Здравствуйте!
Хочу приспособить AD8302 для измерения малых сдвигов фаз (<10°) между двумя сигналами. А эта микросхема для малых сдвигов фаз сигналов имеет "мёртвую зону". Просится решение принудительно сдвигать фазу одного из сигналов. Задача усложняется ещё и широкополосностью устройства - от 10 кГц до 5 МГц. Подскажите, как с малой кровью реализовать фазосдвигающую цепочку (можно 1-2 ОУ), с более-менее частотонезависимым фазовым сдвигом?

P.S. Может я пришёл к очень нехилой задаче, тогда буду искать обходные пути.

Заранее спасибо!

Широкополосный фазовращатель это всегда проблема и всегда ограниченная точность.
До 5 МГц - я попытался бы разность фаз мерить на логических элементах. Подаем два сигнала на входы "исключающее или" и на выходе получаем ШИМ, среднее напряжение которого пропорционально сдвигу фаз, особенно вблизи нуля.

ИМХО, это проще, чем фазовращатель.

Совершенно верно.

Прежде, чем подавать сигналы на "исключающее или", следует привести их к цифровому виду. Что тоже - задача не такая простая, как кажется. Чем затем померить временной интервал - уже дело техники.

Это как? Возможно ли такое вообще?

Да.
В соседней теме писали, что компаратор для этого - наихудшее решение, и что просто логический элемент, переключаемый на его собственном пороге, дает меньший джиттер.
А кроме компараторов, как я знаю, существуют микросхемы "усилитель-ограничитель", использовались раньше в ЧМ-приемных трактах. Вот может их использовать.
А вообще, если мы все равно потом ШИМ усредняем, то наплевать бы на джиттер? И сдвоенный компаратор тогда - самое оно.
Есть еще элементы - дифференциальные приемники с линии, вот их тоже можно попробовать.

А вообще, я сам с интересом послушал бы, какие соображения предложит народ.

Не припомню подробностей, но, наверное, всё-таки, не совсем так. Простые логические элементы - те же компараторы, только с нерегламентированными порогами. Возможно, в каких-то частных случаях работающие удовлетворительно. Я бы всё равно использовал компараторы с гистерезисом - триггеры Шмитта. Когда я делал фазометр (чуть поменьше полосой), то измерения проводил в два этапа: а-в, затем в-а+180, переключая входные сигналы с канала на канал, чтобы снизить влияние неидентичности порогов и задержек.
С усреднением ШИМа затея мне не кажется достаточно точной: потом ведь наверняка понадобится ещё одно преобразование аналог-цифра.

По-моему самый момент спросить у автора - а какая, собственно, точность ему нужна? 1% - это одно, а 0.1% - уже совсем другое.

Триггеры Шмитта навряд дали бы большой плюс, поскольку "исключающее или" хорошо работает только в случае строго равных скважностей обоих сигналов.
А в случае разной амплитуды на входах, скважность после формирователя с гистерезисом может заметно отличаться.
И вообще, если хотим получить прецизионное совпадение в районе нуля фазы, я думаю придется поставить счетные триггеры, чтобы привести к строго одинаковой скважности.


Так ведь AD8302 выдает в аналоговом виде результат.
А для измерения в районе 5МГц прямым счетом, для 1% точности потребуется счетчик со скоростью 500МГц, имхо это очень уж круто. Не говоря о еще лучших точностях.

а не проще применить синхронный детектор? С ним можно добиться любой точности, которая ограничена только стабильностью частоты сигналов.

Не проще. Ему присущи ровно те же проблемы с порогами.


Триггерам Шмитта практически нет альтернативы, если сигнал не идеально чист.

Нет, если настолько нечист, что появляются двойные срабатывания компараторов и пороговых элементов, тогда да.
(Но это, опять же, автору виднее, что у него за сигналы)

А про синхронный детектор - им лучше ловить по балансу 90 град. фазовый сдвиг, а не около нуля.

Кто-нибудь может объяснить, почему такая дорогая микросхема (AD8302) не способна работать на начальных значениях угла (от 0 до 10 град.)? Такие с этим могут быть трудности?

Может быть, это логарифические усилители на входе виноваты? Типа того, что логарифмы малых величин очень быстро растут в отрицательную область. Иных причин придумать пока не смогла.

