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?

[Alexashka]

2 MaxPIC: а если до АЦП поставить ФВЧ который бы отрезал все что ниже 8кГц? -Те самые девиации подставки

[MaxPIC]

2 MaxPIC: а если до АЦП поставить ФВЧ который бы отрезал все что ниже 8кГц? -Те самые девиации подставки

Да, я выше предложил такой способ, но комбинационную помеху в амплитуде он не уберёт.

Хорошо. Записывайте.
Дифференциальное уравнение теплового баланса. Приток тепла - квадрат тока на сопротивление (T(t)), теплоотвод - линейная часть(T) + часть, пропорциональная четвертой степени температуры (T). Этот приток минус отвод, деленный на теплоемкость (если лампочек несколько разных. то...) даст нам производную температуры по времени.
Если подумать, то, наверное, все, что было секунды две-три назад можно отбросить. Надо знать толщину нити лампочек...
Получим, решая это уравнение, зависимость температуры от времени и от предыстории напряжения (это тоже приближение...).
Теперь, используя ур-ие Планка-Эйнштейна, найдем мгновенный спектр излучения (тоже с допущениями - равновесие имеется?)
Свертка со спектральной чувствительностью вашего фотоприемника - и вот Вам результат, - двенадцать негритят....

Как в анекдоте про чукчу из "Поле чудес": буквы все угадал, а слово прочитать не смог

это Вы меня имеете ввиду? А чем Вам Фурье не угодил?
Кстати никто не запрещает усреднить потом полученную амплитуда за 20-100 периодов. (вроде 8000/40 =200?)

Мне данные от каждой амплитуды нужны.

[alexkok]

Да, я выше предложил такой способ, но комбинационную помеху в амплитуде он не уберёт.

Динамический диапазон по интермодуляции у фотодиодов очень высокий.
Не будет никакой комбинационной помехи.
Так что хорошего ФВЧ достаточно, хоть аналогового, хоть цифрового.
Естественно требования к линейности остальных каскадов это не отменяет.

Сообщение отредактировал alexkok - Oct 26 2009, 19:54

[Tanya]

Динамический диапазон по интермодуляции у фотодиодов очень высокий.
Не будет никакой комбинационной помехи.
Так что хорошего ФВЧ достаточно, хоть аналогового, хоть цифрового.

Если бы свет линейно зависел...

[alexkok]

Если бы свет линейно зависел...

Может поясните?

[Tanya]

Может поясните?

А что тут пояснять? Все грубо написала...
В терминах частотного анализа при требуемой точности ничего путного нельзя получить...

[alexkok]

А что тут пояснять? Все грубо написала...
В терминах частотного анализа при требуемой точности ничего путного нельзя получить...

А в терминах интермодуляционных искажений вполне можно.

[Alexashka]

А в терминах интермодуляционных искажений вполне можно.

Просто с чего Вы взяли что форма сигнала от завсетки будет чистым синусом? А если нет- то все возможные гармоники вплоть до....8кГц

[Tanya]

Просто с чего Вы взяли что форма сигнала от завсетки будет чистым синусом? А если нет- то все возможные гармоники вплоть до....8кГц

Какие гармоники?
Вот представьте: синус (50Гц) длился миллион лет. Но 13 полупериодов назад один полупериод был искажен...

[Alexashka]

Какие гармоники?
Вот представьте: синус (50Гц) длился миллион лет. Но 13 полупериодов назад один полупериод был искажен...

Почему 13?
Т.е Вы хотите сказать что в течении миллион лет мы думали что у нас идеальный синус... Но потом оказалось что ошиблись?
И чтоже из этого следует?

Если оценить вклад гармоник и спектральных выбросов (случайных как в том случае что Вы описали), то гармоники дадут намного больше эффект. Имхо конечно.

Гармоники попадающие в спектр сигнала не фильтруются в принципе.

Да но их можно так аккуратненько сдвинуть, чтобы они не папали в интересующую область. ФАПЧ должен помочь имхо

[Tanya]

Почему 13?
Т.е Вы хотите сказать что в течении миллион лет мы думали что у нас идеальный синус... Но потом оказалось что ошиблись?
И чтоже из этого следует?

Если оценить вклад гармоник и спектральных выбросов (случайных как в том случае что Вы описали), то гармоники дадут намного больше эффект. Имхо конечно.


Да но их можно так аккуратненько сдвинуть, чтобы они не папали в интересующую область. ФАПЧ должен помочь имхо

Как бы Вам посильнее объяснить...
Вот представьте (а еще лучше - посчитайте) зависимость температуры от времени нити накаливания. Пусть только два полупериода мы ее питаем. И пусть амплитуда будет меняться. В крайнем случае экспериментально измерьте свет от нее...
Какие гармоники?
Видели лампу эталонную? Там лента широкая и массивная... Зачем-то...

