкодисперсная структура, вращающая вектор поляризации практически во всех направлениях.
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.
Для подавления этого эффекта был применен очень простой
прием. Один из входов микросхемы АЦП был соединен с «землей».
«Системная калибровка» измерителя трактует такое соединение как очень
большое «смещение нуля», которое, тем не менее, удается компенсировать.
Таким образом, эта зона (шириной несколько милливольт) смещается за
границы рабочего диапазона.

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

[DS]

Я имел в виду нечто другое. Усиливать сигнал до полного размаха перед АЦП вряд ли целесообразно - кроме шумов там все равно ничего не будет. Перед "знакоменятелем" разогнать до 6 вольт - идея правильная. После него надо усилить раз в 20 - 25 прямо в ФНЧ и на АЦП подать. Вам же значащих разрядов надо вытянуть 12, а В АЦП их аж 24. При 15 на и 300 Ком у Вас будет полезный сигнал перед входом АЦП порядка 0.1 Вольта. Этого вполне достаточно. Я бы переключил АЦП в режим, когда у него входной размах около 0.5 вольт, чтобы можно было о смещении нуля не очень беспокоиться.

Про такие шутки в АЦП я не слышал никогда. Если это "особенность" данного АЦП, то им просто нельзя пользоваться. Хотя скорее всего, это какие-то глюки входной цепи АЦП у данного товарища.

Я использую AD7738/39 примерно для таких же целей и вполне доволен. Присмотритесь и к ним.

[Herz]

Я использую AD7738/39 примерно для таких же целей и вполне доволен. Присмотритесь и к ним.

Мне ведь многоканальный ни к чему. А что Вы скажете насчёт АD7791?

[Rst7]

Компенсация ДО усилителей - вообще, ИМХО, нереальна. Нельзя же подавить свет "противосветом". Если бы речь шла только о постоянной засветке (солнечной), можно было бы скомпенсировать фототок, ею вызванный, ДО усилителя. Даже автоподстройку в этом случае сделать элементарно. Но наводка от ламп - серьёзная проблема. Это даже не синус, чтобы выделить его и подать в противофазе компенсирующий. Кроме того, если даже предварительная компенсация пройдёт успешно, нет гарантии, что в процессе измерений не будет включено постороннее освещение (скажем, люминисцентная лампа, включенная ещё и на другую фазу сети).

Про "противосвет" в "Микрофотоэлектронике" на рис 4.22 полезная схемка. Если воспользоваться ею и сделать частоту среза фильтра НАФ, скажем 200Гц, а работать на частоте 20кГц, то такая схемка в 100 раз снизит паразит от ламп на выходе трансимпеданса, т.е. можно не опасаться насыщения входного каскада. Остатки отлично додавятся синхронным детектором.

[Herz]

Про "противосвет" в "Микрофотоэлектронике" на рис 4.22 полезная схемка.

Это где, простите? Дайте ссылочку, пожалуйста.

[DS]

Я использую AD7738/39 примерно для таких же целей и вполне доволен. Присмотритесь и к ним.

Мне ведь многоканальный ни к чему. А что Вы скажете насчёт АD7791?

Лишние каналы просто присоединяются к ref. 773X имеют лучшие характеристики при частоте сэмплирования >100 Гц, которая Вам и нужна.

[Tanya]

[quote name='Herz' date='May 27 2006, 23:37' post='117791']
]
Поверьте, я не напускаю туману специально сверх необходимого.
Просто это не моя прихоть...
Конечно, я отдаю себе отчёт в том, что проблемы тут не только схемотехнические и с влиянием внешней засветки стараюсь бороться, по мере возможности, и конструктивно. Более того, с этого начиналась разработка. Обсуждать здесь оптику не вижу большого смысла, тем более, что это - не совсем мой профиль и изменить что-то кардинально в оптической системе мне не по силам. По крайней мере, пока.
Само собой, мысль о компенсации - первое, что пришло в голову. Мне кажется, я посвятил ей достаточно много сил и времени. Вот кое-какие выводы. Компенсация ДО усилителей - вообще, ИМХО, нереальна. Нельзя же подавить свет "противосветом". Если бы речь шла только о постоянной засветке (солнечной), можно было бы скомпенсировать фототок, ею вызванный, ДО усилителя. Даже автоподстройку в этом случае сделать элементарно. Но наводка от ламп - серьёзная проблема. Это даже не синус, чтобы выделить его и подать в противофазе компенсирующий. Кроме того, если даже предварительная компенсация пройдёт успешно, нет гарантии, что в процессе измерений не будет включено постороннее освещение (скажем, люминисцентная лампа, включенная ещё и на другую фазу сети).
Ещё деталь: оптика включает в себя объектив, в фокусной плоскости которого находится ФД. (Поэтому применение второго, "компенсационного" фотосенсора затруднительно. Даже будучи поставлен рядом, вряд ли он даст какую-то пользу. Вынести же его за пределы объектива и направить в сторону - мало толку, слишком "неравные" условия).
Поэтому разумными действиями кажутся лишь применение полосового оптического фильтра на требуюмую длину волны (лазеры, к счастью, узкополосны) и применение вместо обычного ФД в качестве сенсора RGB-сборки, где два других канала использовались бы для дифференциации.
[quote name='One' post='117774' date='May 27 2006, 19:54']
[quote name='Herz' post='116466' date='May 24 2006, 14:16']
Необходимо измерить степень рассеяния света некоторой поверхностью. С этой целью освещаю её лазером видимого диапазона, с импульсной модуляцией частотой 6,4 кГц (для удобства усреднения).
Проблема в фоновой засветке ...

А может Вам лучше поставить импульсную лампу - типа фотовспышки, которая с оптикой забьет Ваш фон?
Ведь если фон - N фотонов в приемнике, а n - число полезных фотонов, то корень из N будет раз в 30 больше n (по Вашим данным). И это идеальный случай постоянной засветки. Отсюда ясно, что требования к линейности всего усилительного тракта весьма суровые. А также требования к стабильности временных интервалов в синхронном детекторе получаются порядка десятков ppm.

[Rst7]

Про "противосвет" в "Микрофотоэлектронике" на рис 4.22 полезная схемка.

Это где, простите? Дайте ссылочку, пожалуйста.

Это книжка, которую вам предлагали стащить с ftp. Для этого станьте "Своим" (ветка "Доступ в свои").


ЗЫ К сожалению, на мыло переслать не могу.

