Добрый день, форумчане!

Посоветуйте, пожалуйста, какой лучше использовать подход для решения следующей задачи:
необходимо измерять изменение амплитудного значения переменного синусоидального сигнала, амплитуда около 10 В (размах 20 В), изменения амплитуды около 100 мВ (это изменение и необходимо измерять), необходимая разрешающая способность 0,3 мВ, частота сигнала 3 кГц, могут быть высокочастотные шумы, выходное сопротивление источника сигнала 500 Ом. Питание схемы однополярное 3-5 В.
Посоветуйте, ставить делитель на входе или пробовать сдвинуть сигнал и, тем самым, не потерять в чувствительности?
Первоначально предполагал сделать так: делитель (резистивный), дифференциальный усилитель (или инструментальный усилитель для преобразования дифференциального сигнала в сигнал с общей землей), ФНЧ, повторитель на ОУ (для согласования уровней), АЦП. Цифровать ли сигнал полностью (накладывается ограничение на скорость АЦП) и определять максимум, или организовать пиковый детектор на аналоговой схемотехнике и цифровать постоянный уровень? Какому из подходов отдать предпочтение? Может есть еще варианты? Раньше мне не приходилось фиксировать небольшие изменения на фоне больших сигналов, поэтому опыта нет. Прошу помощи.
Заранее благодарю за ответы.

- Если цифровать влоб, понадобятся чистые 16 бит по шуму (что - то около 98дБ) и соответствующая линейность.
Решение такой задачи может оказаться очень болезненным даже для 3 КГц.

- В пиковый детектор с такой линейностью как-то тоже не очень верится.

- Я бы попробовал что-то типа активного выпрямителя, совмещённого с усилителем и смещением. Сигнал предварительно пофильтровать. А дальше можно ставить простенький самплирующий АЦП. Сгодится и встроенный в микроконтроллер, из тех, что поприличней.

Нормальные герои всегда идут в обход. В лоб (брать и оцифровывать и обрабатывать) действительно трудновато, но по богатому ботанскому прошлому помню, что если не можешь померять изменение- меряй производную.
Поширше задачу можно описать? Эти изменения чем-то вызваны? Что это за воздействия, что вызывают эти изменения? Можем мы их "кто нам мешает тот нам поможет"?
Ну например, если мне нужно изучить влияние (очень слабое) света на модуль Юнга, то я не буду мерять модуль Юнга со светом и без света и потом вычитать их. Я буду светить на образец с частотой (все дальнейшие цифры условны) 10 кГц и регистрировать модуль Юнга (точнее конечно сигнал, который потом пересчитаю в модуль Юнга) либо на частоте 10 кГц селективным вольтметром, либо (что несомненно лучше) синхронным детектором на той же частоте 10 кГц и получу нормальный сигнал/шум даже для изменения -60-80 дБ относительно "невозмущенного" модуля Юнга. А померяв на частоте 20 кГц, я зарегистрирую производную модуля Юнга по освещенности, которую при обычном подходе я бы хрен (даже с 24 разрядным ацп) увидел.

Этот подход вполне правильный и я его всецело поддерживаю. Но вопрос - получится ли у ТС им воспользоваться. Здесь есть еще отягчающее обстоятельство с переменным напряжением выпрямлять или ловить максимум с хорошей линейностью накладно. Сейчас есть хорошие дельта-сигма АЦП, 24-разрядные, которые позволяют спокойно измерять все напрямую, 3 кГц - не проблема, оцифровку можно поставить килогерц на 30-50, все прекрасно получится. И входной каскад можно делать достаточно простой, чтобы не наловить шума дополнительного. Нужен только сдвиг уровня, делитель и переход к парафазному сигналу.

А как быть с тем, что амплитуда входного сигнала больше напряжения питания схемы? Это не помешает?

cловить дельту -80 дБ на 10 точках на период - имхо иллюзорно.
Для измерения с хорошей линейностью напряжения 3 кГц есть готовые приборы, тут и голову ломать не надо. Собственно я их и указал - либо селективный вольтметр, либо синхронный детектор, и те и те дают линейность десятые доля % на шкалу, а шкала ведь - не 20 В, а порядка нужного нам (не,не нам, а ТС) изменения.