[Alexashka]

Как бы Вам посильнее объяснить...
Вот представьте (а еще лучше - посчитайте) зависимость температуры от времени нити накаливания. Пусть только два полупериода мы ее питаем. И пусть амплитуда будет меняться. В крайнем случае экспериментально измерьте свет от нее...
Какие гармоники?
Видели лампу эталонную? Там лента широкая и массивная... Зачем-то...

К сожалению сейчас не могу ни проверить, ни посчитать. Мне просто интересно, что по-Вашему там будет.
И все-таки давайте рассматривать не момент включения, а установившееся термодинамическое равновесие. И учитывать инертность спирали, которая за 1-2 полупериода и нагрется толком то не успеет.

[Tanya]

К сожалению сейчас не могу ни проверить, ни посчитать. Мне просто интересно, что по-Вашему там будет.
И все-таки давайте рассматривать не момент включения, а установившееся термодинамическое равновесие. И учитывать инертность спирали, которая за 1-2 полупериода и нагрется толком то не успеет.

Вот Вы и вникли в проблему.
Автору нужно очень точно вычитать фон, поэтому такой сыр-бор. А в "установившемся равновесии" (которое не устанавливается с нужной точностью) провал (пусть не полный) одного полупериода?
Мне тут только что одна, возможно, глупая мысль пришла.
Если у автора засветка только лампами накаливания, то поставить еще одну лампочку (идентичную), питаемую от той же сети, детектор на нее идентичный (с кабелем) и после усилителя управляемый делитель (умножающий ЦАП). Подбирая коэффициент деления, добиваемся (динамически) нулевого сигнала на 100 Гц. Ну не совсем нулевого.
Остаток добиваем кубической интерполяцией сэмплов фоновой засветки. Два измерения до и два после импульса подсветки.
Еще можно вместо ТИ усилителя взять IVC102 или DDC от TI.
Там ворота можно открывать-закрывать на интегратор.

[MaxPIC]

Вот Вы и вникли в проблему.
Автору нужно очень точно вычитать фон, поэтому такой сыр-бор. А в "установившемся равновесии" (которое не устанавливается с нужной точностью) провал (пусть не полный) одного полупериода?
Мне тут только что одна, возможно, глупая мысль пришла.
Если у автора засветка только лампами накаливания, то поставить еще одну лампочку (идентичную), питаемую от той же сети, детектор на нее идентичный (с кабелем) и после усилителя управляемый делитель (умножающий ЦАП). Подбирая коэффициент деления, добиваемся (динамически) нулевого сигнала на 100 Гц. Ну не совсем нулевого.
Остаток добиваем кубической интерполяцией сэмплов фоновой засветки. Два измерения до и два после импульса подсветки.
Еще можно вместо ТИ усилителя взять IVC102 или DDC от TI.
Там ворота можно открывать-закрывать на интегратор.

Нет, к сожалению не только лампами накаливания.
Кстати, с DDC112 работал как-то раз, в итоге от трансимпедансного усилителя можно бОльшего отношения сигнал-шум добиться.

В итоге, в сухом остатке:
-> использовать ли синхронизацию относительно 50 Гц частоты 8 кГц - 50/50, надо пробовать. А какую схему для синхронизации - так и не определились.
-> поставить на выходе трансимпедансного усилителя ФВЧ для удаления помех от засветок, в том числе и 100 Гц (может быть ФВЧ сделать цифровым фильтром), а на самом трансимпедансном усилителе организовать ФНЧ для ограничения полосы и защиты от наложения спектра
-> выбрать АЦП ADS1672 вместо ADS1675, так как и 625 KSPS достаточно
-> организовать цифровую фильтрацию данных на скорости 625 KSPS
-> алгоритм работы сделать следующим: значения с АЦП во время подсветки светодиода усреднять, значения без подсветки (в течение 100 мксек) усреднять тоже и два усреднённых значения вычитать. Полученные значения уже отфильтровывать ЦФ для ограничения полосы полезного сигнала 0...40 Гц.
-> выполнить коррекцию ёмкости кабеля для уменьшения фототоков утечки на экран посредством повторителя напряжения на OPA827
Если у кого-нибудь будут дополнительные предложения или коррекции высказанных тезисов, с удовольствием выслушаю.

[alexkok]

В итоге, в сухом остатке:
-> использовать ли синхронизацию относительно 50 Гц частоты 8 кГц - 50/50, надо пробовать. А какую схему для синхронизации - так и не определились.

Синхронизация в данном случае вредна, т. к. ВЧ помехи привязанные к частоте сети будут детектироваться синхронно.
Лучше выбрать частоту оцифровки некратной частоте сети, тогда помехи будут "размазываться".
Скважность светодиода лучше выбрать равной 2, кратной частоте оцифровки и использовать только вторую половину отсчётов и на вершине и в паузе. Значения в первой половине искажены в процессе установления усилителя и уровень интермодуляции там намного выше.