[Stanislav]

2 Herz
Простите за перерыв - времени маловато. И за то, что ещё раз придется забежать назад и поговорить о принципах.
Начать предлагаю вот с какого вопроса. Дело в том, что обеспечить максимально возможное соотношение сигнал/шум можно, как ни банально это звучит, только при максимально возможном отношении мощности зондирующего сигнала к мощности помехи в момент измерения. Для обеспечения такого соотношения предлагаю использовать излучающие приборы с максимально возможным отношением допустимой пиковой мощности к средней. Модуляцию следует производить короткими импульсами максимально возможной интенсивности и большой скважности, чтобы не превысить макс. рассеиваемую мощность прибора в таком режиме.
Иными словами, если лазер средней непрерывной мощностью, допустим, в 10 мВт, позволяет получить в импульсе 100мВт, пусть даже и при скважности не 10, а 20, его нужно использовать именно в таком режиме. Подавая на лазер меандр (скважность 2) с мощностью в импульсе 20мВт, в общем случае, получим гораздо худшее соотношение мощности сигнала и шума в момент действия импульса.
Если есть вопросы по существу этого предложения - буду рад ответить.

Второй момент: как воспользоваться достигнутым, хоть и максимально возможным для имеющегося излучателя, но очень кратковременным отношением С/Ш?
Ответ - с помощью синхронного детектора, обеспечиваюшего пропускание входного сигнала только в момент действия импульса (сейчас я опускаю существенные вещи, касающиеся вопросов построения предусилителя). Насколько я понял, возможность синхронизации приёмника и передатчика всё же имеется, что избавляет от необходимости применения несинхронного квадратурного детектора или ФАП.
Синхронный детектор может быть реализован на недорогом современном быстродействующем электронном аналоговом ключе (простите за обилие эпитетов ). Стробом ключа может являться модулирующий сигнал лазера, с компенсацией задержки в тракте передачи-приёма, которую несложно реализовать на достаточно шустром МК (подойдёт даже AVR).
Надо сказать, что эквивалент синхронного детектора может быть реализован и непосредственно на аналого-цифровом преобразователе с синхронным захватом сигнала.
Предлагаю обсудить высказанные положения и пойти дальше в способах построения оптимальной (то есть, теоретически наилучшей) в смысле отношения сигнал/помеха системы для решения Вашей задачи.

2 Tanya
Вы снова совершенно правы. В части компенсации я также советовал познакомиться с приёмниками сигнала ДУ, где она имеется. Однако, компенсация фона и медленных изменений сигнала способствует только смягчению требований к динамическому диапазону тракта приёма, не решая задачу в принципе.
Насчёт лампы-вспышки - суть правильна, только не знаю, приемлемо ли такое решение для автора темы. Кроме того, с узкополосной системой передачи-приёма, возможно получение решения без использования таких экстремальных методов и энергий.

[DS]

Stanislav, в ветке про opa380 я предлагал уже Herz использовать импульсный лазер. Там не то что 100 мвт, а 100 Ватт можно получить. Но у него, оказывается ограничение в ТЗ по пиковой мощности.

[Stanislav]

Stanislav, в ветке про opa380 я предлагал уже Herz использовать импульсный лазер. Там не то что 100 мвт, а 100 Ватт можно получить. Но у него, оказывается ограничение в ТЗ по пиковой мощности.

Простите, я эту ветку недостаточно изучил (мало времени), щас почитаю внимательно. Вопрос, однако, принципиален: нужно использовать максимально допустимую/разрешённую по ТЗ пиковую мощность. Забегая вперёд, скажу, что для реальной модели помех частота следования импульсов (а, следовательно, и средняя мощность) не будут играть очень уж большой роли, при условии, что мощность шумов измерителя мала по сравнению с мощностью помехи (а это, похоже, выполняется).

PS. Ага, нашёл, простите ещё раз. Этот подход действительно был высказан Вами ранее (правда, не очень акцентированно, с некоторыми непонятными предложениями по части оцифровки, а положение об ограничении полосы ТИ усилителя - просто неверно). Тем более, укрепляюсь в принципиальной правильности предложенного метода (не сочтите за плагиат, пожалуйста).

[One]

да и о необходимости синхронного детектирования я тоже ранее уже говорил ....

[Herz]

2 Herz
Предлагаю обсудить высказанные положения и пойти дальше в способах построения оптимальной (то есть, теоретически наилучшей) в смысле отношения сигнал/помеха системы для решения Вашей задачи.

Буду очень признателен за участие.
Пока же, то, что Вы пишете о сигнал/шум и синхронном детектировании совершенно понятно (даже для меня и это радует).
Эти принципы я использовал в своём первом приборе. С/Ш там , правда, был несколько иным, 1/1 ~ 1/10.
Аналоговая часть состояла из ПУ на ОРА350, за ним - 2 Sample/Hold (2хОРА615), затем дифусилитель (INA118, кажется) и оконечный усилитель на ОРА350 (как оказалось, можно было обойтись). Синхронно с модуляцией лазера (с учётом задержки в тракте, она формировалась МК, большой точности не требовалось) производилась фиксация уровней сигнала в наличии/отсутствии импульса. Разность усиливалась и оцифровывалась АЦП МК. Сэмплов делалось 128 за период 20 мс (отсюда и частота 6,4 кГц), затем усреднялось... Впрочем, об этом я уже рассказывал, тот же подход собирался применить и в этот раз. Теперь (спасибо собеседникам ) прихожу к выводу, что оцифровывать каждый импульс сравнительно быстродействующим АЦП нет смысла, тем более задача "медленная" и время есть. Следовательно, напрашивается аппаратное интегрирование, Дельта-Сигма АЦП и т.д. В этом есть свои преимущества.

П.С. Альтернативные источники света пока обсуждать не хотелось бы, но за подсказки спасибо.

Сообщение отредактировал Herz - May 30 2006, 05:34

[MosAic]

Рекомендую для ознакомления статью "Нижний предел измерения средней мощности оптического излучения инфракрасного диапазона" из журнала "Фотонэкспресс".

2Herz
Пришлите адрес в личку - перешлю "Микрофотоэлектронику" (3,5 MB)
Как у Вас с английским? Есть еще пара книжек "на ихнем".

[Stanislav]

...Впрочем, об этом я уже рассказывал, тот же подход собирался применить и в этот раз. Теперь (спасибо собеседникам ) прихожу к выводу, что оцифровывать каждый импульс сравнительно быстродействующим АЦП нет смысла, тем более задача "медленная" и время есть. Следовательно, напрашивается аппаратное интегрирование, Дельта-Сигма АЦП и т.д. В этом есть свои преимущества.

