Здравствуйте, много информации перечитал, но осталось несколько вопросов по синхронному детектированию. Конкретно - по детектированию сигнала после фотодиода. Схема установки классическая: источник света - механический обтюратор - исследуемый образец - монохроматор - фотодиод. Схема компенсации засветки на ОУ по вычитающей схеме и полосовые фильтры работают отлично - при обкатке расстояние от выходной щели монохроматора до фотоприемника делалось около 50 мм и включалось верхнее освещение в виде люминесцентных ламп, при этом мплитуда сигнала фотоусилителя прыгала примерно на 250 мВ при небольшом коэффициенте усиления, зато после компенсации и полосового фильтра, выделяющего частоту модуляции примерно в килогерц, форма сигнала и амплитуда изменялись очень незначительно относительно полезного сигнала. Докучи к этому нужно приделать ещё синхронный детектор. Так как опыта работы с ними не было, первым взгляд упал на статью Дмитрия Лапшина "Простой метод синхронного детектирования" из журнала Схемотехника, она прикреплена ниже. Собран детектор на AD781 - мс выборки-хранения. Но как-то совсем не нравится его работа, может что-то делаю не так или недопонимаю, подскажите. Одновибратор - АГ3, длительность регулируется хорошо и время начала запоминания амплитуды полезного сигнала устанавливается стабильно и почти не плавает. Запутался с вопросом перекрывания частот. К примеру если опорная частота около 1 кГц, а частота помехи в несколько раз меньше, то она однозначно перекрывает опорную и выборка и хранение в случае величины просочившейся помехи, сравнимой с полезным сигналом, будет проведена именно по амплитуде помехи или сумме амплитуд помехи и сигнала. Ниже осциллограммы работы. Синяя -сигнал после детектора, желтая - сигнал с фотоусилителя, зелёная - импульс с оптопары обтюратора, розовый - импульс после одновибратора. Всё вроде хорошо, частоты, большие опорной, детектор гасит, но при меньших частотах амплитуда продетектированного сигнала начинает скакать. Как должно быть в оригинале? Как-то смущает эта выборка-хранение. Однозначно соберу поиграться детекторы на основе перемножения и ключевания, но как-то подзапутался со схемами. Если дадите пару советов по работе с AD781 или поделитесь обкатанными схемами синхродетекторов на попсовых деталях, буду очень признателен.

С AD781 я не работал, но работал с 525ПС3 именно в этом применении, синхронное детектирование. Точность оказалась низкой. Для измерительных целей навряд ли пригодна.
Другая схема была на основе ОУ и ключей, периодически обменивавших местами прямой и инверсный входы. Эта схема работала намного лучше. Погрешность зависит от качества ключей, которое сказывается только на маленьких уровнях сигнала (утечки, ненулевое включенное сопротивление). Но поскольку перед детектированием сигнал уже бывает достаточно усилен, неидеальность ключей влияет мало. Этот вариант можно рекомендовать попробовать.

То, что написано в статье - аналоговое запоминание амплитуды, для вашей конструкции не подходит. Потому что Вам надо не только детектировать, а еще и выделять нужный Вам сигнал из помех.
Свойство фазового детектора то, что он выпрямляет только синфазный сигнал, все остальные остаются переменными и давятся дальнейшим ФНЧ.
Схема же из статьи пытается уйти от последующего ФНЧ. То есть "чистый" сигнал она продетектирует хорошо, а вот зашумленный - плохо. Потому что в моменты запоминания, если была помеха, даже короткая, она запомнится вместе с сигналом и значение окажется испорченным аж до следующего периода.
А в традиционной схеме - последующий ФНЧ сглаживает ВЕСЬ искомый сигнал без изъятия, так что у сигнала оказывается преимущество перед помехой, и отстройка от помех получается на порядки лучше.

