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?

[Herz]

Здесь можно будет хотя бы обойтись фильтром 2-ого порядка, построенного сразу же на трансимпедансном усилителе, который заодно и полосу ограничит.

Интересно было бы взглянуть на это схемное решение. Особенно работающее с фотодиодом в вольтаическом режиме. Вы уверены, что это будет ТИ?

Если априорно известна форма импульса - почему бы её не воспользоваться? Тем более, что это только увеличит С/Ш вычисляемого во время подсветки значения?

Если есть информация о форме импульса, не лучше ли было бы её использовать для синхронного детектирования? Я имею в виду: подать импульс тока светодиода в качестве одного из сомножителей на аналоговый перемножитель. А сигмой-дельтой напрямую импульсные сигналы оцифровывать неправильно, имхо.

Это неверно. Полоса хоть и подрезана усилителем , но она подрезана не настолько чтобы все гармоники импульса подсветки попали в полосу фильтра сигма-дельта АЦП. Поэтому отсчеты во время фронта импульса от подсветки из АЦП будут некорректные. На основе этих отсчетов нельзя делать интерполяцию "экспоненты фронта" , будет большая погрешность интерполированного значения. Поэтому, имхо, нужно подождать окончания фронта на входе АЦП и еще подождать 5.5 дополнительных микросекунд - времени установления внутреннего фильтра АЦП. Settling Time внутреннего фильтра зависит от режима АЦП, который Вы выберете.

+1. Поэтому полагаться на повторяемость отсчётов АЦП в неустановившемся режиме не стоит - их не зря рекомендуется просто исключить из обработки.

[MaxPIC]

Интересно было бы взглянуть на это схемное решение. Особенно работающее с фотодиодом в вольтаическом режиме. Вы уверены, что это будет ТИ?

Да, есть такое решение. Я характеристику ФНЧ типа Баттерворта 2-ого порядка реализовывал.

Мне все еще кажется, что лучше сразу интегрировать на IVC102. Там очень удобно - открываем ворота, интегрируются фотоны. Открываем на фиксированное время чуть позже начала полезного импульса, закрываем чуть раньше конца. Потом так же измеряем фон. Собственный входной ток у этой штучки очень маленький - примерно сотня или меньше fA, и весьма стабильный - лучше единиц fA. Так как фон вычитается, то получится хорошо. И времени на измерение становится больше.
В DDC - минимум два канала. Сама оцифровывает. Сигмой и дельтой. Только не помню точно, с какой скоростью. Что-то порядка 2 килогерц. На вход(ы) можно подать сигнал, компенсирующий большую часть засветки - медленно меняющийся, подстраивающийся. Тогда чувствительность можно поднять, уменьшив емкость конденсатора.

Не вопрос, я могу промоделировать IVC102, развести простенькую платку и посмотреть, что получится. Вопрос как бороться с ёмкостью между двумя сигнальными проводниками фотодиода с экраном (порядка 300 пФ между каждым проводником и экраном). Т.е. как компенсировать ёмкость кабеля.
Сейчас вообще пришёл к выводу, что соберу плату с фотодиодным режимом, фотовольтаическим, с возможностью подключения/отключения аналоговых фильтров (ФВЧ и ФНЧ) и ещё добавлю туда IVC102. Надо будет просто выбрать лучшее решение. Заодно для себя постараюсь лучше разобраться в этом вопросе. АЦП планирую пока что ADS1672 (уже на столе пара штук лежит).

[Herz]

Да, есть такое решение. Я характеристику ФНЧ типа Баттерворта 2-ого порядка реализовывал.

Не покажете?

[MaxPIC]

Не покажете?

Конечно, почему бы не поделиться.

ну тогда "тушите свет...." в прямом и переносном смысле.
Хотя можно адаптивно попробовать уйти с промежуточной частоты 8кГц , если в полосе 40 Гц существует большАя помеха на другую , близкую или далекую частоту. Посмотреть сколько там помех и работать на другой ПЧ. Если конечно 8кГц не памятник в бронзе и дань традициям.

Кстати , можно сварганить усилитель от фотодиода и посмотреть его нефильтрованный выход (спектр засветки) спектроанализатором, чтобы предварительно сориентироваться в спектре возможных помех диапазона 5-20 кГц (с полосой RB=50...100 Гц примерно) того самого помещения с его лампами.

Уйти от 8 кГц - без проблем. На какую? Выше 15-20 кГц я уже не потяну.
А по поводу спектроанализатора - по мне - от лукавого это всё. Сейчас фон один, завтра другой. Например, взял я на работе измеритель оптической мощности (лучше бы не расстраивался). Включил чайник 2 кВт - скачок в оптическом сигнале от люминесцентных ламп виден явно. Далее, кто-то в здании использует устройство, создающее в сети помеху с частотой 0,5 Гц. Причём даже вольтметром в сети при измерении напряжения видно, как оно изменяется в пределах 7-10 В. В оптическом канале от ламп это видно не хуже, чем по показаниям вольтметра. Представлять себе, что происходит при включении тиристоров - вообще не хочется - тоску наводит. Поэтому я всё больше склоняюсь к тому, что 50 Гц - это только вершина айсберга. Поэтому и решил ставить ФВЧ, уповая на то, что инертность оптических элементов не позволит выдать оптический сигнал с частотами единицы килогерц (для ламп накаливания уж точно). В вот с люминесцентными, энергосберегающими и светодиодными лампами - попробую с помощью фотодиодика посмотреть, что от них идёт.

Полоса сигнала и мощность шумов пропорцинальны скважности.
С/ш при этом не меняется.
Учите матчасть.

Вот в упор не понимаю, почему увеличение амплитуды сигнала не увеличит С/Ш. Рассмотрим процесс регистрации подробно. ТИ регистрирует фон и сумму фона с сигналом засветки. Регистрация что в одном случае, что в другом идёт с одним не с одним тем и тем же С/Ш, так как банально, тепловой шум резисторов обратной связи не зависит от амплитуды сигнала, а значит чем больше сигнал, тем больше С/Ш, хотя при увеличении скважности расширяется полоса с 16 кГц до 40 кГц, но шум резисторов при уменьшении полосы в 2.5 раза уменьшится только в 1,6 раз, а амплитуда сигнала увеличится в 5 раз. Помимо этого нас интересует отношение С/Ш всей системы, с учётом разностей и шумов фона. При увеличении амплитуды засветки С/Ш будет для вычисления амплитуды выше (отношение же сигнала к шуму, где у шума ещё есть и постоянная составляющая, не зависящая от электроники - шум фона). В результате С/Ш разности будет тоже выше, чего нам в принципе и нужно.

Эскизы прикрепленных изображений