Правильно собирались. Попытка реализации системы без синхронного детектора, или синхронного с сигналом захвата данных АЦП приведёт к существенному ухудшению С/Ш. "На пальцах" это можно пояснить так: любой аналоговый фильтр имеет "память", при воздействии помехи в отсутствие сигнала фильтр "заряжается", а в момент прихода сигнала в нём уже есть некая случайная величина, зависящая большей частью от помехи... СД же позволяет полностью избежать этого.
Хорошо, что метод модуляции лазера короткими импульсами не вызывает сомнений.
Фильтр НЧ в тракте приёма ставить можно и нужно, но только после сэмплера (синхронного детектора). А полосу пропускания предусилителя нужно делать достаточно широкой (зависит от конкретной реализации модулятора, но не меньше, чем ~1/T, T - длительность импульса). И сигма-дельта АЦП использовать нужно тоже в совокупности с СД.
Получить дальнейшее улучшение С/Ш возможно только при наличии модели помехи, определением которой, вообще говоря, нужно заняться в первую очередь. Интересны как временнЫе, так и спектральные характеристики модели.
Выражаясь образно, с полезным сигналом дальше работать нет смысла - всё возможное сделано. Теперь стоит обратить внимание на помеху, и "поработать" именно с ней.
ЗЫ. А какие ограничения по пиковой мощности имеются?

[Herz]

Правильно собирались. Попытка реализации системы без синхронного детектора, или синхронного с сигналом захвата данных АЦП приведёт к существенному ухудшению С/Ш. "На пальцах" это можно пояснить так: любой аналоговый фильтр имеет "память", при воздействии помехи в отсутствие сигнала фильтр "заряжается", а в момент прихода сигнала в нём уже есть некая случайная величина, зависящая большей частью от помехи... СД же позволяет полностью избежать этого.
Хорошо, что метод модуляции лазера короткими импульсами не вызывает сомнений.

Э... Хотелось бы убедиться, что мы с Вами правильно друг друга понимаем. Поэтому ещё раз:
-система без синхронного детектра даже не предполагалась. Тот первый вариант, который я описал, тоже рассматриваю, как разновидность синхронного детектирования.
-первоначально система не имела интегратора (ФНЧ), так что никакого "накопления помехи" не происходило. Запоминалиь лишь мгновенные значения напряжений: УВХ1 - фона+сигнала; УВХ2 - фона. Импульсы были действительно короткими (несколько мкс, определяемое временем установления УВХ), Hold УВХ2 - непосредственно перед включением лазера, т.е. относительно 50 Гц наводки временная дельта между Hold-ми небольшая. Дальше - усиление разности значений. Так было.
- теперь, поскольку принято решение измерять усреднённое значение амплитуды импульсов, применить синхронное детектирование и интегрирование "в железе", становится актуальным то, о чём Вы говорите. Для снижения требований к полосе представляется разумным сделать импульсы модуляции меандром, а не короткими и поручить их формирование уже не МК, а внешнему генератору.
(раньше это были пачки импульсов, только во время замеров, теперь пусть идут непрерывно, меньше переходных процессов). Синхронизировать будет, пожалуй, даже проще - это не отнимет ресурсов у МК и не будет зависеть от его быстродействия.

Ограничения по пиковой (как и постоянной) мощности пока не позволяют применять лазеры мощнее 10 мВт. Надеюсь, в будущем эти рамки удастся расширить.

Рекомендую для ознакомления статью "Нижний предел измерения средней мощности оптического излучения инфракрасного диапазона" из журнала "Фотонэкспресс".

2Herz
Пришлите адрес в личку - перешлю "Микрофотоэлектронику" (3,5 MB)
Как у Вас с английским? Есть еще пара книжек "на ихнем".

Спасибо. С английским - так себе. Попробую пока обойтись этими.

Сообщение отредактировал Herz - May 30 2006, 08:10

[DS]

Stanislav, в ветке про opa380 я предлагал уже Herz использовать импульсный лазер. Там не то что 100 мвт, а 100 Ватт можно получить. Но у него, оказывается ограничение в ТЗ по пиковой мощности.

Простите, я эту ветку недостаточно изучил (мало времени), щас почитаю внимательно. Вопрос, однако, принципиален: нужно использовать максимально допустимую/разрешённую по ТЗ пиковую мощность. Забегая вперёд, скажу, что для реальной модели помех частота следования импульсов (а, следовательно, и средняя мощность) не будут играть очень уж большой роли, при условии, что мощность шумов измерителя мала по сравнению с мощностью помехи (а это, похоже, выполняется).

PS. Ага, нашёл, простите ещё раз. Этот подход действительно был высказан Вами ранее (правда, не очень акцентированно, с некоторыми непонятными предложениями по части оцифровки, а положение об ограничении полосы ТИ усилителя - просто неверно). Тем более, укрепляюсь в принципиальной правильности предложенного метода (не сочтите за плагиат, пожалуйста).

Да я просто напомнил, мне авторства не жалко. Полоса ТИ усилителя важна, если вместо полноценного синхронного детектора используется умножение на знак (коммутатор). В этом случае пропускаются нечетные гармоники основной частоты(с коэффициентами 1/3, 1/5 и т.д.), поэтому неплохо подрезать полосу так, чтобы на частоте F*3 уже мало чего оставалось.

[Herz]

Рекомендую для ознакомления статью "Нижний предел измерения средней мощности оптического излучения инфракрасного диапазона" из журнала "Фотонэкспресс".

Ознакомился. Что-то не пойму. Похоже, она впопыхах списывалась не вполне проснувшимся студентом-двоечником с некачественной шпаргалки.

Не сочтите за неблагодарность!

[Tanya]

2 Herz
Простите за перерыв - времени маловато. И за то, что ещё раз придется забежать назад и поговорить о принципах.
Начать предлагаю вот с какого вопроса. Дело в том, что обеспечить максимально возможное соотношение сигнал/шум можно, как ни банально это звучит, только при максимально возможном отношении мощности зондирующего сигнала к мощности помехи в момент измерения. Для обеспечения такого соотношения предлагаю использовать излучающие приборы с максимально возможным отношением допустимой пиковой мощности к средней. Модуляцию следует производить короткими импульсами максимально возможной интенсивности и большой скважности, чтобы не превысить макс. рассеиваемую мощность прибора в таком режиме.
Иными словами, если лазер средней непрерывной мощностью, допустим, в 10 мВт, позволяет получить в импульсе 100мВт, пусть даже и при скважности не 10, а 20, его нужно использовать именно в таком режиме. Подавая на лазер меандр (скважность 2) с мощностью в импульсе 20мВт, в общем случае, получим гораздо худшее соотношение мощности сигнала и шума в момент действия импульса.
Если есть вопросы по существу этого предложения - буду рад ответить.

Второй момент: как воспользоваться достигнутым, хоть и максимально возможным для имеющегося излучателя, но очень кратковременным отношением С/Ш?
Ответ - с помощью синхронного детектора, обеспечиваюшего пропускание входного сигнала только в момент действия импульса (сейчас я опускаю существенные вещи, касающиеся вопросов построения предусилителя). Насколько я понял, возможность синхронизации приёмника и передатчика всё же имеется, что избавляет от необходимости применения несинхронного квадратурного детектора или ФАП.
Синхронный детектор может быть реализован на недорогом современном быстродействующем электронном аналоговом ключе (простите за обилие эпитетов ). Стробом ключа может являться модулирующий сигнал лазера, с компенсацией задержки в тракте передачи-приёма, которую несложно реализовать на достаточно шустром МК (подойдёт даже AVR).
Надо сказать, что эквивалент синхронного детектора может быть реализован и непосредственно на аналого-цифровом преобразователе с синхронным захватом сигнала.
Предлагаю обсудить высказанные положения и пойти дальше в способах построения оптимальной (то есть, теоретически наилучшей) в смысле отношения сигнал/помеха системы для решения Вашей задачи.

