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?

П.Хоровиц, У. Хилл "Искуство схемотехники" в трех томах. Москва "Мир" 1993г.
Том 2. раздел 9.27 - Схемы фазовой автоподстройки частоты. Есть примеры схем и расчета.

Это я, естественно, смотрел. Вопрос с джитером остаётся открытым.

Ну если смотрел, то должен был понять, что синус 50 Гц преобразовывают сначала в логический уровень, используя переходы синуса через ноль (исключая тем самым влияние амплитуды). А только потом этот сигнал можно подавать в систему ФАПЧ. А получить его можно множеством способов, например при помощи компаратора.

Предполагается дальнейшая обработка, или Вы хотите одним арифметическим действием каждые 125 мкс получать достоверный результат?

Оцените мощность 80-й гармоники для сглаженного как-нить (Вы ничего не сказали про тип лампочек) sin².

И каким образом оно Вам поможет?

имхо, Вы озадачиваетесь проблемами даже не 2-го, а 10-го порядка малости.

1. Да, я хочу каждые 125 мксек получать достоверные данные.
2. По поводу всего остального: я исходил из следующих предпосылок, так как фон неравномерен, то его влияние будет давать погрешность. Значит, если амплитуда выпрямленной синусоиды 50 Гц от лампочки даёт фототок порядка 200 нА, то худший случай, когда производная тока максимальна: 2*Pi*50*200нА = 62800 нА/сек, тогда за время 100 мксек фон изменится на 6,28 нА. А так как я вычитаю сигнал при включённом светодиоде на 25 мксек из измеренного фона в течение 100 мксек, то получим помеху величиной 6,28 нА. В момент, когда производная от фона равна 0 будем считать помеху равной 0 нА. Тогда амплитуда помехи будет равна 6,28 нА и, насколько я понимаю, в случае идеальной синхронизации с сетью эта амплитуда будет на частоте 100 Гц (100 и остальные гармоники можно будет цифрой отфильтровать), однако, если будет разбаланс, то эта амплитуда окажется в полосе полезного сигнала. Таким образом, если я хочу 80 дБ при 100 нА, а амплитуда помехи в полосе полезного сигнала 6,28 нА, то до разрешения в 10 пА как до Луны. Если что не так, поправьте.



Закон изменения напряжения в сети
> Pwr:=(t,deviation)->220*(1+deviation)*sin(2*Pi*50*t);

Девиация напряжения (+- 10%)
> delta:=0.1;

Напряжение смещения компаратора LM2903A равно 2 мВ
> Vcm:=2*10^(-3);

Разность времени между периодами, если первая волна синусоиды при напряжении меньшем на 10%, а вторая - большем на 10%
в наносек. Это и есть, на мой взгляд джиттер.
> dT:=10^9*solve(Pwr(x,-delta)=Vcm,x)-solve(Pwr(x,delta)=Vcm,x);

Синхронизированный ФАПЧ должен обеспечить 32 МГц для АЦП ADS1675, т.е. период тактового импульса равен 31,25 нсек. Получается, джиттер сравним с периодом частоты тактирования. На мой взгляд, за счёт джиттера получится ситуация, когда помехи в сети, изменяющие амплитуду сетевого напряжения буду напрямую создавать помехи на выходе АЦП и ситуация только ухудшится. Поэтому я и поставил вопрос о джиттере. Может быть стоит не синхронизировать АЦП, а синхронизировать только 8 кГц и программно выделять фронты сигнала, чтобы отдельно вычислять амплитуду тока и подставку, соответствующую фону?

Имхо, Вы упретесь в ту проблему что свет от лампы не повторяет сетевую синусоиду , световой поток от неё более нелинейная вещь. И , что еще хуже, сетевое напряжение в розетках далеко не синусоида, там всякой грязи и гармоник полно.

имхо, Вас спасёт только второй идентичный канал, измеряющий фоновую засветку.

Согласен на все 100, но только конструктивно канал один и второй поставить физически нельзя, доступ в конструкцию закрыт.


Да, и эти гармоники будут в оптическом сигнале и пролезут в качестве помех на вход. Кстати, а у новых энергосберегающих ламп световой поток какую частотную область занимает?

Абсолютно! Хочется добавить.
Не рассматривали ли Вы вместо кабеля, на конце которого стоит фотодиод, световоды в том же кабеле, а приемник уже комфортно в хорошем месте?
Часть световодов пустить на засветку только...
Все то, что Вы писали про засветку, - неправильно.
Лампы (даже накаливания) светятся не так, как Вы думаете. При изменении напряжения форма и задержки будут разные. А если есть еще люминесцентные...
Поэтому использовать электрический сигнал для компенсации неправильно будет.