Судя по даташиту, в ее характеристике не острый уголок в области нуля, а немного скругленный.
Абсолютно резкого излома вообще не бывает (никогда), всегда есть некоторая неидеальность.

А дорогая она, потому что работает до гигагерц. Потому там и не ЛЭ, а логарифмы.

Ну, а рекомендовать что-то подобное, но на меньшую частоту, можете? Ведь топикстартеру нужно всего лишь до 5 МГц, а мне до 250 МГц.


А у них у всех проблемы на первых 10 градусах или только у AD8302?

5МГц на быстродействующей логике сделать вполне можно. А вот 250 - (имхо), на логике - уже нет.
Порекомендовать не возьмусь, с логикой работал, а с такими микросхемами - нет.


добавлено:
Но появилась дикая идея.
Что если Вам сначала оба сигнала привести к одинаковой амплитуде и после этого просто .... подать на дифференциальные входы ОУ.
Если сигналы строго в фазе - с прямого и инверсного входов они полностью компенсирют друг друга в ноль. Как только они рассовместятся друг с другом по времени (т.е. по фазе) - на выходе возникнет сигнал, пропорциональный раскомпенсации. Остается лишь его продетектировать любым подходящим способом.

Только идея; на практике подобное не проверял никогда.

Идея действительно дикая , но экспромты обычно этим и кончаются.

Привести к одинаковой амплитуде, конечно, можно. Этим мы, по сути, приведем сигнал к виду меандра. Однако операция вычитания (на диф. ОУ) не эквивалентна операции XNOR (т.е. XOR c отрицанием). Последняя дает возможность вычислять фазу, поскольку выдает 1 (HI-level) в моменты рассогласования фаз, независимо от полярности такого рассогласования. Это дает возможность накопить/усреднить эти импульсы, чтобы получить интегральную меру, пропорциональную расхождению фаз.

В противоположность этому, разность всегда получается знакопеременной. После положительного импульса с диф.ОУ (HI) в начале каждого периода, последует точно такой же отрицательный импульс (LO) в конце периода. И по мере роста расхождения фаз, будет расти продолжительность, как положительного сигнала на выходе ОУ, так и отрицательного. До тех пор, пока разность фаз не достигнет 90 градусов. Такой сигнал не годится для интегрирования, т.к. имеет нулевое среднее.

В принципе можно лишить такой ОУ отрицательного питания, чтобы на отрицательную разницу он не реагировал. Но тогда этот же ОУ мог бы совместить в себе и функцию демпфера, приводящего входные сигналы к одинаковой амплитуде. В результате чего мы получим банальный компаратор .

А что, способ выпрямления переменки (детектирование) уже отменили? Или Вы не дочитали мой пост?

Почему же обязательно меандра? Не надо меандра.

Нехорошая идея. На НЧ такое может сработать, так даже делают активные выпрямители, но если ОУ уходит в насыщение - выводить его оттуда очень долго. Это никак не для мегагерцев, тем более, сотен.

Ну, в общем, можно бы и меандр, но на ВЧ он невыгоден, потому что после суммирования на ОУ даст рассогласование как коротенькие пики, и они наверняка сильно расплывутся и придавятся за счет ограниченной полосы и времени нарастания ОУ, так что точность серьезно пострадает.
Синус для ОУ гораздо лучше.

Заниматься детектированием на высоких частотах противно. А главное, зачем огород городить, если уже само желание произвести детектирование сигнала после вычитания эквивалентно признанию, что операция "вычитание" тут не годится, а нужна операция XNOR.

Микросхемы XNOR достататочно дешевы. И на высоких частотах тоже работают. Например, эта - MC10H107-D - три элемента XOR/XNOR в одном корпусе. И работает где-то до 1 ГГц. Т.е. для 250 МГц ее заглаза хватит.

Одно только меня смущает - все-таки она цифровая микросхема. А, следовательно, входные сигналы все равно придется превращать в меандр. Но на этот счет уже предлагали триггеры Шмитта.

Гм. Какова будет длительность импульсов для сдвига фаз 10 град?