2 Tanya
Вы снова совершенно правы. В части компенсации я также советовал познакомиться с приёмниками сигнала ДУ, где она имеется. Однако, компенсация фона и медленных изменений сигнала способствует только смягчению требований к динамическому диапазону тракта приёма, не решая задачу в принципе.
Насчёт лампы-вспышки - суть правильна, только не знаю, приемлемо ли такое решение для автора темы. Кроме того, с узкополосной системой передачи-приёма, возможно получение решения без использования таких экстремальных методов и энергий.

Да и Вы правы - Вы пишите то же самое, только другими словами... И я знаю этому причину..
Предлагаю либо объединиться под ником Станя или не писать в одну ветку....
Похоже автор темы разрабатывает что то из области охранных устройств, поэтому толком не объясняет, что к чему.
В далекие голодные времена было нечто подобное придумано - многоканальная адаптивная оптическая система обнаружения изменений отражения в охраняемом помещении. Чисто аналоговая. Так получилось только со вспышкой. Но все это уже давно забыто. Помнится только, что было некоторое адаптивное суммирование со знаком и с делением на опорный сигнал.

[Stanislav]

Да и Вы правы - Вы пишите то же самое, только другими словами... И я знаю этому причину..
Предлагаю либо объединиться под ником Станя или не писать в одну ветку...

За что же, не боясь греха... и т.д. ©
Страдая определённым тугодумием, нахожу многие посты весьма сумбурно, непонятно и противоречиво написанными. Поэтому и переписываю их, соизмеряя со степенью собственного (не)понимания, надеясь, что укажут путь истинный.
Предложения по поводу ника принимается. Считаю, однако, совершенно необходимым согласовывать действия на вербальном уровне.

...Похоже автор темы разрабатывает что то из области охранных устройств, поэтому толком не объясняет, что к чему.
В далекие голодные времена было нечто подобное придумано - многоканальная адаптивная оптическая система обнаружения изменений отражения в охраняемом помещении. Чисто аналоговая. Так получилось только со вспышкой. Но все это уже давно забыто. Помнится только, что было некоторое адаптивное суммирование со знаком и с делением на опорный сигнал.

Я только пытаюсь систематизировать подход к решению задачи с тем, чтобы потом получить приемлемое решение. Пока этого не сделано, обсуждение частностей только во вред.

[Stanislav]

...Полоса ТИ усилителя важна, если вместо полноценного синхронного детектора используется умножение на знак (коммутатор). В этом случае пропускаются нечетные гармоники основной частоты(с коэффициентами 1/3, 1/5 и т.д.), поэтому неплохо подрезать полосу так, чтобы на частоте F*3 уже мало чего оставалось.

Нет, неверно.
Во-первых, непонятно, почему коммутатор делает умножение на знак? По-моему, он делает умножение на 0 или 1.
Во-вторых, почему СД на аналоговом ключе является неполноценным? По-моему, он есть наилучший из возможных для предполагаемой системы, т.к. моменты его включения/выключения можно совместить с моментами появления/пропадания полезного сигнала. Иными словами, данный СД согласован с полезным сигналом.
В-третьих, предлагаю переместиться в спектральную область и рассмотреть распределения энергий спектров короткого зондирующего импульса и одного периода помехи (при условии, что она является таковой). Отношение плотностей мощности будет в общем случае увеличиваться с частотой. "Зарезав" сверху полосу принимаемого сигнала, существенно ухудшим и отношение сигнал/шум.
Вообще-то я предлагаю решать задачу оптимальным (или близким к таковому), то есть, наилучшим из возможных, способом, обеспечивающим на выходе отношение сигнал/помеха, близкое к теоретическому пределу. Все предложенные ранее решения - неоптимальны в этом смысле. Поясню своё имхо.

Для того, чтобы реализовать оптимальную систему приёма-передачи сигнала для данной постановки вопроса, требуется:
1. Получить точную оценку суммы полезного сигнала и помехи, желательно, с наилучшим практически достижимым отношением С/П;
2. Получить точную оценку помехи в момент действия полезного сигнала. Способ, предложенный Вами, субоптимален в этом смысле;
3. Вычесть второе из первого, получив желанный полезный сигнал.
Конечно, нужно при этом учесть собственные шумы аппаратуры, хотя, для данной задачи, они, скорее всего, будут пренебрежимо малы.
Если где ошибся - поправьте, пожалуйста.

Исходя из этого, оптимальная система приёма-передачи видится такой:
1. Передатчик, осуществляющий импульсную засветку объекта наблюдения. Отношение импульсной мощности к максимально допустимой средней должно быть максимально возможным;
2. Аналоговая часть приёмника сигнала - фотодетектор+широкополосный усилитель, возможно, с компенсацией медленно меняющихся значений засветки - эквивалент ФВЧ с некоторыми преимуществами против такового, а также со всеми возможными методами спектральной (в смысле длины волны) и пространственной фильтрации;
3. Синхронный детектор. Для облегчения решения задачи видится двухканальным - один канал производит оценку суммы сигнал+помеха во время действия сигнала, другой - помехи в отсутствие сигнала;
4. ФНЧ. Реализуем с помощью простой RC-цепи и сигма-дельта АЦП с цифровым фильтром;
5. МК, реализующий вычитание сигналов, всяческие коррекции, компенсации и выдачу результатов измерения.
Если есть надёжная модель помехи, достаточно и одного канала приёма. Только это бывает далеко не всегда.
О способах практической реализации каналов приёма постараюсь написать завтра.
Если есть возражения по существу - буду рад выслушать.

2 Herz
Скажите всё же, какова максимально допустимая мощность лазера в импульсе (ессно, при соблюдении средней)? Или ткните носом, где это написано...

[Herz]

Похоже, моё участие в беседе становится ненужным...

2 Herz
Скажите всё же, какова максимально допустимая мощность лазера в импульсе (ессно, при соблюдении средней)? Или ткните носом, где это написано...

Зачем же так...
Это написано в посте №67, а также в №64.

Исходя из этого, оптимальная система приёма-передачи видится такой:
1. Передатчик, осуществляющий импульсную засветку объекта наблюдения. Отношение импульсной мощности к максимально допустимой средней должно быть максимально возможным;

Давайте считать этот пункт выполненным.
Если, всё же, исходных данных недостаточно для поиска оптимального решения, то мне останется лишь извиниться за отнятое время...