Конструкцию фотодиода с кабелем трогать никак нельзя. Ну, скажем так, если бы максимальная спектральная составляющая оптической помехи была раз в 100 меньше частоты импульсов подсветки светодиода, то электрическая компенсация была бы вполне уместна. Вопрос в том, как тогда бороться с такими помехами. У меня есть ещё старый добрый вариант в лоб: широкополосный усилитель на входе, который усиливает оптические засветки и полезный сигнал, но частоту несущей увеличить с 8 кГц до, скажем 25 кГц. Затем сигнал пропустить через аналоговый ППФ (ФВЧ+ФНЧ) и оцифровать с помощью АЦП и в цифре проводить вычисление разности между средним значением амплитуды и подставкой. Тогда всё, что ниже 1 кГц можно будет аналоговым способом отфильтровать не менее, чем на 40 дБ, а остальное добить цифровым фильтром. Остаётся только вопрос, улучшит ли положение дела синхронизация с 50 Гц только частоты несущей (25 кГц)? И если да, то хотя бы оценочно на сколько или пробовать надо? Если кто пробовал, поделить опытом.

Делал такую штуку - работает как чеснок.
Сначала надо профильтровать сетевую частоту (хорошенько), потом взять переход через ноль и пустить на микроконтроллер который уже сделает Вам 8кгц. Я правда делал 800 Гц - мне достатчно было. Аналоговые фапчи толком не работают - долго синхронизируются и ото всякой помехи сбоят...

Если допустимо выдавать результат с задержкой в 20 мс, заводите кольцевой буфер на соответствующее количество отсчетов и мучайте его математикой (можете туда и ФАПЧ приделать, но я не вижу смысла в привязке к частоте сети с точностью до ...).

Вам в первую очередь нужно экспериментально определить, с какой точностью воспроизводится засветка.
И только потом думать обо всем остальном.

Поясните, пожалуйста, а то я никак понять не могу, что значит "точность воспроизведения засветки".

Это значит, что Вы должны проделать большое число точных (с привязкой к сети) осциллограмм засветки в зависимости от фаз Луны и пр...
потом их анализировать. Таким образом, Вы, возможно, узнаете, что с некоторой вероятностью оптическая наводка будет некоторой функцией от фазы (уже сети). И будете знать доверительный интервал от фазы. Т.е. две функции (от фазы) - засветка и ее вариация. После чего из Ваших измерений можно будет вычесть первую функцию и через знак (+/-) дописать вторую....
И еще... учитывая напряжение в сети и проч....
Если ошибка будет большой, можно не мучиться дальше.

Это получается, ещё и для разных источников излучения (лампа накаливания, галогенка, люминесцентная, светодиодная и т.п.) разные? В итоге количество опытов растёт до бесконечности. Я придерживаюсь гипотезы, что в сигнале застветки львиную долю составляет переменная составляющая, связанная с частотой сети. А высокочастотные составляющие, вызванные искажением питания или спецификой излучателя учесть, на мой взгляд просто невозможно, даже построить плотность вероятности появления спектральной составляющей с заданной амплитудой, частотой и фазой и то не получится. Конечно, практика - критерий истины, однако может стоит попробовать сделать плату с хорошей синхронизацией (например, с цифровым ФАПЧ, как предлагалось выше) относительно 50 Гц и измерить отношение сигнал-шум для фантома (физический эквивалент реального объекта) в разных помещениях с разными источниками света и ответить себе раз и навсегда на вопрос, а нужна ли вообще эта синхронизация и что она даёт? Поэтому и жду схемотехнических решений и предложений.
Вообще странно, вроде бы задача тривиальная, неужели с ней не сталкивались разработчики, не экспериментировали? Я очень хотел бы ознакомиться с результатами таких экспериментов, чтобы не изобретать велосипед.

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....

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

Вот лампочку включайте-выключайте. И смотрите, и смотрите на нее...
Какие 8 кГц при такой точности? И, вообще, данная задача не для любителей разложения по Фурье....

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?)

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


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



Мне данные от каждой амплитуды нужны.

В том-то и беда, что усреднять нельзя. Нужно честно все решать.
Наверное, наврала выше...
Сколько времени положено эталонную лампу прогревать до измерений (установления равновесия)? Минут 30...

аа...низкочастотные биения от компонент засветки. да согласен, усреднение не спасет, тем более если Вам нужна каждая амплитуда. Кстати зачем так перезакладываться с частотой оцифровки если полезная полоса 40Гц?

Хотели сказать - от каждого полупериода?
Так вот - 1000 предыдущих полупериодов вносят значительный вклад.

