Синхронизация относительно 50 Гц, Требуется ФАПЧ, синхронизированный с 50 Гц Опции

[MaxPIC]

Стоит такая задача: есть фотоусилитель, который принимает оптический сигнал периодом 125 мксек. В течение 25мксек сигнал усилен включением светодиода, в течение оставшихся 100 мксек измеряется фон и светодиод выключен (постоянная засветка плюс 100 Гц от ламп). Ставить оптические фильтры нельзя, поэтому с засветкой надо бороться электронным способом. Фотодиод весит на кабеле, длиной 1,5 м. Ёмкость кабеля не позволяет увеличить частоту сигнала. Величина фототока амплитуды при засветке светодиодом порядка 100 нА. Величина фона - 100...500 нА. Необходимо измерить эту амплитуду с разрешением 10 пА, причём разрешением свободным от шума (т.е. С/Ш = 80 дБ). Система работает следующим образом: измеряется сигнал при включенном светодиоде и при выключенном измеряется фон, затем два числа вычитаются. Если взять частоту 100 Гц оптической помехи от сети получается, что фон не совсем постоянен и за счёт изменения его за 125 мксек получается комбинационный сигнал помехи. Полезный сигнал изменения амплитуды лежит в диапазоне 0...40 Гц, а спектральные составляющие комбинационной помехи будут равны M*8000+-N*100 Гц, где M и N - целые числа. Если частота помехи от сети будет не 100, а 99,8 Гц, то ближайшая спектральная составляющая комбинационной помехи попадёт в диапазон полезного сигнала: 8000-80*99,8=16 Гц. Вот я подумал, как бы организовать ФАПЧ, синхронный с сетью 50 Гц, который бы выдавал частоту 8 кГц, синхронную относительно 50 Гц, а также частоту 32 МГц для АЦП (ADS1675), также синхронную с 50 Гц. Думал поставить диодный мост от питания, затем полосовой фильтр на 50 Гц и оптопару (нужна гальваноразвязка), сигнал с которой подать на компаратор для формирования частоты 50 Гц, относительно которой нужно синхронизироваться. Встал вопрос, при изменении напряжения в сети у меня будет меняться скорость нарастания синусоиды 50 Гц, а значит пойдёт сильный джиттер. Как вообще от этого избавляются? Может не с сети нужно 50 Гц брать, а например, с экрана кабеля или вообще антенку сгородить? Хотя проблема джитттера при изменении амплитуды наводки сохранится. Кто вообще реализовывал синхронизацию относительно 50 Гц в сети подскажите схемное решение. Может для этого и микросхемы специальные есть, вроде для видеокамер есть синхронизация относительно сетевых 50 Гц, или я что путаю?

[xemul]

Система работает следующим образом: измеряется сигнал при включенном светодиоде и при выключенном измеряется фон, затем два числа вычитаются.

Предполагается дальнейшая обработка, или Вы хотите одним арифметическим действием каждые 125 мкс получать достоверный результат?

Если взять частоту 100 Гц оптической помехи от сети получается, что фон не совсем постоянен и за счёт изменения его за 125 мксек получается комбинационный сигнал помехи. Полезный сигнал изменения амплитуды лежит в диапазоне 0...40 Гц, а спектральные составляющие комбинационной помехи будут равны M*8000+-N*100 Гц, где M и N - целые числа. Если частота помехи от сети будет не 100, а 99,8 Гц, то ближайшая спектральная составляющая комбинационной помехи...

Оцените мощность 80-й гармоники для сглаженного как-нить (Вы ничего не сказали про тип лампочек) sin².

Вот я подумал, как бы организовать ФАПЧ, синхронный с сетью 50 Гц, который бы выдавал частоту 8 кГц, синхронную относительно 50 Гц, ...

И каким образом оно Вам поможет?

Встал вопрос, при изменении напряжения в сети у меня будет меняться скорость нарастания синусоиды 50 Гц, а значит пойдёт сильный джиттер.

имхо, Вы озадачиваетесь проблемами даже не 2-го, а 10-го порядка малости.

[MaxPIC]

Предполагается дальнейшая обработка, или Вы хотите одним арифметическим действием каждые 125 мкс получать достоверный результат?

Оцените мощность 80-й гармоники для сглаженного как-нить (Вы ничего не сказали про тип лампочек) sin².

И каким образом оно Вам поможет?

имхо, Вы озадачиваетесь проблемами даже не 2-го, а 10-го порядка малости.