[DS]

Давайте считать этот пункт выполненным.
Если, всё же, исходных данных недостаточно для поиска оптимального решения, то мне останется лишь извиниться за отнятое время...

Я думаю, пора Вам набросать схемку аналогового тракта и начать ее обсуждать. Тут уже много всего насоветовали, а решать что делать ведь все равно Вам.

[MosAic]

Рекомендую для ознакомления статью "Нижний предел измерения средней мощности оптического излучения инфракрасного диапазона" из журнала "Фотонэкспресс".

Ознакомился. Что-то не пойму. Похоже, она впопыхах списывалась не вполне проснувшимся студентом-двоечником с некачественной шпаргалки.

Не сочтите за неблагодарность!

Ну за что же Вы их так? Это же популярная статейка. Полезная информация в том, что ЛФД не улучшит результат (подсчет фотонов не подходит из-за фоновой засветки). Да и сравнить полученный результат с их оценками будет интересно. Моделировать будете предварительно? В чем?

[Stanislav]

Похоже, моё участие в беседе становится ненужным...

2 Herz
Скажите всё же, какова максимально допустимая мощность лазера в импульсе (ессно, при соблюдении средней)? Или ткните носом, где это написано...

Зачем же так...
Это написано в посте №67, а также в №64.

Исходя из этого, оптимальная система приёма-передачи видится такой:
1. Передатчик, осуществляющий импульсную засветку объекта наблюдения. Отношение импульсной мощности к максимально допустимой средней должно быть максимально возможным;

Давайте считать этот пункт выполненным.
Если, всё же, исходных данных недостаточно для поиска оптимального решения, то мне останется лишь извиниться за отнятое время...

Не обижайтесь, пожалуйста, просто было непонятно.
Итак, импульсная мощность равна 10 мВт. В качестве модулирующего сигнала предлагается меандр. Тогда средняя мощность будет 5 мВт, ну да ладно.
Дело в том, что Вам, как мне показалось, дают весьма поспешные советы, следуя которым, просто потеряете время, не добившись требуемого результата. А ещё задача интересна и для меня лично.
Например, я считаю систему, предложенную DS и Tanya, не только неоптимальной, но и неприменимой к данной задаче, т.к. она не позволит получить Вам необходимой точности.

2 DS.
Вам так же не мешало бы привести схему измерителя, хотя бы на уровне блоков. Например, мне понятно, почему интегратор, пусть даже c большим спротивлением в параллель кондёру, практически неприменим. Однако, почему Вы считаете, что

...Естественно, интегратор надо с шунтирующим резистором, а еще лучше фильтр второго порядка на одном ОУ. Тогда небольшая неидеальность меандра приведет просто к постоянному смещению. Что не страшно...

?
По-моему, здесь явная ошибка. Смещение будет не аддитивным, а мультипликативным по отношению к засветке, то есть меняться пропорционально ей. И зависеть не только от несимметричности меандра, но и от других факторов. Скажите, каким образом Вы собираетесь его оценивать после вычитания? При таком соотношении С/П ни 12, ни 10, ни даже 8 бит точности практически получить будет нельзя.

Попытаюсь предложить более хорошую, на мой взгляд, систему. Вот блок - схема:



Простите, пояснения дам позже.

Вот, поясню. На блок-схеме: ФД - фотодетектор, УП - усилитель-преобразователь, СД1 - синхр. детектор канала суммы сигнал+помеха, СД2 - синхр. детектор помехи в отсутствие сигнала, ФНЧ1, ФНЧ2, АЦП1 и АЦП2 - фильтры и сигма-дельта А/Ц преобразователи соотв. каналов, МК - микроконтроллер.
Канал 1 работает синхронно с включением-выключением излучателя, с учётом временнОй задержки, канал 2 выделяет "чистый" сигнал помехи. Для исключения пролезания "хвостов" каналов друг в друга, следует между активными фазами стробирующих сигналов предусмотреть защитные интервалы.
Каналы А/Ц преобразования должны быть идентичными по структуре и АЧХ фильтров, захват входного сигнала - одновременным. Это условие легко удовлетворяется.
Таким образом, на выходах АЦП формируется вся необходимая информация для оптимального оценивания сигнала, а именно: профильтрованные значения суммы сигнала и помехи и только помехи. Остаётся их вычесть на МК, с учётом возможных фазовых различий и усреднить в течении достаточно продолжительного интервала времени...

[DS]

Stanislav, Вы как-то жестко на всех наезжаете, при этом схему предложили, прямо скажем, странную.

У меня сложилось впечатление, что Вы под "синхронным детектором" понимаете что-то не то. "Классический" синхронный детектор подразумевает умножение сигнала на синусоиду опорного сигнала. В упрощенной версии происходит умножение на знак опорного сигнала. При этом появляется побочные полосы пропускания на нечетных гармониках. Никогда не слышал, чтобы в синхронном детекторе множили на 0 и 1.

В предложенной Вами схеме второй канал даст тот же сигнал, что и первый, но с другим знаком. Никаких дополнительных преимуществ по сравнению с одноканальной схемой ТИ- СД - ФНЧ - АЦП нет.

[Stanislav]

Stanislav, Вы как-то жестко на всех наезжаете, при этом схему предложили, прямо скажем, странную.

Простите, если всё написанное мной показалось "наездом", этого и в мыслях не было. Я только пытаюсь указать на ошибки в предлагаемых методах. Если Вы считаете, что я не прав, возразите по существу, пожалуйста.

...У меня сложилось впечатление, что Вы под "синхронным детектором" понимаете что-то не то. "Классический" синхронный детектор подразумевает умножение сигнала на синусоиду опорного сигнала. В упрощенной версии происходит умножение на знак опорного сигнала. При этом появляется побочные полосы пропускания на нечетных гармониках. Никогда не слышал, чтобы в синхронном детекторе множили на 0 и 1.

Простите, но определение СД всё же гораздо шире. Кроме того, в Вашем посте речь шла не о СД, а о коммутаторе. Для рассматриваемого сигнала прямоугольной формы, наилучшим из всех возможных будет именно СД на аналоговом ключе, с к-том пропускания 0 и 1. Входной НЧ фильтр способен сильно ухудшить отношение С/Ш на выходе такого детектора по причинам, о которых я писал выше.

...В предложенной Вами схеме второй канал даст тот же сигнал, что и первый, но с другим знаком. Никаких дополнительных преимуществ по сравнению с одноканальной схемой ТИ- СД - ФНЧ - АЦП нет.

Нет, это не так. Выше я дал пояснения к схеме, можно убедится в этом.

