Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
PCBway
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Precyzyjny pomiar amplitudy sinusa do 10MHz

29 Sie 2011 12:16 3331 10
  • Poziom 18  
    Muszę dokonać pomiaru jak w temacie. Pomiar ten jest potrzebny do odpowiedniego wysterowania wzmacniacza o zmiennym wzmocnieniu dla uzyskania precyzyjnie kontrolowanej amplitudy wyjściowej układu generacyjnego.

    Przy niższych częstotliwościach (tak do 0.5MHz) zdaje egzamin prosty uklad z wykorzystaniem szybkiego komparatora. Mierzony sygnał podaję na wejście nieodwracające, wyjście przez diodę Schottky'ego do kondensatora rzędu 10-100nF i do masy. Punkt połączenia kondensatora i diody podłączam do wejścia odwracającego. Taki układ ładuje kondensator wtedy, kiedy chwilowe napięcie sygnału wejściowego jest większe od napięcia panującego na kondensatorze. W ten sposób napięcie na kondensatorze po krótkim czasie osiąga wartość równą maksymalnej wartości napięcia w mierzonym sygnale.


    No i teraz problem: przy 10MHz ta metoda bierze w łeb. Błąd jest rzędu 15-20%. Ja muszę regulować amplitudę z dokładnością do 50mV w skali maksymalnie 15V. Jeżeli uda sie lepiej, to dobrze. Nie wiem czy szybki komparator (np 7ns) nie dałby rady, ale jakoś nie widzi mi się kupowanie elementu za 30zł żeby się przekonać czy to w ogóle zadziała.

    Czy ktoś spotkał się z takim problemem i ma jakieś rozwiązanie? Im tańsze tym lepsze.

    Zaznaczam, że układy FPGA, CPLD i podobne odpadają. W układzie mam dostępny
    mikrokontroler w dużą ilością IO (jeszcze z 20 wolnych pinów mam). Maksymalne próbkowanie wewnętrznego ADC to 200ksps.

    Edit:
    Pomyślałem że można ny wykorzystać układ sample-hold taktowany częstotliwością np 1MHz. Po dokonaniu wielu pomiarów można by z dużym prawdopodobieństwem stwierdzić, że amplituda sugnału jest równa najwyższemu zanotowanemu wskazaniu. Problem jest tylko taki że taki pomiar trwa długo i nie jest w pełni kednoznaczny. Czy ktoś próbował czegoś takiego i może się wypowiedzieć na temat wykonalności czegoś takiego?
  • PCBway
  • Poziom 34  
    Można zrobić detektor przejścia przez zero na komparatorze. Za jego pomocą można zmierzyć czas pomiędzy dwoma przejściami przez zero. W ten sposób mamy zmierzony czas połowy okresu. Zatem wystarczy poczekać na kolejne przejście przez zero, odczekać połowę zmierzonego czasu i pobrać próbkę układem próbkująco-pamiętającym (S&H). Potem mamy już dużo czasu, by przetworzyć napięcie z S&H za pomocą ADC.

    Inna możliwość to rozwinięcie pomysłu kolegi. Próbkujemy sygnał np. z częstotliwością 1MHz. Jeżeli dana próbka ma wartość zbliżoną do poprzedniej zwiększamy częstotliwość próbkowania, bo znajdujemy się w pobliżu wartości maksymalnej.
  • PCBway
  • Poziom 18  
    Patent z S/H byłby faktycznie niezły, ale mam wrażenie, że MCU, którego używam jest zbyt wolny (dsPIc30F5013 - 29.4912 MIPS @ 117.96 MHz). Poza tym S/H musiałby mieć bardzo krótki czas próbkowania. Jak patrzyłem np. w ofercie National Semiconductor, to "szybki" sh to jest 10us. Są szybsze układy ale nic zbliżonego szybkością do pojedynczych nanosekund, jakie są potrzebne do precyzyjnego pomiaru. Poza tym elementy te są z reguły koszmarnie drogie.

    chyba będę musiał się szarpnąć i przetestować jakiś ultra-szybki komparator.
  • Poziom 27  
    maciej_333 napisał:
    Można zrobić detektor przejścia przez zero na komparatorze. Za jego pomocą można zmierzyć czas pomiędzy dwoma przejściami przez zero. W ten sposób mamy zmierzony czas połowy okresu. Zatem wystarczy poczekać na kolejne przejście przez zero, odczekać połowę zmierzonego czasu i pobrać próbkę układem próbkująco-pamiętającym (S&H). Potem mamy już dużo czasu, by przetworzyć napięcie z S&H za pomocą ADC.
    ...