-> поставить на выходе трансимпедансного усилителя ФВЧ для удаления помех от засветок, в том числе и 100 Гц (может быть ФВЧ сделать цифровым фильтром), а на самом трансимпедансном усилителе организовать ФНЧ для ограничения полосы и защиты от наложения спектра

Имхо обратносмещенного фотодиода, нагруженного на резистор 100к - 1М и разделительного конденсатора (как фильтр первого порядка) вполне достаточно. Цифровой ФВЧ само собой должен быть.

-> выбрать АЦП ADS1672 вместо ADS1675, так как и 625 KSPS достаточно
-> организовать цифровую фильтрацию данных на скорости 625 KSPS

Завышено в несколько раз.

-> алгоритм работы сделать следующим: значения с АЦП во время подсветки светодиода усреднять, значения без подсветки (в течение 100 мксек) усреднять тоже и два усреднённых значения вычитать. Полученные значения уже отфильтровывать ЦФ для ограничения полосы полезного сигнала 0...40 Гц.

Сначала вычитать из отсчётов на вершине отсчёты в паузе и только потом усреднять разности.

-> выполнить коррекцию ёмкости кабеля для уменьшения фототоков утечки на экран посредством повторителя напряжения на OPA827
Если у кого-нибудь будут дополнительные предложения или коррекции высказанных тезисов, с удовольствием выслушаю.

Сообщение отредактировал alexkok - Oct 27 2009, 19:56

[MaxPIC]

Имхо обратносмещенного фотодиода, нагруженного на резистор 100к - 1М и разделительного конденсатора (как фильтр первого порядка) вполне достаточно. Цифровой ФВЧ само собой должен быть.

Завышено в несколько раз.

Сначала вычитать из отсчётов на вершине отсчёты в паузе и только потом усреднять разности.

1. Ну уверен, что это будет лучше. Думаю, что с учётом разрешения 10 пА фотовольтаический режим будет по шумам применить целесообразнее, чем фотодиодный. В принципе, можно схемку посчитать. Будет время, попробую.
2. А сколько должно быть? При 625 KSPS на весь период 125 мксек будет всего лишь 78 отсчётов. С учётом усреднения и интерполяции этого вполне достаточно, но и меньше будет не очень хорошо. К тому же не забудем про спектр амплитудно-импульсного сигнала, частоту Найквиста и требованиям к ФНЧ от наложений. Здесь можно будет хотя бы обойтись фильтром 2-ого порядка, построенного сразу же на трансимпедансном усилителе, который заодно и полосу ограничит.
3. Не понял, если учесть фронт 5,5 мксек, то из каких отсчётов подставки вычитать? Которые идут сразу же после завершения подсветки светодиодом?

Имхо, надо интерполировать в соседних интервалах по 100мкс, со всевозможными условиями гладкости (сплайном, например), т.е. получается сплайн по 4 точкам до засветки и по 4 - после. Значение фона во время засветки на предыдущем этапе вычисляете по сплайну итд. Усреднения внутри 25мксек для повышения С/Ш.

Согласен, имхо, будет самый оптимальный по С/Ш вариант. А вот по поводу амплитуды подсветки - вопрос.Убрать фронт 5,5 мксек? Ведь даже когда он заканчивается, всё равно есть наклон. А вот если все точки в пределах 25 мксек интерполировать, то точки из первых 5.5 мксек также внесут свою лепту в конечный результат, повышая С/Ш. Только вот по поводу МНК сомневаюсь. Может какой другой алгоритм есть?

Решение из прошлого века.
Моторчик, синхронный, с ветрушкой. Именно синхронный, асинхронный некатит. Синхронизируется с сетью очень хорошо. Постоянная времени фильтра десятки-сотни секунд. Ну и синхронный детектор сигнала с синхронизацией от вертушки. Сдвиг по фазе учесть в обработке сигнала (неизвестно на какую из трех фаз сядет моторчик, а какая генерит помеху).
Эстеты могут написать модель моторчика с маховиком для микроконтроллера. Только в моделе надо учитывать моменты разгона-торможения ротора во время одного периода синуса с достаточной точностью- десяток точек или более на период.

Я думал об этом варианте в самом начале, но конструктивно его выполнить физически невозможно. Доступ в конструкцию запрещён, доступ в оптический канал - тоже.

[_Pasha]

А вот по поводу амплитуды подсветки - вопрос.Убрать фронт 5,5 мксек?

Явно напрашивается противоречие меежду целями усреднения - повышения С/Ш, и целью не вдаваться в форму импульса засветки светодиода - т.е интегрирование.

[MaxPIC]

Явно напрашивается противоречие меежду целями усреднения - повышения С/Ш, и целью не вдаваться в форму импульса засветки светодиода - т.е интегрирование.

Я так понимаю, что чем больше априорной информации о сигнале, тем лучше. Если априорно известна форма импульса - почему бы её не воспользоваться? Тем более, что это только увеличит С/Ш вычисляемого во время подсветки значения?