Измерение фазового сдвига Sin, точность лучше 0,01градуса. Опции

[sera_os]

Уважаемые спецы!
Есть задача мерять фазовый сдвиг синусоидального сигнала .
Частота 0-500кГц (лучше 1МГц).
Амплитуда 0-10В
Точность 0,01град. для начала, а лучше как-можно точнее , конкретно еще не определились (не пощитали).
С фазовыми сдвигами никогда не работал, поэтому буду благодарен за любую информацию для применения и размышления (методы, готовые решения (схемы), идеи).
Заранее благодарен.

[sera_os]

По максимальной скорости существующих АЦП. Это раз. По скорости доступных ПЛИСин это два. Мне кажется что наиболее логично будет в 1 градус. Это 360 мегагерц, и современные "взрослые" плисины вполне могут тут работать. Причем даже без "стробоскопирования".

А мож лучше вместо ПЛИС использовать DSP, они то есть очень быстрые, числогрызы ?

А сколько процентов гармоник у вас с сигнале?

Я так понимаю на это тоже нужно обратить внимание.

ПЛИС скорее всего + ЦАП на 100мегасемплов. Дальше уже просто.

Это для генератора сигнала? А DDS не покатит, например AD9952 (400МГц, 14bit)?

Путь один. Аналоговые цепи - аналоговые части ЦАП и АЦП, усилители, фильтры - вносят задержку. Эта задержка зависит от многих параметров, например, от температуры. Её нужно учитывать. Точность измерения фазы упирается в стабильность этой задержки. Если задержка стабильная - её можно учесть при калибровке установки. Все эти цепи являются НЧ фильтрами как правило первого порядка. Следовательно, нужно делать полосу пропускания этик аналоговых фильтов как можно больше, и применять стабильные компоненты. По возможности переводя обработку в цифру. Ну а дальше достигаемая точность будет обратно пропорциональна частоте. Конечно, до тех пор, пока линейная модель сдвига фазы остается верной.

Гемора то сколько Есть над чем подумать. Думаю если и температурный дрейф будет, то нужно старатся чтобы компоненты влияющие на фазу находились в как можно близко йтемпературе.

Теперь более понятно.
Из того, что время не лимитировано, можно заключить, что система стационарна (её параметры не меняются во времени).

Вобщето система должна быть мобильной (промышленый образец). Я имел ввиду что врямя измерения неограничено, в разумных пределах, тоесть можно и несколько минут стоять с прибором и измерять лишь бы поточнее.

Как уже сказано, померить абсолютную величину фазового сдвига с точностью до 0,01гр по ряду причин практически трудно. Можно, конечно, попытаться откалибровать измеритель на эталонных нагрузках, для которых сдвиг фаз известен, но всё же 0,01гр. вряд ли получится. Разрешение же в такую величину сделать вполне реально.

Когда я описивал точность, я опирался на документ (пристегнут). Там, например, методом Zero-Crossing Methods (привожу в оригинале) можно добится точности 0,02гр, понимаю что это не на ВЧ но все-же возможно. Метод: The Fast Fourier Transform Method пишут при качестном АЦП можно достич и 0,001гр. есть надежда .

Для измерения сдвига фазы можно использовать 2 метода: аналоговый и цифровой (или их комбинацию). Первый состоит в измерении среднего значения произведения двух синусоид с последующей нормировкой этого значения по их амплитудам и вычислении арккосинуса от этой величины, с использованием аналоговых умножителей, фильтров и функциональных преобразователей. По нынешним временам, довольно сложен и неудобен.

Хоть я в основном работаю больше с аналогом, но этом случае склоняюсь к цыфровому (повторяемость больше).

Второй способ по сути представляет собой то же преобразование, только выполненное в цифре. Для этого нужен АЦП, лучше двухканальный, с возможно меньшей апертурной задержкой и джиттером, и вычислитель. В части АЦП рекомендую обратить внимание на продукцию LT: у них не так давно вышла отличная серия flash ADC. Разрядность в 10-12 бит вполне достаточна. Частоту оцифровки лучше выбрать больше мегагерца (идеально - мег 10) - меньше времени уйдёт на измерение. Но можно использовать и меньшую частоту. Тактировать АЦП также нужно источником с малым джиттером. Сам по себе джиттер не очень страшен, но от него зависит необходимое время измерения для достижения заданной точности.

А что с даными делать?

Сигнал с DDS нужно "подчищать" аналоговым ФНЧ или ПФ с хорошими крутизной спада и подавлением в полосе заграждения: побочные продукты выхода синтезатора могут внести смещение в оценку разности фаз.