    Szybkie obliczenia pokazują, że pomiar czasu przy pomiarze sygnału 10MHz i próbie zachowania wymaganej dokładności musiałby się odbywać z dokładnością +- 55,5ps.
    Raczej nie do zrobienia...


    Moje rada to komparator z większym SlewRate.
    Podniesienie napięcia zasilania komparatora powinno też pomóc.

    Sposób z podpróbkowaniem - loteria.
    Wartość błędu zależeć będzie od czasu pomiaru oraz wartości stosunku częstotliwości mierzonej i częstotliwości próbkowania.
    Na szybko - można to sobie zasymulowac programowo...

    Dla stosunku częstotliwości próbkowania do sygnału (i odwrotnie) będącego liczbą całkowitą - błąd pomiaru będzie dowolnie duży...
  • Poziom 18  
    W sumie myślałem na tym, żeby wyorzystać jakiś konverter RMS-DC, bo mierzę amplitudę sinusa (z założenia czystego sinusa). Tylko nie bardzo wiem czego dokladnie szukać, bo nie mam doświadczenia z takimi układami.

    EDIT:
    klapa, nawet AD nie ma niczego odpowiedniego. Najszybszy konwerter rms-dc ma pasmo kilkuset kHz
  • Poziom 34  
    poorchava napisał:
    W sumie myślałem na tym, żeby wyorzystać jakiś konverter RMS-DC, bo mierzę amplitudę sinusa (z założenia czystego sinusa). Tylko nie bardzo wiem czego dokladnie szukać, bo nie mam doświadczenia z takimi układami.

    EDIT:
    klapa, nawet AD nie ma niczego odpowiedniego. Najszybszy konwerter rms-dc ma pasmo kilkuset kHz


    Nie myślał może kolega o przetworniku Flash ADC ? To przetworniki A/C na komparatorach. Mogą pracować bez S&H, jednak pozostaje dalej problem wyznaczenia momentu pobrania próbki. Tani Flash ADC może dokonać przetwarzania w czasie kilkuset ns. Można je łączyć dla uzyskania większej rozdzielczości.

    Można zrobić prostownik liniowy na szybkim op-ampie a po nim dać filtr dolnoprzepustowy, ale wątpię by poradziło to sobie przy 10MHz. Dla kondensatora w filtrze przydałoby się zastosować tranzystor unipolarny do jego rozładowywania.
  • Poziom 18  
    Jeżeli chodzi o prostownik aktywny to będę kombinował, ale tu pojawia się problem z obszarem nasycenia wzmacniacza. Miałem coś takiego w swojej pracy magisterskiej i tam sie okazało, że opamp o pasmie 50 MHz i SR rzędu 1.5 kV/uS ledwo starczał do wyprostowania sinusa o częstotliwości 100 kHz i amplitudzie około 1 V.

    Mam jakies ultraszybkie opampy z wylutu, to może poeksperymentuję, aczkolwiek wydaje mi sie, że będzie problem. komparatory za to są zaprojektowane do pracy w nasyceniu, więc ich czasy wychodzenia z nasycenia są o rzędy wielkości niższe niż anwet bardzo szybkich opampów.

    Jeżeli chodzi o bezposredni pomiar ADC, to chyba jednak muszę dać sobie spokój. Bez zmiany układu sterującego na jakiś uklad programowalny nie ma co próbować, a taka zmiana nie wchodzi w grę (koszta wielowarstwowej pcb i montażu BGA)
  • Poziom 20  
    Zrób wzmacniacz tranzystorowy i zwykły prostownik diodowy (szczytowy). Do tego ewentualnie zmianę zakresów jeśli będzie potrzeba mierzyć w szerokim zakresie amplitud. Czyli wejście jak w oscyloskopie. Niewielkie nieliniowości diody będzie korygował uC. Wpływ temperatury też ewentualnie może.
  • Poziom 34  
    DXFM napisał:
    Zrób wzmacniacz tranzystorowy i zwykły prostownik diodowy (szczytowy). Do tego ewentualnie zmianę zakresów jeśli będzie potrzeba mierzyć w szerokim zakresie amplitud. ...


    Nie te czasy. Taki układ miałby próg nieczułości (napięcie progowe diody). Do tego dochodzi nieliniowość całego układu. Zauważ, że nie jest to układ mało-sygnałowy i nisko-częstotliwościowy. Brak stabilności termicznej. Napięcie progowe diody spada o 2mV/°K (wraz ze wzrostem temperatury).