[DS]

Я грешным делом считал, что включение - выключение сигнала с интегрированием называется time-gating detection, в отличие от lock-in detection. Ну да у нас в стране своя наука.
Синхронный детектор с умножением на +1 и -1 делается как раз на коммутаторе (в смысле аналоговом ключе).
Если скважность полезного сигнала =1, то Ваша схема вырождается (после вычитания в МК сигнала с верхнего канала из нижнего) в обычный СД, только с кучей лишних деталей. Применять time-gating имеет смысл, если в момент импульса сигнал/фон >>1, а у Herz - 10е-3.

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

[Stanislav]

Я грешным делом считал, что включение - выключение сигнала с интегрированием называется time-gating detection, в отличие от lock-in detection. Ну да у нас в стране своя наука.
Синхронный детектор с умножением на +1 и -1 делается как раз на коммутаторе (в смысле аналоговом ключе).

Хорошо, не спорю Это лишь вопрос терминологии. Непонятно только, зачем применять знакопеременный СД для знакопостоянного сигнала...

...Если скважность полезного сигнала =1, то Ваша схема вырождается (после вычитания в МК сигнала с верхнего канала из нижнего) в обычный СД, только с кучей лишних деталей.

Простите, но если скважность полезного сигнала =1, синхронный детектор не нужен, так, как действительно будет представлять собой кучу ненужных деталей...
Я уже писал о том, что способ, предложенный Вами, не следует применять практически, и не только из-за принципиальной невозможности гарантировать скважность, равную 2, но также и из-за других факторов. Постараюсь пояснить на примере.
Допустим, Вы обеспечиваете отношение Ку прямого и инверсного каналов с точностью 0,1%. Не так уж плохо, с одной стороны. Предположим также, что система подсвечивается, для простоты, постоянным световым потоком с отношением к полезному сигналу, как 1000:1, а скважность импульсов точно равна 2, и ключи идеальны. В Вашей системе появится смещение, равное по величине самомУ полезному сигналу, и я не вижу способа, как Вы сможете его оценить и устранить.
Не хотелось бы писать очень уж много, но с ходу могу предложить ещё два-три фактора, делающим точные измерения в Вашей системе принципиально невозможными.

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.

[DS]

Ну так докажите. Ваша схема страдает абсолютно теми же недостатками, как и та, которую я предложил. -
если характеристики каналов неидентичны, Вы также не сможете отличить изменение сигнала от изменения фона.

Постоянная составляющая перед СД убирается конденсатором. А лучше полосовым фильтром, который уменьшает суммарную мощность сигнала и снижает требования к идентичности усиления.

То, что Вы предлагаете можно реализовать и квадратурном СД, тогда его ортогональный канал будет содержать только сигнал фона, по которому можно оценить коэффициент прохождения фонового сигнала через СД. На практике гораздо эффективнее просто не включать лазер раз в N и корректировать 0.

[Stanislav]

Ну так докажите. Ваша схема страдает абсолютно теми же недостатками, как и та, которую я предложил. -
если характеристики каналов неидентичны, Вы также не сможете отличить изменение сигнала от изменения фона.

Нет, смогу. Предварительно откалибровав систему, теоретически с неограниченной точностью. Для этого система должна поработать без включения излучателя. При этом я получу не только амплитудные, но и фазовые относительные характеристики каналов, для более точной компенсации.
В системе, предложенной Вами, по-моему, подобная калибровка принципиально невозможна.

...Постоянная составляющая перед СД убирается конденсатором. А лучше полосовым фильтром, который уменьшает суммарную мощность сигнала и снижает требования к идентичности усиления...

Про конденсатор - понятно, я привёл лишь простейший пример. Который можно обобщить и на случай помех с большой переменной составляющей, от этого суть не изменится.
А вот ограничение полосы сверху, как я также писал, сильно ухудшит точностные характеристики системы, поэтому, ПФ с приведённой Вами ранее верхней частотой среза, применять крайне нежелательно.

...То, что Вы предлагаете можно реализовать и квадратурном СД, тогда его ортогональный канал будет содержать только сигнал фона, по которому можно оценить коэффициент прохождения фонового сигнала через СД. На практике гораздо эффективнее просто не включать лазер раз в N и корректировать 0.

Не совсем понятно. Если не трудно, приведите и Вы хотя бы блок-схему предполагаемого устройства.

Сообщение отредактировал Stanislav - Jun 1 2006, 19:34

[DS]

Калиброки сделать точнее 0.1% во всем частотном диапазоне не так то просто.

Я предлагаю сделать схему, идеологически идентичную обычному гетеродинному приемнику. Ведь наша задача - выделить гармонический узкополосный сигнал на фоне широкополосной помехи. Причем основная мощность этой помехи сосредоточена в диапазоне частот <1 Кгц, есть некоторая плотность в диапазоне 1- 10 Кгц, и почти ничего нет выше 10 Кгц (если в помещении нет светящихся мониторов, но в противном случае засветки от мониторов забьют полезный сигнал, тут уж ничего сделать нельзя).
На частотах выше 100 Кгц начнут заметно повышаться шумы ТИ усилителя из-за емкости диода.
Поэтому, если работать с модуляцией на частоте 20 Кгц, и взять полосовой фильтр с частотой пропускания 10 - 30 Кгц, то в нем сигнал будет составлять уже несколько %. Фильтр можно сделать шунтированием резистора в ТИ емкостью и диффренцирующей цепоцкой после ТИ. Это все эквивалентно входной селективной цепи приемника.
Далее сигнал поступает на СД + ФНЧ, что эквивалентно гетеродину + ФОС. Смещение (и дрейф) нуля можно вычислять, просто вряемя от времени выключая лазер на целую секунду, например.
Если в полосе 10 - 30 Кгц будут присутствовать существенные флуктуации шума, схема не будет обеспечивать нужной точности в любом случае, как ни строй - на частоту модуляции придется достаточно, чтобы не хватило с/ш даже в теории. Если взять более узкополосный фильтр, можно еще на порядок "разгрузить" вход СД, снизив тем самы пролезание флуктуаций засветки на его выход.

В гармониках сигнала содержится не так уж много мощности, поэтому попытка детектировать и их приводит к ухудшению отношения сигнал/шум.

[Stanislav]

Калиброки сделать точнее 0.1% во всем частотном диапазоне не так то просто.

Предлагаю не отклоняться от сути вопроса. Могу только сказать, что мне приходилось делать системы, в которых подавление мешающего сигнала (эха в тел. линии) было более 80дБ, а он сам становился ниже шумов канала.