Думаю, описанная задача измерения модуля Юнга отличается от моей. Изменения амплитуды сигнала вызваны различными объектами, помещенными в первичный преобразователь (пока не буду писать какой). От разных объектов сигналы отличаются по амплитуде (об изменениях я писал ранее). Единственное, что объединяет объекты - то, что изменения амплитуды сигналов находятся в определенном неизменном диапазоне. Поэтому пока не знаю что мешает и что может помочь.


А последовательность именно такая или делитель, сдвиг уровня и т.д.? Я правильно понимаю, что для сдвига уровня в моем случае нужен источник питания на напряжение вольт 12 ?

А причем тут "на период", вопрос на каком интервале вообще их нужно измерять? Если изменения амплитуды идут каждый период - тогда есть большая проблема, я бы сказал, почти не решаемая. А есл изменения медленные - то сколько точек у нас на период - дело десятое.

артефакты оцифровки- дело не десятое.


вроде спинового детектора? А что не написать какой, если это поможет?


а всовывать и высовывать или сделать "первичный преобразователь" вибрирующим и ловить сигнал на частоте вибрации и двойной частоте вибрации? Магнитометры бывают такого типа - не образец вибрирует (как заставить вибрировать Землю), а головка магнитометра, и ловят сигнал на частоте вибрации. Или как в видеомагнитофоне- лента едва движется, а головка движется относительно ленты со скоростью порядка метра в секунду.

Вибрационные магнитометры - штука сложная, дорогая и стационарная. Селективный вольтметр и синхронный детектор (Lock-in amplifier) - тоже удовольствие не из дешевых. А в моем вопросе подразумевалось простое решение для носимой малогабаритной аппаратуры.

Заплатите - Вам сделают.

Решение на суммирующих усилителях и пиковых детекторах:

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

К отрицательной полуволне добавлена ступенька 100 мВ, чтобы показать привязку усиления.

Прерываться можно по слегка отфильтрованному падению в насыщение ОУ ПД, и тогда же оцифровывать и сбрасывать ПД.

V4 и V5 изображают из себя два подкручивающих соответствующие смещения ЦАП'а, с весами, заданными R2 и R10.

Есть еще вопросы:
- С какой точностью известно значение частоты сигнала 3 кГц?
- Может ли частота сигнала изменяться на интервале измерения?
- И чему равен этот интервал измерения?

Спасибо за вариант схемы. С первого взгляда кажется сложноватой из-за обилия источников. Пока разбираюсь, есть вопросы...
V4 и V5 задают смещения для возможности работы схемы от источника питания 3.3V? Почему это должны быть ЦАПы, а не ИОНы, например?
Ступенька 100 мВ задается V3?
Не могли бы вы привести осциллограммы на инвертирующих входах U1, U4?
А можно оцифровывать постоянно с выходов ПД и выбирать максимумы?
Заранее благодарю за ответ.



- неизвестно
- частота может меняться
- чем меньше, тем лучше (не более 1-2 секунд)

В таком случае, можно сделать так:

ОУ -> АЦП -> S_n² -> ФНЧ -> SQRT().

Где:

ОУ - ADA4941,

АЦП - любой из: AD7989-1/AD7691/AD7982,

функция возведения в квадрат реализована в 32-х битной арифметике на любом МК.

Для сигнала S(t) = A*sin(ω*t+φ) имеем:

[S(t)]² = [A*sin(ω*t+φ)]² = A²*[sin(ω*t+φ)]² = A²*[1 - cos(2*ω*t+2*φ)]/2 = A²/2 - A²*cos(2*ω*t+2*φ)/2.

После фильтрации:

ФНЧ([S(t)]²) = A²/2.

Вычисляя с 16-ти битной точностью квадратный корень SQRT(2*ФНЧ([S(t)]²)), находите амплитуду "A".

PS. И даже можно сделать еще проще:

ОУ -> АЦП -> ABS(S_n) -> ФНЧ -> *pi/2.

PPS. Ну и если в спектре есть сильные помехи, то:

ОУ -> АЦП -> FFT(S_n) -> параболическая_интерполяция -> максимум_параболы.

Потому что, как сказано выше, они задают точные подстройки смещений, грубо заданные R3 и R11.

Странно, чего ж тут ещё может быть непонятного — схема усиливает сигнал до 100 В и по отдельности смещает две его вершины во входной диапазон АЦП — ведь ясно видно, что 100 мВ внедрённой в горб 10 В ступеньки преобразовались в 1 В и очутились в рамках диапазона 3-вольтового АЦП.