Детектирование перемножением, даже с применением особо точных микросхем, не даст Вам каких-либо преимуществ перед простой схемой с ключами. Перемножение выгодно тогда, когда мы имеем сигналом синус и умножая его на обратный, еще до сглаживания уже получаем довольно ровную линию.
Но у Вас-то полезный сигнал близок к прямоугольному, раз вырабатывается обтюратором. Так что, если его просто синхронно переворачивать ключами - Вы и так получите прямую линию - без всякого перемножения.

Резюме:
Рекомендую делать синхронный детектор с ключами. Можно на отдельных микросхемах, можно на специализированной, если есть.

А ещё лучше сразу оцифровывать сигнал многоразрядным АЦП, а все прочие умножения и фильтрацию производить уже в цифровом виде.
Перед АЦП остаются только предусилитель и ФНЧ.

Может оно и так, но столько программирования мне было б тяжело. И вообще тогда лучше уж DSP.


У меня на работе для такой цели (фотодатчик после монохроматора МДР-12) используют древний Унипан. Но там сигнал с датчика очень маленький.
Но и поновее готовые приборы для этой цели существуют.

немного подумавши.

Всё зависит от требуемой точности. Если процента или двух хватает, то, учитывая низкую частоту сигнала, пожалуй можно бы запрограммировать даже на моих любимых PIC-ах.

Мне показалось, что при неравенстве детектируемой и закрытой частей периода нижние частоты будут пролезать. Особенно это наглядно, например, для кратно низких частот - например, половинной.
Я раз делал такую схему, но со скважностью половина. Не использовал аналоговые ключи, просто подавал сигнал на +/- входы дифусилителя-интегратора, а стробирующим сигналом сажал нужный вход на землю в нужный полупериод. Хотя, честно говоря, пролезание помех специально не мерял. Помех от ламп видно не было совсем.

По сути это уже и есть пол-ключа.
Просто в такой схеме уровень будет меряться не от "земли" точно, а от остаточного потенциала на притянутом к земле входе. Небольшая, но погрешность. Чтоб ее снизить, сигнал на это время от заземленного входа лучше отключать. - вот и полная нормальная схема с ключами

Касательно пролезания кратного сигнала - я такое не наблюдал, но не поручусь; надо бы проверить. Вообще, со многих сторон лучше иметь скважность 2. Она на выходе продетектируется ключами в точную ровную линию.
А если будет отклоняться от двойки, то после первого же разделительного конденсатора более короткий полупериод приобретет больше амплитуду, чем более длинный. Таким образом, когда мы вывернем их ключами на одну полярность, их амплитуды не совпадут в одну ровную линию и появится пульсация на частоте сигнала. ФНЧ обязан ее сгладить в среднее.

Хотел еще сказать про обтюратор.
Обычно у нас либо ответвляли основной луч отражением от стеклянной пластинки на фотодиод и получали точно синхронный сигнал; особенно хорошо такое с лазерным пучком.
Либо с другой стороны "вертушки" ставили пару светодиод-фотодиод и получали сигнал в противофазе. Не очень конечно сложно, но все же гиморно.
Я сделал такой вариант:
"Вертушка" имеет только одну лопасть - половинную. А напротив нее, в качестве уравновешивающего груза около оси - половинка отбитого кольцевого магнита.
Около магнита геркон. Надеюсь дальнейшее ясно: вертушка крутится, и на каждом прохождении магнита геркон замыкается.
Отличный прямоугольник с хорошими фронтами; дребезга не наблюдалось. Ток около миллиампера (5V), безукоризненно работает уже третий год.

В статье Лапшина даётся довольно поспешное заключение о преимуществах детектора, построенного на УВХ, лишь на том основании, что фильтру не нужно давить двойную частоту сигнала. В то же время ничего не говорится о шуме, его характеристиках - у него шум тоже идеален, как и сам сигнал.
Между тем, это принципиальный момент: если сигнал зашумлен не просто белым шумом, а присутствует регулярная помеха в рабочей полосе, то все преимущества такого простого подхода утрачиваются. Ведь подавление внеполосного сигнала в виде двойной частоты выглядит забавой по сравнению с борьбой с НЧ-шумами.
Я для похожей задачи тоже начал с детектора на УВХ. Экспериментировал даже с OPA615, но быстро убедился в бесперспективности самого метода. Гораздо лучше вёл себя простой прецизионный аналоговый детектор на "идеальных диодах". А в итоге остановился именно на синхронном переключении. Для сигнала, близкого к прямоугольному - действительно особенно приемлемый вариант.