250МГц = 4нС
10° = 1/36 периода

длительность импульсов, соответствующих десятиградусной разнице между фронтами ~111пС = 9ГГц.
Это при точности не лучше 10°. А если хотите с точностью до градуса - тады ой....

Добрый вечер.
Подробнее расскажу о задаче.
Разрабатываю измеритель частотных характеристик полного импеданса биологического объекта. Модуль импеданса имеет значения 100 Ом ... 1 кОм, фаза - от 0 до -20°. Для измерения и модуля и фазы заложил в устройство AD8302, детально не рассмотрев даташит и не увидев про малые сдвиги фаз... Теперь думаю что поделать.

Измеряемые ею сигналы следующие:
Сигнал 1: амплитуда 40-60 мВ.
Сигнал 2: амплитуда 15-150 мВ.
Требуемая точность - не хуже 5%.

Видел в подобном устройстве следующие решения для измерения сдвига фаз (рис 1,2,3):
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Рис 1. Преобразователь синус - прямоугольник
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Рис 2. Синхронный детектор?
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Рис 3. Измеритель сдвига фаз на исключающем или.

Это устройство работает на частотах 20, 100 и 500 кГц, мне поручили разработать более широкополосный измеритель. Будет ли подобная (м.б. на современной элементной базе "россыпи") схема работать на частотах до 5 МГц? Точности в 1% хватит за глаза, даже 5% - удовлетворительно.

Для прибора я продумал многочастотную калибровку на 25-и частотах, логарифмически расположенных в измерительном диапазоне 15 кГц ... 5 МГц. Калибровка проводится на наборе из 20-и калибровочных нагрузок.

На элементах, которые указала уважаемая Xenia, работать будет. Причем как раз "под завязку" - до 2 град на 5 МГц.


Тогда в чем проблема? Оставьте AD8302, она же меньше 10 град работает, только появляется нелинейность. Ну и что; - откалибруете.

Опаиньки! Этот момент я и прозевала! Вы совершенно правы - импульсы, получаемые при сравнении фаз, несомненно будут короче периода, особенно при малых фазовых сдвигах.

Так может быть и AD8302 по этой же причине на малых углах (меньше 10°) не работает? Ведь, согласно даташита, его рабочий диапазон до 2.7 GHz, а при 10-процентном сдвиге этот импульс имеет ширину, соответствующую периоду частоты 100 ГГц! Понятно, что даже AD8302 этого не потянет.

Одно только из головы не идет. Если 10-градусное ограничение возникает по этой причине, то оно должно быть частотно-зависимым. Т.е. на более низких частотах (длинных периодах) могла бы попускать и ниже 10°. Особенно в задаче топикстартера, где частота менее 5 МГц.

Так может быть, на частотах до 5 Мгц всё нормально будет работать, вплоть до градуса? И мы напрасно горячку порем? Тем более что в даташите про 10-градусное ограничение сказано не явно, а обтекаемо, что там какие-то параметры не гарантируются.

Навряд. Она же не логика. Детально не разбирался, но, похоже она работает как-то на перемножителях. Так что там, видимо, не это ограничение. Но какое-то другое разумеется есть. Нету же бесконечных параметров у вещественных устройств.

А оно частотно-зависимое. Посмотрите графики. На низких частотах характеристика более прямая и уголок в нуле более острый, с меньшим скруглением. Но "низкие" там - 100МГц. На 5 уже вряд ли что сильно изменится, но градусов до 7 возможно дотянет. А меньше - начнет закругляться, то есть просто потеряется линейность.
Если ТС сделает калибровочную таблицу - вполне сможет мерить, имхо.
О чем я ему и отписал.

Насколько понятно из слов автора, в корнеплод он сам гудит микроконтроллером, поэтому решение задачи сводится к соответствующему выбору оного, т.е. умеющего создавать пару сдвинутых по фазе сигналов, либо довеску к любому соответствующей логики, для смещения AD8302 в линейную область.

А забить на дорогущую AD8302 и сделать измерения как это все нормальные люди делают на синхронном квадратурнике, не? Глянуть какой-нибудь советский Е7-12 или просто погуглить RLC-2 - принцип действия. С ужасом вспоминаю свой диплом и синхронный квадратурный детектор до 10МГц на КП305А в качестве ключей и вечно хотящую загенерить К574УД1. DLTS-РСГУ. Или я чего-то не понял?