Со смещением можно поборотся калибровкой.

Джиттер фазы самогО DDS в предложенном методе не будет играть существенной роли.

Это если делать измерения на одном периоде, правельно?

Для улучшения разрешающей способности при малых углах в обоих методах желательно до перемножения один из сигналов "развернуть" на 90гр, с последующим вычислением арксинуса усреднённого и нормированного произведения. В цифрЕ с этим гимору также меньше.

А што это можно сделать в аналоге?

Какой использовать вычислитель - дело вкуса. Он только должен уметь всасывать данные с нужной скоростью, и размещать их в ОЗУ. Я бы использовал какой-нить DSP.

Также склоняюсь к DSP, конкретней пообщаюсь с програмистом.

Алгоритм работы устойства лучше сначала обкатать, например, в Матлабе. Это добавит понимания проблеммы.

К сожелению, неимею опыта работы в матлабе , понемногу учусь. А может для этого лучше Labview использовать?
 Phase_Measurement.PDF ( 261.89 килобайт ) Кол-во скачиваний: 1619

[Stanislav]

Вобщето система должна быть мобильной (промышленый образец). Я имел ввиду что врямя измерения неограничено, в разумных пределах, тоесть можно и несколько минут стоять с прибором и измерять лишь бы поточнее.

Ну, я под "неограниченным" и вовсе подразумевал время порядка нескольких секунд (дольше мерять нет особого смысла).

...Когда я описивал точность, я опирался на документ (пристегнут). Там, например, методом Zero-Crossing Methods (привожу в оригинале) можно добится точности 0,02гр, понимаю что это не на ВЧ но все-же возможно. Метод: The Fast Fourier Transform Method пишут при качестном АЦП можно достич и 0,001гр. есть надежда.

Заклинания всё это. Лажу гонят, не верьте. Теоретически оба этих метода дают бесконечную точность (кстати, Фурье здесь - как собаке пятая нога). Мы же говорим о вещах практических.

Хоть я в основном работаю больше с аналогом, но этом случае склоняюсь к цыфровому (повторяемость больше).

Аналог точнее принципиально, цифирь для недорогих устройств - практически.

А что с даными делать?

Сначала запомнить последовательность отсчётов в буфере. Потом обработать и получить результат. Есть, правда, методы, позволяющие экономить память, и работать в реал-тайме, но для начала лучше так не делать, благо память сейчас дешёвая.

Сигнал с DDS нужно "подчищать" аналоговым ФНЧ или ПФ с хорошими крутизной спада и подавлением в полосе заграждения: побочные продукты выхода синтезатора могут внести смещение в оценку разности фаз.

Со смещением можно поборотся калибровкой.

Нет, это не "то" смещение. Имеется в виду смещение оценки фазы вследствие интерференции продуктов преобразования DDS в перемножителе. Оно будет зависеть от вида нагрузки, а откалибровать систему для его устранения не получится.

Джиттер фазы самогО DDS в предложенном методе не будет играть существенной роли.

Это если делать измерения на одном периоде, правельно?

Нет, неправильно. Дело в том, что джиттер будет как в опорном сигнале, так и в измеряемом, и он будет синхронным, т.е, теоретически не влияющим на точность измерения.
С джиттером АЦП, и с другими шумами нужно бороться, усредняя результат по достаточно продолжительному участку сигнала, содержащего большое число периодов.На самом деле, число периодов играет меньшую роль, чем число сэмплов АЦП. Усреднив оценку фазового сдвига, избавимся от джиттера.

Для улучшения разрешающей способности при малых углах в обоих методах желательно до перемножения один из сигналов "развернуть" на 90гр, с последующим вычислением арксинуса усреднённого и нормированного произведения. В цифрЕ с этим гимору также меньше.

А што это можно сделать в аналоге?

Запросто. Фазовращателем - перемножителем - фильтром - функциональным преобразователем. Но гимору будет значительно больше, чем написать довольно простую проггу.

Кстати, предлагаю Вашему вниманию вот такой метод (вчера только придумал). Берём измеряемое и опорное колебания, и, с помощью цифрового фазовращателя, приводим их фазы к 90-градусному отличию (нулю на выходе перемножителя-фильтра, или ФД). Можно сделать это итерациями. Зная величину поворота фазы, легко вычислим фазовый сдвиг.
Такую штуку можно сделать и в аналоге, но это опять сложнее.
Достоинства: не требуется нормировка по амплитуде, не требуется вычисление обратных тригонометрических функций.
Недостатки: попробуйте найти их сами. Мне пока что не удалось.