Делайте "классический" с ключами, и не ломайте себе голову, как сразу же и посоветовали.

Да, конечно. Я просто поделился одним из упрощенных схемных решений. Но, кстати, хоть Вы верно написали про погрешность от остаточного потенциала - я еще сказал, что это была симметричная схема на входе дифинтегратора. Если входные цепи достаточно точно симметричны - погрешность падает на один-два порядка (можно брать пару транзисторов на одном кристалле).

Да, примерно так. Я сам рассуждал немного по-другому: есть ряд функции, математически образующих ортогональный базис. Сюда относится разложение в ряд Фурье на синусоиды и, как мне кажется, разложение на меандры как некое упрощение. Ортогональность (т.е. равенство нулю коэффициентов разложения по всем остальным частотам) здесь ключевой момент. А при неполовинной скважности ортогональность теряется, появляются ненулевые члены от других частот.

Огромное спасибо отозвавшимся за предложения и мнения, которые очень помогли разобраться. Все недопонимания разрешились и установка на данный момент закончена. Я просто доконца не проникся сутью устройств и сразу начал сборку. В итоге донастроил компенсатор засветки, пожестче обозначил полосу пропускания активного полосового фильтра и получил очень даже симпатичный периодический сигнал. Так как в моем случае после фотоусилителя при работе обтюратора присутствует только положительное напряжение и величина его не настолько мала, что бы не было возможности отличить его от возможной помехи без колдунств, остановился всё-таки на использовании УВХ. Применение ключевания предусматривает работу с отрицательной и положительной полуволнами, а у меня только положительное периодическое напряжение, появляющееся при открытии окна модулятора света. Поэтому картинка после ключевого детектора не сильно изменится - только сдвинется на 180 градусов, насколько понимаю. Поэтому сделал импульс одновибратора, управляющий микросхемой ВХ, максимально коротким и выставил фазу его появления ровно по центру открытого окна обтюратора. После УВХ стоит сглаживающий конденсатор, поэтому сигнал получается достаточно стабильным - четкая примая линия. В целом, благодаря синхродетектору, компенсатору засветки и хорошо настроенному полосовому фильтру, полезный сигнал держится в пределах 4-5 мВ даже при издевательствах в виде спецального подмешивания помех с амплитудой не менее 30-40% от полезного сигнала. На приличное отодвигание от щели монохроматора даже при включенном верхнем свете устройство практически не реагирует и удерживает амплитуду полезного сигнала в пределах 2-4 мВ при максимальных значениях сигнала примерно в 850 мВ, а большая точность мне и не требуется. Обдумал вариант устройства на контроллере - очень даже понравилось, через пару месяцев, когда появится время, обязательно соберу. Разве что не на PIC, а на AVR. Программой и соображениями поделюсь, может кто в чем поправит или кому-то пригодится. Спасибо за помощь!

А как именно Вы его подмешиваете?

Таким образом Вы добровольно отказываетесь использовать большую часть сигнала (информации).

В том смысле, что бОльшая часть времени, когда идет полезный сигнал, не используется и в интеграл не попадает?

В том.