...Я предлагаю сделать схему, идеологически идентичную обычному гетеродинному приемнику. Ведь наша задача - выделить гармонический узкополосный сигнал на фоне широкополосной помехи. Причем основная мощность этой помехи сосредоточена в диапазоне частот <1 Кгц, есть некоторая плотность в диапазоне 1- 10 Кгц, и почти ничего нет выше 10 Кгц (если в помещении нет светящихся мониторов, но в противном случае засветки от мониторов забьют полезный сигнал, тут уж ничего сделать нельзя).
На частотах выше 100 Кгц начнут заметно повышаться шумы ТИ усилителя из-за емкости диода.
Поэтому, если работать с модуляцией на частоте 20 Кгц, и взять полосовой фильтр с частотой пропускания 10 - 30 Кгц, то в нем сигнал будет составлять уже несколько %. Фильтр можно сделать шунтированием резистора в ТИ емкостью и диффренцирующей цепоцкой после ТИ. Это все эквивалентно входной селективной цепи приемника.
Далее сигнал поступает на СД + ФНЧ, что эквивалентно гетеродину + ФОС. Смещение (и дрейф) нуля можно вычислять, просто вряемя от времени выключая лазер на целую секунду, например.
Если в полосе 10 - 30 Кгц будут присутствовать существенные флуктуации шума, схема не будет обеспечивать нужной точности в любом случае, как ни строй - на частоту модуляции придется достаточно, чтобы не хватило с/ш даже в теории. Если взять более узкополосный фильтр, можно еще на порядок "разгрузить" вход СД, снизив тем самы пролезание флуктуаций засветки на его выход.

В гармониках сигнала содержится не так уж много мощности, поэтому попытка детектировать и их приводит к ухудшению отношения сигнал/шум.

Перед тем, как обсуждать новое решение, не мешало бы резюмировать и ответить на ряд вопросов.
1. Согласны ли Вы, что система, предложенная Вами, содержит ряд практически не устраняемых недостатков?
2. Согласны ли Вы, что система, предложенная мной, в значительной степени от этих недостатков избавлена?
3. Чем предлагаемая Вами новая система принципиально лучше предложенной мной?
Не сочтите за "наезд", пожалуйста, но не хочется, чтобы тема переросла в обсуждение всех доступных методов сигнальной обработки...

[DS]

1. Нет, не согласен. Я использую подобную схему с электромеханическим фильтром с высокой (более 10 000) добротностью на входе. Подавление паразитного сигнала у меня не менее 10Е7, и уровень шума ограничивается тепловым шумом фильтра. Это куда как поболее 80 Дб.
2. Ваша схема начнет ошибаться, если в СД есть дрейфы нуля и не полностью согласованы частотные характеристики.
3. Ваша схема требует прецизионных компонентов и точной и сложной калиброки. В моей нет ни того, ни другого. Задача с подавлением эха другая - там сигнал не узкополосный., тогда Ваша схема будет иметь преимущества.

[Stanislav]

1. Нет, не согласен. Я использую подобную схему с электромеханическим фильтром с высокой (более 10 000) добротностью на входе. Подавление паразитного сигнала у меня не менее 10Е7, и уровень шума ограничивается тепловым шумом фильтра. Это куда как поболее 80 Дб.

Это уже что-то новое. Может, всё же блок-схему приведёте, дабы был повод для обсуждения? Лично я уверен, что даже высокодобротный фильтр предложенную Вами ранее систему вылечит только отчасти, но не в принципе.
Ещё хотелось бы узнать, где можно купить упомянутый Вами фильтр, и сколько он стОит?
Подавление сигнала в проводной линии я привёл только как пример решения гораздо более сложной задачи - как алгоритмически, так и вычислительно (на 3-4 порядка).

2. Ваша схема начнет ошибаться, если в СД есть дрейфы нуля и не полностью согласованы частотные характеристики.

Я, кажется, где-то упоминал о калибровке. Которую можно проводить периодически в процессе измерения, благо никакой доп. аппаратуры для этого не требуется.
Хотелось бы, однако, узнать, как Вы боретесь с дрейфами в своей системе?

3. Ваша схема требует прецизионных компонентов и точной и сложной калиброки. В моей нет ни того, ни другого. Задача с подавлением эха другая - там сигнал не узкополосный., тогда Ваша схема будет иметь преимущества.

Простите, но, по-моему, мы говорим на разных языках. Именно система, предлагаемая мной, не будет содержать, в отличие от Вашей, прецизионных компонентов, благодаря возможности автокоррекции. Сложность алгоритма и программной реализации такой коррекции для данной системы Вами сильно преувеличена, и не должна представлять препятствия даже для не слишком искушённого программиста.
Ваша же система для достижения сколько-нибудь приемлемых результатов, такие компоненты содержать должна, и, тем не менее, точность в ней будет, как я уже и показал, принципиально хуже, именно из-за невозможности калибровки.

[Tanya]

Уважаемые г-да Stanislav и DS_!
Взгляните на дело шире. Вы оба практически одно и то же предлагаете.
Что требуется?
На фотоприемник падает внешняя засветка и полезный (нами производимый) свет.
Горе в том, что внешняя засветка очень большая.
Если бы полезный сигнал был синусоидальный, то тогда, конечно несколько лучше был бы подход предложенный DS_. Потому, что в синусоиде, грубо говоря, половину времени сигнал слабый, и регистрировать в это время помеху (копить ее в синхронном детекторе, интеграторе и т.п.) только вредно.
Однако, если брать не все время импульса, а только в районе максимума, то ваши подходы дадут один и тот же результат. Но ведь сигнал от лазера почти меандр. Зачем выбрасыват полезную информацию? Хотя в данном случае пользы от нее маловато, так как вредный сигнал намного больше. Небольшое преимущество только в том, что сигнал дольше будет копиться и требования к стабильности времен переключения ослабляются.
Подход уважаемого DS_ кажется другим, но на самом деле это не так. Ведь данная система существенно отличается от радиоприемника тем, что на вход нельзя поставить (а на самом деле можно ) узкополосный фильтр. Фоториемник кушает весь свет с шумами. И его нелинейность вместе с усилителем приведет к ....
А вот если поставить на входе интерференционный фильтр или маленькую дифракционную решетку - монохроматор, входной щелью которого будет служить световод, то все станет намного лучше, и оба ваши решения также будут хороши. Из опыта по накоплению слабых сигналов с двумя системами регистрации - узкополосной и синхронным детектором можно сказать, что они примерно одинаковые результаты дают.
Но с таким соотношение сигнал/шум, когда очень-очень долго надо копить, несколько лучше цифровое накопление. Вот, к примеру, сколько времени сигнал пульсаров копится? Или сколько времени снимается мессбауэровский спектр?