Кратковременная стабильность питания/опорного и совокупные температурные дрейфы должны быть лучше требуемого разрешения.


Нет — синхронный детектор, как понятие, требует синхронного же и немедленного восприятия захваченных данных и неотложного последующего сброса конденсаторов ПД.

Что же, спасибо за ваш вариант.
А что делать с большой амплитудой входного сигнала? Делитель перед ОУ?

Лок-ины я сам паял еще при совках (не от хорошей жизни, ясное дело, на 544 (вроде так называлась серия оу) получал 60 дб на сотнях герц при времени интегрирования 0,2-0,5 с
Так что сейчас сделать для носимой и малогабаритной- совсем не проблема.
То же и селективный вольметр, хотя в вашем случае (частота ползет) лучше лок-ин.

Там же на сайте по ссылке на AD7989 приведена схема включения для диапазона входного сигнала +/-10 Вольт: CN0032.

Благодарю за ссылку.
Входной делитель все-же присутствует.
Питание ОУ какое-то экзотичное +7 и -2 В.

Как идея. Если необходим сигнал только возле максимума, то я бы попробовал отсечь ненужное. Поставил бы пороговое устройство вольт на 9; электронный ключ, замыкающийся при превышении порога; на вход ацп через ключ подавал бы разность входного сигнала и источника опорного напряжения на теже 9 вольт. Нынешние операционники очень быстро восстанавливаются, на 3 кГц все бы получилось.

Ну, схем в Интернете полно. В том числе и схем с "неэкзотичным" питанием: LTC6362 (см. стр. 15).

это ведь регистрация на нулевой частоте?

Я, к сожалению, не знаком с этим термином.

Предложенный способ, в сущности совпадает с изложенным в книге У.Титце, К.Шенка методом измерения "эффективного значения напряжения" (см., стр. 473, §25.3.2, рис. 25.14), но реализованным в цифре.

Единственным преимуществом этого метода перед измерением "среднего абсолютного значения" (см. стр. 470, §25.3.1, рис. 25.10), НЯМС, является уменьшение погрешности измерения.

Но в обоих методах, если помимо основной частоты 3 кГц в спектре сигнала присутствуют гармонические помехи, то перед нелинейной операцией [S(t)]² или abs[S(t)] потребуется фильтрация сигнала в полосе 3 кГц ± Δ.

Скажите, а стоит ли ставить аналоговый ФНЧ на входе схемы (до ОУ)?

Хотелось бы поблагодарить всех откликнувшихся, в особенности предложивших варианты схемной реализации.
Для себя отметил, что вырисовывается 2 основных варианта:
1. Предложенный blackfin'ом вариант - поставить дорогой высокоразрядный быстрый АЦП и цифровать все что приходит. Далее цифровая обработка. С точки зрения современных подходов (наличия элементной базы) к обработке аналоговых сигналов такой подход в большинстве задач становится "классическим".
2. Предложенный Plain'ом вариант со сдвигом амплитуды сигнала и пиковым детектором. Он более изящный, т.к. не теряется чувствительность в силу отсутствия делителя, требования к АЦП гораздо менее жесткие по сравнению с 1-м вариантом. К плюсам также относится низковольтное питание. Но настройка схемы более проблематичная, чем в варианте 1, плюс необходимы ЦАПы.

Если в чем-то ошибся, прошу поправить.

Выбор пока не сделал. Прорабатываю оба варианта.

Не знаю, о какой настройке Вы говорите — никаких ручных настроек в схеме нет, а подкрутка копеечными ЦАП'ами является функцией обычно нелинейного алгоритма ФВЧ, держащего сигнал в приемлемых рамках входа АЦП.

А что об этом говорят господа Котельников с Найквистом?

Ну раз вы созрели до цифровой обработки, то подкину вам хороший и шумоустойчивый алгоритм. Его недостаток -- низкое быстродействие и годится он для относительно низкочастотных изменений амплитуды.

Итак: если сравнивать энергию сигналов за некоторый (заранее выбранный вами) интервал времениа, то результат будет устойчивым.
Энергия переменного тока с точностью до коэффициента равна дисперсии (квадрат среднеквадратичного отклонения).