Вы абсолютно правы, но у человека всё работает так, как он хочет - а победителей не судят

Фаза срабатывания оптопары выставлена таким образом, что фиксация амплитуды полезного сигнала микросхемой ad781 происходит ровно в момент максимальной величины полезного сигнала уже после прохождения цепей шумоподавления. Затем сигнал держится до прихода следующего синхроимпульса, который появляется в соответствии с выставленной фазой при очередном открытии окна обтюратора . По величине амплитуда после фотоусилителя и амплитуда на выходе устройства практически не отличаются, если искусственно не добавлялись помехи. В итоге после УВХ со сглаживающим конденсатором на выходе имеем несколько сотен милливольт, а осциллограмма имеет вид прямой. Т.е. как и планировалось - зафиксировано и удержано максимальное значение сигнала, плюс предыдущими звеньями отфильтрованы помехи. Поэтому не понял что именно потерял. А насчет помех - их как только не добавляли=) Самым наглым вариантом было подмешивание аудиосигнала с помощью делителя к выходу фотоусилителя. На осциллограммах работа компенсатора засветки. Зелёная - сигнал с ФУ при искусственной засветке, желтая - выделенный полезный сигнал, синяя - напряжение на выходе детектора.

А подмешайте 50Гц.

На первом фото верхняя осциллограмма - промодулированный сигнал с частотой чуть больше 1 кГц и помеха в 100Гц от ламп дневного света, нижняя осциллограмма - сигнал после полосового фильтра. На втором фото работает и полосовой фильтр и компенсатор засветки на вычитающем ОУ. Если в фильтре поднять усиление в полосе до 100 Гц, то и добавлять ничего не надо - 50 Гц в несколько милливольт само появляется )) А при выделении полосы только в районе килогерца картинка радует.

Да, это хорошо, но как видеть работу синхронного детектора? Складывается впечатление, что и без него всё работает как надо.

Да оно, в общем, так и получается, как ни смешно. В моём случае эксперимента каждое устройство работает как и было задумано, но оказалось, что нет особого смысла в применении вдовесок ещё и синхродетектора, повторяющего уже полученную амплитуду. Плюс его в моем случае разве что в получении постоянного напряжения. Но пригодится это, думаю, только когда закончу с ацп. Если делать 10-20 измерений для их последующего усреднения при наблюдении конкретной длины волны, то амплитуда после УВХ будет постоянной независимо от момента времени, в который ацп будет выполнять свою работу. Хотя, запуск АЦП можно так же синхронизировать с работой оптопары и проводить измерения во время максимальной освещённости образца, не городя огороды, хоть 10, хоть 100 раз. Короче, получилась пятая нога у собаки Но тогда вопрос - что я опять недопонял, ведь в случае применения чувствительного фотоприёмника и хорошо настроенного полосового фильтра, установка в принципе не нуждается в синхронном детекторе? Почти во всех научных статьях по фотометрии говорится, что авторы такие-сякие молодцы и применяют синхронный детектор при измерениях, но ни в одной статье не приводится схем, не говорится на основе чего применяется детектор и действительно ли есть в нем смысл. Очень многие применяют тот же ФД24-К для измерений и достаточно неплохие ОУ после него, получая те же сотни милливольт полезного сигнала. Ощущение, что синхронный детектор просто дань моде в случае фотометрии, так как более чем достаточно просто модулировать свет от источника и выделять амплитуду на известной частоте, избавляясь от широкого спектра помех.

Вы достигли хорошей фильтрации за счет сильного различия частоты модуляции и полосы возможных помех.
Обтюратор с какой скоростью у Вас крутится - ну максимум герц 10? - разумеется килогерцовую наводку Вы задавите практически полностью всего лишь фильтром.
А если например нужно исследовать более быстрые процессы, и Вы модулируете лазер частотой 2кГц? - вот тут Вы уже от килогерцовой наводки не отделаетесь так легко.
И еще зависит от величины сигнала с датчика. У нас, например, в одной установке используют не ФД24-К, а германиевый детектор, охлаждаемый жидким азотом(!) для понижения теплового шума. Сигнал с него чрезвычайно мал. Даже при всей экранировке, многократно превосходящие помехи идут по всему мыслимому диапазону, включая и скорость вращения "вертушки".
Фильтры используются только предварительно, чтобы отсечь заведомо неиспользуемую часть. Всю главную работу по выделению сигнала производит именно синхронный детектор. Без него оцифровать практически ничего невозможно для таких условий.