DLTS ? - две моих конструкции работают у нас в лабораториях делал на К190КТ2, входной каскад для сигнала - на рассыпухе (диф. пара).

У автора немного иная задача, имхо. В спектроскопии глубокого уровня мы ловим емкостную компоненту - и только ее. А автору надо оценить комплексные характеристики, как я понимаю.

Вообще-то мы меряли изменение емкости, точнее даже времянку релаксации от температуры, после импульса инжекции тока на уровне ЕМНИП 1Е-4 от самой емкости, сама величина емкостной составляющей была делом третьим. Ровно 30 лет тому назад. Но квадратурник даст и активную, и реактивную составляющие.

Абсолютно верно. Но в цепи выделяем емкостную компоненту и по ней уже ...
Можно конечно измерить активную и реактивную, а по ним уже вычислить сдвиг фазы и все остальное. Хозяин барин, как говорится.

На АД8302 малые разности фаз проще измерять по принципу компенсации. Т,е есть управляемая линия задержки (на варикапах например), на которую идет сигнал в выхода 8302 через интегратор. Линию задержки калибруем по сигналу с известным сдвигом фаз. Выход интегратора и будет измеряемым сигналом, а 8302 просто фазовым детектором.

В таком случае ФД типа XOR можно заменить на ФД типа lead/lag (это тот, кто живет внутри CD4046 под названием "phase detector 2"). Такие ФД (точнее ЧФД (PFD)), кстати, существуют вполне себе изначально шустрые, например HMC439QS16G обещают до 1.3 GHz. А в данном случае, возможно, хватило бы того, который внутри SN74LV4046A или 74HC4046A. А еще можно применить пределитель, как это сделано в ADF4002. Тут главное, чтобы зарядовый насос был на кристалле - это как раз обеспечит достаточную полосу, чтобы эти пикосекунды коротких импульсов не выходили за пределы кристалла, а за пределы выходил уже фильтрованный сигнал.

UPD: Кстати, "широкополосным фазовращателем" для ЧФД будет обычный инвертор.

Выше уже говорили — все сигналы создаёт один и тот же микроконтроллер, так что нет никаких пикосекунд, потому что можно добавить к фазе любую константу, чтобы 4046 работал в середине шкалы, но у автора всё равно проблема чисто политическая — уже купленный мешок AD8302 пока мёртвый груз.

Тогда вообще непонятно - если выдает сигналы микроконтроллер, то пусть он же в цифре разность фаз и считает. Зачем вообще какие то внешние полуаналоговые детекторы?

Здесь смешались просто две различные задачи, Xenia прибавила остроты.
Я думаю, в этом обсуждении мы упускаем принципиально важный момент: нужно ли отслеживание разности фаз в реальном времени, или эти сигналы, хоть и высокочастотные, но квазистационарные и тогда есть время применять "фокусы".

Ээээ...не до конца понятна Ваша мысль. Микроконтроллер управляет DDS-кой AD9833, сигнал с её выхода подаётся на антиалайзинговый LC фильтр - согласовывающий каскад - коаксиальный кабель 1 м - источник тока. Согласованный коаксиальный кабель соединяет главный блок с выносными активными электродами (АЭ). В каждом АЭ находится токовый и потенциальный контакт, через один токовый контакт в объект инжектируется ток, который, пройдя через объект, стекает через шинт, расположенный между вторым токовым контактом и землёй. Падение напряжения на шунте буферизируется и через коаксиал передаётся в главный блок, где оно подаётся на один из входов AD8302. На второй вход подаётся разница напряжений на двух потенциальных контактах (ясное дело, контакты подключены к коаксиальным кабелям через буферные каскады с низкой входной ёмкостью). Вычитание напряжений реализуется с помощью AD8274, и, как оказалось, она вносит запаздывание по фазе в канал напряжения, которое отчётливо проявляется на частотах выше 1 МГц. Пришлось вводить в схему компенсирующую фазосдвигающую цепочку. И при её введении видно где-то накосячил, то ли "перекомпенсировал", то ли ещё что. Вообщем поковыряюсь в обвеске.