1. Да, я хочу каждые 125 мксек получать достоверные данные.
2. По поводу всего остального: я исходил из следующих предпосылок, так как фон неравномерен, то его влияние будет давать погрешность. Значит, если амплитуда выпрямленной синусоиды 50 Гц от лампочки даёт фототок порядка 200 нА, то худший случай, когда производная тока максимальна: 2*Pi*50*200нА = 62800 нА/сек, тогда за время 100 мксек фон изменится на 6,28 нА. А так как я вычитаю сигнал при включённом светодиоде на 25 мксек из измеренного фона в течение 100 мксек, то получим помеху величиной 6,28 нА. В момент, когда производная от фона равна 0 будем считать помеху равной 0 нА. Тогда амплитуда помехи будет равна 6,28 нА и, насколько я понимаю, в случае идеальной синхронизации с сетью эта амплитуда будет на частоте 100 Гц (100 и остальные гармоники можно будет цифрой отфильтровать), однако, если будет разбаланс, то эта амплитуда окажется в полосе полезного сигнала. Таким образом, если я хочу 80 дБ при 100 нА, а амплитуда помехи в полосе полезного сигнала 6,28 нА, то до разрешения в 10 пА как до Луны. Если что не так, поправьте.

Ну если смотрел, то должен был понять, что синус 50 Гц преобразовывают сначала в логический уровень, используя переходы синуса через ноль (исключая тем самым влияние амплитуды). А только потом этот сигнал можно подавать в систему ФАПЧ. А получить его можно множеством способов, например при помощи компаратора.

Закон изменения напряжения в сети
> Pwr:=(t,deviation)->220*(1+deviation)*sin(2*Pi*50*t);

Девиация напряжения (+- 10%)
> delta:=0.1;

Напряжение смещения компаратора LM2903A равно 2 мВ
> Vcm:=2*10^(-3);

Разность времени между периодами, если первая волна синусоиды при напряжении меньшем на 10%, а вторая - большем на 10%
в наносек. Это и есть, на мой взгляд джиттер.
> dT:=10^9*solve(Pwr(x,-delta)=Vcm,x)-solve(Pwr(x,delta)=Vcm,x);

Синхронизированный ФАПЧ должен обеспечить 32 МГц для АЦП ADS1675, т.е. период тактового импульса равен 31,25 нсек. Получается, джиттер сравним с периодом частоты тактирования. На мой взгляд, за счёт джиттера получится ситуация, когда помехи в сети, изменяющие амплитуду сетевого напряжения буду напрямую создавать помехи на выходе АЦП и ситуация только ухудшится. Поэтому я и поставил вопрос о джиттере. Может быть стоит не синхронизировать АЦП, а синхронизировать только 8 кГц и программно выделять фронты сигнала, чтобы отдельно вычислять амплитуду тока и подставку, соответствующую фону?

[xemul]

1. Да, я хочу каждые 125 мксек получать достоверные данные.

имхо, Вас спасёт только второй идентичный канал, измеряющий фоновую засветку.

[Tanya]

имхо, Вас спасёт только второй идентичный канал, измеряющий фоновую засветку.

Абсолютно! Хочется добавить.
Не рассматривали ли Вы вместо кабеля, на конце которого стоит фотодиод, световоды в том же кабеле, а приемник уже комфортно в хорошем месте?
Часть световодов пустить на засветку только...
Все то, что Вы писали про засветку, - неправильно.
Лампы (даже накаливания) светятся не так, как Вы думаете. При изменении напряжения форма и задержки будут разные. А если есть еще люминесцентные...
Поэтому использовать электрический сигнал для компенсации неправильно будет.

[MaxPIC]

Абсолютно! Хочется добавить.
Не рассматривали ли Вы вместо кабеля, на конце которого стоит фотодиод, световоды в том же кабеле, а приемник уже комфортно в хорошем месте?
Часть световодов пустить на засветку только...
Все то, что Вы писали про засветку, - неправильно.
Лампы (даже накаливания) светятся не так, как Вы думаете. При изменении напряжения форма и задержки будут разные. А если есть еще люминесцентные...
Поэтому использовать электрический сигнал для компенсации неправильно будет.

Конструкцию фотодиода с кабелем трогать никак нельзя. Ну, скажем так, если бы максимальная спектральная составляющая оптической помехи была раз в 100 меньше частоты импульсов подсветки светодиода, то электрическая компенсация была бы вполне уместна. Вопрос в том, как тогда бороться с такими помехами. У меня есть ещё старый добрый вариант в лоб: широкополосный усилитель на входе, который усиливает оптические засветки и полезный сигнал, но частоту несущей увеличить с 8 кГц до, скажем 25 кГц. Затем сигнал пропустить через аналоговый ППФ (ФВЧ+ФНЧ) и оцифровать с помощью АЦП и в цифре проводить вычисление разности между средним значением амплитуды и подставкой. Тогда всё, что ниже 1 кГц можно будет аналоговым способом отфильтровать не менее, чем на 40 дБ, а остальное добить цифровым фильтром. Остаётся только вопрос, улучшит ли положение дела синхронизация с 50 Гц только частоты несущей (25 кГц)? И если да, то хотя бы оценочно на сколько или пробовать надо? Если кто пробовал, поделить опытом.