Резюмируя:
Просто у Вас очень мягкие и комфортные условия, что оказалось достаточно лишь фильтрации. Используйте сразу АЦП - в этом нет ничего плохого совершенно, если в заданные рамки точности укладываетесь.

Но вот когда будете ставить другие эксперименты и если помехи начнут захлестывать - вспомните о фазовом детекторе, и не с запоминанием (для этого достаточно уже АЦП!) а с ключами и последующей фильтрацией.
Хотя! - как уже тут говорилось. Если АЦП достаточной разрядности и быстродействия, синхронное детектирование можно произвести целиком в цифровом виде и дальнейшее сглаживание с применением сложных статистических способов. Это хороший современный путь.


Ну, в общем, это тоже есть. Если Вы опубликуете работу с прямой оцифровкой, некоторые снобы могут скривить свою физиономию. Но это уже вопрос так сказать политический... Приходится думать, что писать, чтобы работа хоть как-то увидела свет. Увы! Еще Де-сент Экзюпери съюморил, что астроному, доложившему об открытии, не поверили только потому, что тот был одет по-турецки))))))
Ну а Вы напишите, что синхронное детектирование осуществляется в цифровом виде с использованием АЦП

Это значит, что у Вас ещё всё впереди... А "моде" этой именно в фотометрии уже сто лет в обед.
Откройте "Искусство Схемотехники" 2-й том, главу "Измерения и обработка сигналов", параграф "Обнаружение путём захвата".
Во 2-ом издании (1984г) это 14.15, стр. 383. Будет познавательно.

Да, условия в самом деле оказались мягкими, поэтому все гладко. Но с приходом должного понимания тематики синхронного детектирования обязательно будет проведена работа над ошибками и всё постараюсь сделать в соответствии с классикой, что бы независимо от халявы иметь возможность достоверных измерений. Частота модуляции света выбрана примерно 1,03 кГц. Выделяется фильтром именно она.



Это точно, всё ещё впереди. Но, говоря о моде, я не имел в виду, что устройством в фотометрии можно пренебречь =) Имел в виду только случаи измерений, подобные моим, которых абсолютное большинство и в которых всё равно применяяют синхронное детектирование (по-крайней мере в публикациях), закрывая глаза на его бесполезность. Но смысл такого рода публикаций разъяснил Меджикивис. В статьях с условиями измерений, аналогичными моим, буду считать упоминание детектора чем-то вроде доброй традиции, не заостряя на этом внимание.

Ещё раз огромное спасибо за подсказки и конкретные ссылки, в понимание вопроса обязательно углублюсь как следует со временем.

Если не секрет.
Что представляет собой обтюратор, модулирующий аж на килогерц? Не делает же механическая крыльчатка более 1000 об/сек.

К сожалению сейчас нет фотографий последнего варианта обтюратора под рукой, но как сделаю, добавлю. Где-то в хламе откопан металлический диск промышленного изготовления диаметром сантиметров в 12 с большим количеством прорезей, перпендикулярных окружности. Судя по всему раньше он применялся как раз для для подобных целей. Диск повешен на вал первого попавшегося двигателя и при напряжении питания в 8 В позволяет получать частоту модуляции примерно в 1,3 кГц. Первоначальный вариант модулятора был сделан на основе жесткого диска от ноута и с 2 отверстиями во вращающемся диске позволял получать частоту модуляции до 300 Гц. Было желание увеличить количество отверстий в 4 раза и работать с частотой приерно в килогерц, но случайно попался уже готовый вариант и было решено не заморачиаться несмотря на компактность бывшего жесткого диска. Если будет не лень, можно со временем вернуться к этому варианту. На фотках первый обтюратор. Двигатель управляется микросхемой TDA5140A, частота вращения регулируется напряжением питания.

В "нормальных" приборах используется частота 12.5 Гц. Можно догадаться, почему.
Когда помех мало (сигнал большой), тогда и большая частота подойдет.