    DXFM napisał:
    ... Czyli wejście jak w oscyloskopie. Niewielkie nieliniowości diody będzie korygował uC. Wpływ temperatury też ewentualnie może.


    Nie tak wygląda wejście oscyloskopu. Tam dawniej stosowano nuwistory, potem darlingtony jako wtórniki, obecnie pewnie JFET'y. Nieliniowość diody jest znacząca. Jak już koniecznie tak, to już lepiej zrobić detektor na tranzystorze ze złączem BE polaryzowanym wstępnie przez diodę. Powstał by z tego niezły prostownik, ale tu za kiepski.

    Do autora tematu:
    Prostownik aktywny to z pewnością problem przy tych częstotliwościach. Można próbować zasilać wzmacniacze z dużym SR znacznym napięciem. Jednak mało który op-amp da się zasilać większymi napięciami niż ±15V.

    Może już prościej zastosować scalony wzmacniacz p.cz. wizji od telewizora ? Pracuje on dobrze w paśmie od 0Hz do ok. 54MHz. Jest bardzo liniowy, jego detektor też jest całkiem niezły. Można łatwo regulować wzmocnienie. W mojej pracy inżynierskiej układ taki sprawdził się jako detektor w analizatorze widma. Uzyskałem z TDA2541 dobrą dynamikę stosując logarytmowanie.

    Stosowanie bezpośredniego przetwarzania A/C z próbkowaniem z częstotliwością 20MHz (plus jakieś 20-30% więcej) wydaje się być przesadą dla uzyskania informacji o samej tylko amplitudzie. Ponadto nie są tu wymagane układy BGA, druk wielowarstwowy itp. Można to zrobić na klasycznych układach SMD (obudowa TQFP dla FPGA/CPLD), które można polutować ręcznie.

    poorchava napisał:
    ... ,że opamp o pasmie 50 MHz i SR rzędu 1.5 kV/uS ...


    Tak z ciekawości, co to była za op-amp ?
  • Poziom 20  
    maciej_333 napisał:
    DXFM napisał:
    Zrób wzmacniacz tranzystorowy i zwykły prostownik diodowy (szczytowy). Do tego ewentualnie zmianę zakresów jeśli będzie potrzeba mierzyć w szerokim zakresie amplitud. ...


    Nie te czasy. Taki układ miałby próg nieczułości (napięcie progowe diody).

    ???
    Wchodzi 1V wychodzi 10V. To napięcie spokojnie można podać na prostownik jednopołówkowy i uzyskać informację o napięciu szczytowym. Pytający nie podał jaki zakres napięcia chce mierzyć. Wiemy tylko o amplitudzie do 15V i dokładności 50mV.
    maciej_333 napisał:
    Do tego dochodzi nieliniowość całego układu.
    Zauważ, że nie jest to układ mało-sygnałowy i nisko-częstotliwościowy. Brak stabilności termicznej. Napięcie progowe diody spada o 2mV/°K (wraz ze wzrostem temperatury).

    uC może przecież dokonywać linearyzacji, o ile w ogóle zachodzi tak potrzeba. Można tak zbudować układ, aby pracował na najmniej nieliniowym odcinku. Korekcja temperatury też nie jest trudna. Wzór znamy.

    maciej_333 napisał:

    Nie tak wygląda wejście oscyloskopu. Tam dawniej stosowano nuwistory, potem darlingtony jako wtórniki, obecnie pewnie JFET'y. Nieliniowość diody jest


    Oświeć mnie - jak? Mnie po głowie plącze się schemat z rodziny C1-94. Ponieważ stary, banalny nie jest, można uprościć.
  • Poziom 18  
    maciej_333 napisał:
    poorchava napisał:

    ... ,że opamp o pasmie 50 MHz i SR rzędu 1.5 kV/uS ...



    Tak z ciekawości, co to była za op-amp ?


    AD8651. Sorki za wprowadzenie w błąd, on jednak ma 40v/ uS. Coś mi się pokiełbasiło.

    Jeżeli chodzi o dostępne wzmacniacze to mam następujące na składzie:
    LM7171 +/-15V, 200 MHz GBP, 4.1kV/us, voltage feedback
    LM7372 +/-15V, 120 MHz GBP, 3kV/uS, voltage feedback
    EL5462 +/-5V, 500 MHz GBP, 4kV/us, current feedback

    DXFM napisał:
    Pytający nie podał jaki zakres napięcia chce mierzyć.

    niestety praktycznie od zera. W każdym razie im mniejszy dolny próg czułości tym lepiej.