Сообщение отредактировал Tanya - Jun 2 2006, 07:01

[DS]

Конечно, основная проблема у Herzа лежит не в области детектирования, а в засветке. Диоды имеют нелинейность в лучшем случае 10е-4, поэтому при детектировании c точностью 10е-6 гарантировано сильное влияние засветки, от которого невозможно будет избавиться.
Синхронный детектор я имею ввиду в классическом виде т.е. умножение на синусоидальный сигнал или на + - 1. Так что обрабатывается вся синусоида.
Stanislav, я в упор не понимаю, зачем Вы подаете на детектор всю полосу сигнала, когда заранее известно, что 99.5 % энергии сигнала содержиться в сигналах с частотами <1Кгц. Мне кажется, что фильтр с полосой 1 Кгц при 20 Кгц центральной полосы не представляет из себя ничего особенного. Утверждать при этом, что это есть оптимальное решение как-то странно. К тому же Вам требуется АЦП с разрешающей способностью в 500 раз большей, чем моей конструкции (у меня сигнал по сравнению со входом СД упадет в 1000 раз, у Вас в 2 раза).
Детектировать и гармоники основной частоты модуляции лазера бессмысленно, так как в них существенно хуже соотношение С/Ш, поэтому это приведет только к увеличению итоговых шумов.
Электромеханический фильтр мы, естественно, делаем сами. Он же является и преобразователем сигнала в электрический. Фотоприемником является газ, резонансно поглощающий нужную длину волны. Это чтобы избавиться от нелинейности фотодиода.

[Stanislav]

Уважаемые г-да Stanislav и DS_!
Взгляните на дело шире. Вы оба практически одно и то же предлагаете.

Нет, это совершенно разные вещи, и совершенно разный подход к решению задачи.

...Что требуется?
На фотоприемник падает внешняя засветка и полезный (нами производимый) свет.
Горе в том, что внешняя засветка очень большая.
Если бы полезный сигнал был синусоидальный, то тогда, конечно несколько лучше был бы подход предложенный DS_.

Простите, в каком посте, а то я уже запутался? При обсуждении я имею в виду схему, предложенную в посте #2.

...Потому, что в синусоиде, грубо говоря, половину времени сигнал слабый, и регистрировать в это время помеху (копить ее в синхронном детекторе, интеграторе и т.п.) только вредно.
Однако, если брать не все время импульса, а только в районе максимума, то ваши подходы дадут один и тот же результат.

Нет, абсолютно разные, это я и пытаюсь доказать.

...Но ведь сигнал от лазера почти меандр. Зачем выбрасыват полезную информацию? Хотя в данном случае пользы от нее маловато, так как вредный сигнал намного больше. Небольшое преимущество только в том, что сигнал дольше будет копиться и требования к стабильности времен переключения ослабляются.

Здесь Вы, несомненно, правы.

Подход уважаемого DS_ кажется другим, но на самом деле это не так. Ведь данная система существенно отличается от радиоприемника тем, что на вход нельзя поставить (а на самом деле можно ) узкополосный фильтр. Фоториемник кушает весь свет с шумами. И его нелинейность вместе с усилителем приведет к ...

Ничего не понял. Может, поясните?

...А вот если поставить на входе интерференционный фильтр или маленькую дифракционную решетку - монохроматор, входной щелью которого будет служить световод, то все станет намного лучше, и оба ваши решения также будут хороши. Из опыта по накоплению слабых сигналов с двумя системами регистрации - узкополосной и синхронным детектором можно сказать, что они примерно одинаковые результаты дают.

Для начала, никто не отрицает оптических методов борьбы с засветкой. Речь идёт о принципах выделения сигнала из шума уже после этого.
Сравнивать же системы регистрации "узкополосную и с синхронным детектором" - всё равно, что искать различия между трамваем и обезьяной...

...Но с таким соотношение сигнал/шум, когда очень-очень долго надо копить, несколько лучше цифровое накопление. Вот, к примеру, сколько времени сигнал пульсаров копится? Или сколько времени снимается мессбауэровский спектр?

Простите, но Вы наверное, не совсем поняли. В системе, предлагаемой уважаемым DS, будет никаким образом не измеряемое и не устраняемое смещение, портящее точностные характеристики измерителя.
Я же предлагаю систему, которая принципиально решает этот вопрос.

[Stanislav]

Конечно, основная проблема у Herzа лежит не в области детектирования, а в засветке. Диоды имеют нелинейность в лучшем случае 10е-4, поэтому при детектировании c точностью 10е-6 гарантировано сильное влияние засветки, от которого невозможно будет избавиться.

Простите, но я как раз пытаюсь доказать обратное - что от засветки можно избавится. А нелинейность диодов можно скомпенсировать способом, подобным тому, что я предлагал ранее.

...Синхронный детектор я имею ввиду в классическом виде т.е. умножение на синусоидальный сигнал или на + - 1. Так что обрабатывается вся синусоида.

По-моему, самое время дать определения. Синхронным детектором в общем случае можно назвать устройство, осуществляющее перемножение входного сигнала на опорный при условии, что фаза опорного сигнала жёстко привязана к фазе входного сигнала. Синус, треугольник, прямоугольник - опорный сигнал может иметь произвольную форму.
Детектирование будет оптимальным, грубо говоря, если форма опорного сигнала соответствует форме принимаемого сигнала. При этом обеспечивается теоретически максимальное отношение С/Ш на выходе детектора при условии, что входной шум - белый.
Оптимальные детекторы могут быть как синхронными, так и несинхронными.

...Stanislav, я в упор не понимаю, зачем Вы подаете на детектор всю полосу сигнала, когда заранее известно, что 99.5 % энергии сигнала содержиться в сигналах с частотами <1Кгц.

Простите, я не совсем понял, о энергии какого сигнала идёт речь?
И ведь я сам предлагал ФВЧ и компенсатор засветки, так что вдвойне непонятно, о чём Вы...

...Мне кажется, что фильтр с полосой 1 Кгц при 20 Кгц центральной полосы не представляет из себя ничего особенного...

Готов присягнуть, что это так.

...Утверждать при этом, что это есть оптимальное решение как-то странно...

Простите, опять не понял, о чём речь? О фильтре?

К тому же Вам требуется АЦП с разрешающей способностью в 500 раз большей, чем моей конструкции (у меня сигнал по сравнению со входом СД упадет в 1000 раз, у Вас в 2 раза).

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

...Детектировать и гармоники основной частоты модуляции лазера бессмысленно, так как в них существенно хуже соотношение С/Ш, поэтому это приведет только к увеличению итоговых шумов.

Для коротких импульсов и выбранного НЧ шума - существенно лучше! Для меандра выигрыш меньше, но всё же он есть... Чтобы оценить количественно, нужна, как я уже писал, модель как помехи, так и шумов приёмного тракта.

...Электромеханический фильтр мы, естественно, делаем сами. Он же является и преобразователем сигнала в электрический. Фотоприемником является газ, резонансно поглощающий нужную длину волны. Это чтобы избавиться от нелинейности фотодиода.

М-да. С такой штукой, пожалуй, будет работать и пиковый детектор, предложенный уважаемым MosAic, только ценность этих сведений для автора темы, боюсь, будет нулевой.

[SSerge]

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.

[One]

... 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]

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]

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]

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]

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]

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]

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]

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]

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.