Есть (ее легко найти) формула, которая позволяет интерактивно считать дисперсию. Она выглядит примерно так, но проверьте в интернете:

D = summ(x^2) -(1/N)*(summ(x))^2

где
x - серия входных значений, что дает АЦП
N - количество измерений
summ - сумма

Работает так:
Получив очередное значение вы накапливаете две суммы:
1. Сумма значений
2. Сумма квадратов значения.
если количество значений достигло N -- вычисляете результат по формуле.

Если выбирать длину интервала как степень 2, то деление сводится к простому сдвигу.



Ничего не говорят. Горько плачут.
Кстати я видел Котельнкова. Он возглавлял делегацию, которая приезжала в наш институт. Боевой такой дедок!

Уважаемый Plain, прошу совета.
Смоделировал работу сумматора и усилителя положительной полуволны сигнала:



Но результат, как приведен на Вашей осциллограмме АМР2, не получил.
Нет макушки синусоиды. В чем может быть причина? ОУ, правда, несколько другой.

У меня сигнал соответствует заданному Вами в первом сообщении темы.

А Вы вот это:
учитывали?

И если да, то чему была равна дисперсия "высокочастотного шума" в Вашем сигнале?

Всё по нулям, естественно — в точности как и написано.

Ясно. Почему-то не получалось запуститься с LTC6244, поменял на AD8551, схема запустилась...
Правильно ли я понял, что на выходе U5 (по Вашей схеме) амплитуда сигнала может изменяться в диапазоне от 1,65 до 3,3 В (для Rail-to-Rail ОУ)?
Это и будет рабочим диапазоном?


Не могли бы Вы пояснить, что значит прерываться? Для чего: оцифровки сигнала?
И что такое "по слегка отфильтрованному"? Где подразумевалось фильтровать сигнал?

Нет, все ОУ выдают полный размах питания.

Схема настроена R11 на приведение вершины синуса 10 В к уровню 1,65 В на выходе U4.

ЦАП V5 подстраивает этот сдвиг в отношении R9/R10=1:10, т.е. в диапазоне ±165 мВ, однако, исходя из недавно поступившей информации, Ваши первоначальные "около 10 В" конкретно выразились в ±1,5 В, следовательно, вес ЦАП'а V5 требуется увеличить примерно на порядок, т.е. уменьшить R10 до 100 кОм, а диапазон подстройки, соответственно, теперь будет ±1,65 В. Также пропорционально снижаются и требования к точности основного веса сумматора, т.е. R11 может быть 20 кОм, или типа того.


Естественно. Если U6 достаточно быстродействующий для того, чтобы успевать отрабатывать ВЧ-составляющие сигнала, то если взять (компаратором, само собой) сигнал прерывания непосредственно с него, то их получится несколько, и не тогда, когда требуется, т.е. заведомо после окончательного заряда C2 до реальной амплитуды, а раньше, поэтому между ним и компаратором и необходим небольшой фильтр.

И насчёт вышеупомянутых возражений участников, что в схеме не отражены Ваши опасения насчёт этих ВЧ-составляющих — соответствующий ФНЧ требуемого порядка можно воткнуть между U4 и U5.

От U6, как следует из теории ПД, требуется устойчивость работы на ёмкость, т.е. он из категории буферов.

Итого, зашли в прерывание, оцифровали, затем ножкой МК немного разрядили C2, после чего пересчитали текущий средний уровень и с наименьшей ошибкой вернули его к нулю, соответствующе подкрутив ЦАП.

И есть еще опасения на счет выходного сопротивления источника сигнала.

То есть, если оно и в самом деле равно 500 Ом с абсолютной точностью: 10⁺⁵ * 3*10^-5 = 3 Ома, то проблем нет.

А если оно зависит от температуры, напряжения и "чего-то там еще", и его точность ограничена обычными 5%, то входного сопротивления ФНЧ равного 100 кОм может и не хватить..

Все эти проблемы, КМК, решены в АЦП со встроенным AFE: ADS8681.

Для чего не хватить? Вход схемы — фактически делитель 100/100,5=99,5%, достаточно просто учесть это в расчётах. И этот вход является входом не ФНЧ, а повторителя, с соответствующим типовым выходным сопротивлением гораздо менее ома — вот к нему и подключён ФНЧ, если он требуется.

Насчёт ADS8681, и персонального МК ему в обслугу,— за такие деньги, вышепредложенную схему на ПД вполне можно собрать с полдесятка экземпляров.

Я вот о чем..