Что-то глубины этой мысли не понимаю.
Частота обтюрации ограничивается только быстродействием приемника.
На пороговую чувствительность она в первом приближении не влияет.
Главное, чтобы частота была кратна частоте сети.
У меня например пирометр работал на частоте 250 Гц.

Синхронный детектор (без умножителя) детектирует нечетные гармоники частоты модуляции. Но чем выше частота, тем меньше...


Сигнал большой, наверное. И скорость нужна высокая. Бывают очень скоростные пирометры.

Какие гармоники? После синхронного демодулятора всегда ставится интегратор, который и выделяет постоянную составляющую от полезного сигнала.

А для пирометра нет понятия "большой сигнал". Он там всегда большой.
Главный параметр - разрешение по температуре.
У меня разрешение было около 0.02 градуса

Гармоники от шумов, наводок и помех детектируются тоже и попадают в постоянную составляющую.
Вот еще на аудио-картах делают синхронные детекторы. Я в них не разбираюсь.

Может детектироваться только то, что попадает в полосу пропускания интегратора.
Примерно так - если постоянная времени интегратора 1 сек, то эквивалентная полоса пропускания приемника 1 Гц.
Поэтому чувствительность от частоты модуляции практически не зависит.
Все в точности так же, как в приемнике прямого преобразования.

Про Ваш приемник ничего не знаю. И вообще ничего про приемники...
Вот могу нарисовать синусоиду и меандр. Если в каждой половине меандра укладывается нечетное число полуволн, то при их синхронном выпрямлении (сложении с разным знаком - интегрировании по периоду меандра) будет ненулевое значение - удвоенный интеграл от одного полупериода синусоиды. А среднее значение будет в N меньше, чем для основной гармоники.
Это про детектор с ключами.

Вот нарисовал.
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Действительно - положительных полуволн больше.

А, похоже, если детектировать перемножением на синус, то постоянной составляющей в этом случае не будет, потому что в районе "сдвоенных" полуволн амплитуда окажется меньше.
Так?

Мне даже в голову не пришло, что кто-то может выбрать частоту модуляции не кратной частоте сети...

Красиво рисуете...

Как бы это попроще... Набор функций вида A(N)*Sin(N*t) (или/и Cos(от того же самого) )образуют орто(гональный)нормированный базис. В некотором пространстве с введенным там определенным образом скалярным произведением... Вот как-то так на пальцах...

Да не, когда часть перевернул - явно ж видно, что кривоватая синусоида-то)))) ну неважно, суть же понятна.

Можно конечно всё расчитать. Но мне мешает жуткая лень, я привык мыслить предметно, то есть совсем в другом ключе.
Ну Вы просто скажите, как по-вашему - ликвидируется ли постоянная составляющая для этого соотношения, если помножить на синус.

(Да не, не принципиально; просто интересно к слову, раз уж зашла про это тема)

Часто сеть - не единственная и не главная проблема...

Конечно, не единственная.
У меня самая большая проблема была с наводкой на пироприемник от обтюратора.
Именно она ограничивала разрешение.

Вибрации?


Как это? Например, модуляция - 100 Гц, тогда вторая гармоника сети попадает... или не так поняла?

Нет, не вибрации.
Прямая наводка электрического поля на пироприемник.
Вращающийся обтюратор глухо заземлить невозможно - будет шум от заземляющей щетки.
Но даже если полностью заземлить, на нем всегда будет небольшой контактный потенциал.
Ко всему он модулирует внешнее электрическое поле, которое проникает до детектора.

Вот это гарантировано. Остальное навряд ли составит достойную конкуренцию, включая потенциал на обтюраторе..

Для модуляции годятся даже высокочастотные поля.
Например, на пироприёмник легко ловится помеха от мобильника. Была бы промодулирована, а где продетектироваться она и сама найдёт.
В своё время мне этот эффект сильно доставлял. На характеристиках прибора не сказывалось, но при настройке и тестировании мешало изрядно.