Подскажите, а для синхронного квадратурного детектора ведь нужен опорный сигнал (меандр обычно), и он же сдвинутый на 90°? Мне его генерировать из сигнала тока через объект (благо он более-менее стабилен)? А на два синхронных детектора подавать сигнал падения напряжения на объекте и опорные сигналы (синфазный с током и сдвинутый на 90°)? Правильно я рассуждаю?


Сигналы создёт DDS, и дальше идёт целый хоровод буферный каскад - коаксиал - буферный каскад - ИТУН.
AD8302 есть всего 1 штука, ни одной не было спалено, хочется из существующего устройства добиться работы на малых сдвигах фаз.
Политических проблем нет, буду параллельно проектировать измеритель на синхронном квадратурном детекторе.


Сигналы квазистационарные, времени есть много, до 1 секунды - больше нельзя, т.к. хочется измерять ЧХ хотя бы на нескольких десятках частот.

Согласна на любые фокусы , поскольку считаю свою задачу вполне стационарной. А именно, требуется определить время задержки некоторой линии переменному току заданной частоты (от генератора меандра). Если нужно, то хоть сутки можно мерить, т.к. и частота постоянна, и параметры линии тоже.

А линия у меня не совсем электрическая, а представляет собой согнутый почти в кольцо стеклянный капилляр, заполненный некой электропроводной жидкостью/раствором. Сопротивление жидкости в капилляре преимущественно омическое, а потому ждать от него большой задержки не приходится - отсюда и проблема малых углов.

Сделать задержку для цифрового сигнала, и сделать широкополосный фазовращатель, это "две большие разницы". Задержка цифрового сигнала делается, например, добавлением N каскадов логики, ну и пары переключателей для периодической калибровки - измерения задержки, вносимой самой линией.

Более того, сделать именно фазовращатель в достаточно ограниченном диапазоне частот в цифровом виде проблем не составляет - это умеют почти все DLL/DCM блоки в FPGA.

опорный сигнал квадратур формируется из чего-то стабильного двумя D-триггерами делением на 4 чаще всего, потом сигнал с датчика-моста калибруется на известном импедансе (обычно безындуктивный резистор - тот же СМД 0805 на 5МГц) и дальше идет пересчет активной и реактивной составляющих по обмеру на других частотах - у нас так было, но многие калибруются на нескольких частотах и нескольких импедансах - в описании LCR-2 это хорошо было описано. На частотах повыше 20МГц точности квадратур триггера 74AC74 может и не хватить. Применяют полифазные фильтры (я делал до 90МГц - в полосе 50-90МГц с точностью в полградуса и 0.1дБ по амплитуде). Там в отличие от всепропускающих фазовых звеньев на операх не такая жесткая зависимость квадратур от точности компонентов.

А многоканальная DDS'ка (типа AD9106) не вариант?

Ваша мысль теперь понятна, а моя такая — меандр с МК на фильтр, преобразовать в ток, сигнал с шунта усилить и оцифровать детектором нуля на логическом элементе, ДУ заменить на ИУ и оцифровать выход тем же способом, эти два сигнала подать через мультиплексор на вход 4046, на второй вход подать исходный сигнал с МК, сдвинутый им на порядка от четверти до полупериода.

Алгоритм работы — усредняете АЦП напряжение помпы 4046, переключаете мультиплексор, усредняете второе значение, немного сдвигаете МК фазу сигнала, усредняете третье значение. Таким образом, получаете разность фаз и вес фазы. Если скорости последовательной работы недостаточно, поставить две и более 4046 и калибровать их в чередовании.

Статейка по теме. На русском языке, но все равно непонятно .

Возможно, ее чтение породит новые идеи, т.к. там с помощью AD8302 мерили интерференцию на ... 131 ГГц!

Не, ну конечно не на 131.
А на 133 - 131 = 2ГГц. Что вполне в ее паспортных пределах.

Но на угол-то ведь не жаловались?

И вот в этой еще статье http://www.wetterlin.org/sam/PhaseShift_AD8302.pdf тоже все хорошо при нулевом угле.

Наткнулся на однополупериодный синхронный детектор на К190КТ2. Какие преимущества и недостатки есть у однополупериодного синхронного детектора по сравнению с двухполупериодным?