Для двух разных значений выходного сопротивления источника сигнала, равных, скажем, 500 и 525 Ом соответственно, получим два разных коэффициента деления делителя:

K1 = 100/100,5
K2 = 100/100,525

Для входного напряжения, равного 10 Вольт это дает:

U1 = 10В*K1 = 10В*100/100,5
U2 = 10В*K2 = 10В*100/100,525

Разница этих двух напряжений, позволяет оценить точность измерения напряжения схемой:

ΔU = U1 - U2 = 1000/100,5 - 1000/100,525 = 2,47 мВ.

Меж тем, ТС хочет измерять напряжение с точностью 0,3 мВ, что в 8 раз меньше ошибки, связанной с дрейфом выходного сопротивления источника сигнала, равного 500±5%.

Если бы автору нужна была такая точность, я бы предложил немного посложнее схему, но ему всего лишь требуется такое разрешение.

Собрал такую схему с ПД:


Q1 - для разряда емкости.

Возник вопрос:
- когда входной сигнал схемы амплитудой 10,1 В, то пиковый детектор отрабатывает хорошо:


- когда входной сигнал амплитудой 10 В, то ПД промахивается:


Чем обусловлен данный факт? Неправильным выбором ОУ для ПД? Емкость варьировал от 1 до 100 нФ, не помогло.

Это не входной ли ток U4 затягивает его вверх?

Естественно. На выходе усилителя сигнал порядка 1 В/мкс, но ОУ должен быть не только достаточно быстродействующим, но и быстро восстанавливаться из насыщения, и способным работать на существенную ёмкость. Например, AD8551 однозначно отпадает, потому что по паспорту выходит из насыщения 300 мкс. Кроме того, данный параметр производители указывают достаточно редко.

Поскольку измерения в задаче относительные, и если хватает ФНЧ первого порядка, т.е. интегратора, схему можно весьма упростить, применив в каждом полупериоде единственный ОУ в качестве и сумматора, и усилителя, и с нагрузкой на пассивный ПД (R19 и R20 добавлены лишь для демонстрации работы):

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Относительные только в том смысле, что важен диапазон изменения амплитуд сигналов и неважно их абсолютное значение. Правда, работать придется в этом диапазоне и линейность важна.
А насколько важно измерять оба полупериода сигнала? Может ограничиться одним? При этом схема уменьшится вполовину. По моим данным, сигнал симметричен относительно нуля (за исключением выбросов и шумов).

Реализовал на макете вариант посложнее (сделал пока только для положительной полуволны, питание схемы 5 В):



В итоге на выходе U1B получил следующие результаты (для полного диапазона изменения входного сигнала):





настройки осциллографа: 1В/дел, 100 мкс/дел.

При этом на выходе U2B получил следующее:





На первый взгляд результат радует: диапазон изменения амплитуды выходного сигнала составил около 1 В, хотя есть небольшой разброс амплитуд.
Теперь вопрос заключается в том, как правильно оцифровать и не потерять полезный сигнал? Нужно ли фильтровать сигнал? Раз уж ПД реализован, то хочется оцифровывать достаточно простой 12-битной АЦП (например, встроенной в STM32). Только как правильно обращаться с этим ПД? Ранее упоминалось про сброс ПД. Как реализовать этот сброс в железе, я представляю. Но каждый ли период его сбрасывать? Как определить время сброса (как сделать синхронизацию)? Или не усложнять и сбрасывать ПД раз в несколько периодов и неважно в какой момент? Например, сбрасывать ПД раз в 1 мс (при периоде 333,3 мкс), измерять раз 10 постоянный уровень и усреднять результат?

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

По окончании данного сигнала зайти в прерывание, оцифровать, сбросить и подкрутить смещение.

Дело в том, что в реализованном варианте схемы ПД близок по амплитуде к сигналу усилителя (хотелось, чтобы конденсатор заряжался до уровня верхушки синуса) и срабатывания компаратора будут ложные (или вообще не будет срабатывания):




Все же можно еще раз, каков критерий подкрутки смещения? Что изменится, если его не крутить?

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

D3 лишний в случае компаратора с открытым стоком на выходе. U4 условен и символизирует такой же гистерезис входа микроконтроллера.


Продемонстрируйте, или хотя бы расчёт.


Компенсация допусков сигнала и компонентов путём поддержания выхода усилителя, например, около середины питания.


Будет не схема, а схема-лотерея — будет работать, только если повезёт с вышеназванными допусками.