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.

Если бы свет линейно зависел...

Может поясните?

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.

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...

а если взять 10pA да перемножить к примеру на 100мкВ да ещё домножить на 20 мкС получится 2*10^-20 Дж . в 4кТ уже упёрлось. Как тут быть? в смысле, с тепловыми шумами.

Это Вы к чему? Один квант света унесет в среднем примерно четверть эв. Но не каждый квант долетит до середины Днепра. А если и долетит, то помножится на квантовый выход и не всегда даст нам электрон в ощущения...

Гармоники попадающие в спектр сигнала не фильтруются в принципе.

А Вы к чему? представьте что вопрос был задан топикстартеру. 10pA и 20 мкс не я придумал.

Не 20 мксек, а 25 мксек. А 100 мкВ Вы откуда взяли? Поясните, что за работа в Дж была рассчитана? Если 100 мкВ - это выходное напряжение при токе 10 пА, то как их можно перемножать, мощность чего получится? Для полосы в 10 кГц и сопротивления обратной связи 1 МОм я считал Vrms теплового шума и получилось 12,71 мкВ. Действительно, 10 пА соответствует 10 мкВ выходного сигнала. Добавив тепловой шум от сопротивлений обратной связи, входной шум АЦП (Vrms=10,1 мкВ) и шум усилителя (Vrms = 540 нВ) можно прикинуть суммарный шум системы VrmsAll = sqrt(Vrmsi)=sqrt(12,71^2+10,1^2+0.54^2)=16,24 мкВ. А если ещё учесть, что за 25 мксек (фронт в 5.8 мксек не считаем) будет получено 12 отсчётов, которые будут усредняться, то усреднение уменьшит вычисленную величину в sqrt(12)=3.46 раза до 4,7 мкВ. Правда определение разности увеличит шум конечного результата, но за 100 мксек будет зарегистрировано 62 отсчёта, а это уменьшит величину 16.24 до 2,1 мкВ и суммарный шум полученных данных в итоге в микровольтах должен будет равен sqrt(4.7^2+2.1^2)=5.1 мкВ

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

да так , навскидку . 10мкв вых.сигнала еще сложнее. Энергия импульса на вашем 1 МОм резисторе еще меньше. Шум больше.

Полосу надо ширее брать, Вас же каждый импульс интересует , причем точное значение верхушки. тут даже 50кГц мало.

прошу прощения за любопытство , а что за АЦП?


хорошо, коли так, а если в пик-пиках посчитать , выходит под 30 мкВ , или 3 LSB. Да реально больше получится, имхо.

Это каким же образом?
Напомню, автор хочет получить амплитуду каждого импульса, т. е. спектр сигнала широкий.
Гармоники 50-ти до 8кгц не дотянут, там могут быть только помехи от устройств типа тиристорных регуляторов,
а против них никакая ФАПЧ не поможет.

Прочтите внимательно первый пост автора " Полезный сигнал изменения амплитуды лежит в диапазоне 0...40 Гц"

ЗЫ. Дотянет, только вот ослабнет очень значительно. Грубо -в 2000 раз

Согласен, полосу надо будет брать шире. АЦП ADS1672.

Так каждый импульс или " Полезный сигнал изменения амплитуды лежит в диапазоне 0...40 Гц"?
Определитесь.

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.

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.

можно покаркать? и еще лампами дневного света с электронными балластами и малым временем свечения люминофора. А также , чтобы служба мёдом не казалась, и перспективными светодиодными светильниками с электронным импульсным балластом, килогерц на 50-150. Медведев скоро таки запретит лампочки Ильича, могобыть.

имхо аналоговую не стОит , цифровую можно и приспособить. В смысле регулировать период подсветки 125 мкс медленно и печально с точки зрения подстройки под фазу сети, путем исключени\добавления некоторых циклов\клоков каких-нибудь.


не забудьте про 5.5 мкс Settling Time, которое надо еще и увеличить в связи с ненулевым фронтом аналогового сигнала от подсветки.
не надо сразу вот так и усреднять. Лучше усреднять разницу между интерполированными значениями фонофой засветки и собственно отсчетами во время подсветки (для каждого момента Ti) . тем самым 6.28нА , о которых Вы писали как о помехе во время мкксимального фронта внейшней засветки, можно будет нейтрализовать (теоретичски).

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.

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.

Кстати дельная мысль...оцифровывать фон непрерывно, и делать интерполяцию этих отсчетов на момент включения светодиода. И интерполированное значение вычитать в импульсе. С лампами накаливания, учитывая их инертность, это точно сработает. А вот с другими -трудно сказать...