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

Detektory fazoczułe ułatwiające pomiar niewielkich sygnałów

ghost666 01 Gru 2014 13:16 3852 1
  • Wstęp

    Synchroniczna detekcja pozwala na ekstrakcję niewielkich sygnałów, zwykle 'zagrzebanych' w szumie, co umożliwia pomiar bardzo małych wartości rezystancji, naprężenia, a także natężenia światła, jednocześnie pozwalając na odrzucenie istniejącego tła.

    W wielu układach poziom szumu zwiększa się wraz ze zbliżaniem się częstotliwości sygnału do zera. Na przykład wzmacniacze operacyjne charakteryzują się występowaniem szumu o charakterystyce częstotliwościowej 1/f, z kolei przy pomiarach światła sporo szumu pochodzi od zmieniających się warunków otoczenia. Odsunięcie częstotliwości pomiaru od tego szumu o niskich częstotliwościach pozwala na zwiększenie stosunku sygnału do szumu, co pozwala na detekcję słabszych sygnałów. Na przykład, dzięki modulacji światła częstotliwością kilku kiloherców, możliwy jest skuteczny pomiar odbijanego światła, który normalnie byłby niemożliwy, gdyż sygnał chowałby się w szumie. Rysunek 1. pokazuje, jak modulacja pozwala na odzyskanie sygnału, który normalnie byłby poniżej poziomu szumów.

    Detektory fazoczułe ułatwiające pomiar niewielkich sygnałów
    Rys. 1. Modulacja sygnału odsuwa go od źródła szumu o niskiej częstotliwości.


    Istnieje kilka metod modulacji sygnału wzbudzającego. Najprostszą z nich jest powtarzające się włączanie i wyłączanie tego sygnału. Działa to bardzo dobrze zarówno w przypadku diod LED, gdzie modulować można ich zasilanie, jak i w przypadku na przykład mostków oporowych z tensometrami do pomiaru naprężeń. W przypadku źródeł takich jak na przykład żarówki i lampy używane w spektroskopii można to realizować poprzez wstawienie mechanicznego przerywacza (ang. chopper) w wiązkę światła.

    Filtr wąskopasmowy jest w stanie usunąć z sygnału wszystkie częstotliwości poza tą, która nas interesuje, co pozwala na odzyskanie mierzonego sygnału, jednakże projektowanie tego filtra może być dosyć problematyczne. Alternatywną metodą jest synchroniczna demodulacja sygnału z detektora, która pozwala na uzyskanie sygnału DC, odrzucając wszystkie sygnały, które nie są zsynchronizowane z przebiegiem referencyjnym. Detekcja taka nazywana jest detekcją fazoczułą (ang. lock-in).

    Rysunek 2 prezentuje prostą aplikację wzmacniacza fazoczułego. Źródło światła modulowane sygnałem 1 kHz oświetla powierzchnię testową, a fotodioda rejestruje odbite od powierzchni światło, które jest proporcjonalne do ilości zanieczyszczeń na tej powierzchni. Sygnał referencyjny i pomiarowy są sinusami o tej samej częstotliwości i fazie, jednakże różnych amplitudach. Sygnał referencyjny ma ustaloną amplitudę, z kolei sygnał z fotodiody zmienia się wraz ze zmianą natężenia odbitego światła.





    Detektory fazoczułe ułatwiające pomiar niewielkich sygnałów
    Rys. 2. Pomiar ilości zanieczyszczeń na powierzchni z detekcją fazoczułą.


    Rezultatem mnożenia dwóch sygnałów sinusoidalnych jest sygnał z komponentami częstotliwości równymi sumie i różnicy częstotliwości. W tym przypadku oba sygnały sinusoidalne mają tą samą częstotliwość, zatem wynikowym sygnałem jest napięcie stałe oraz sygnał o podwojonej częstotliwości. Znak minusa przed sygnałem oznacza, że jest on odwrócony w fazie o 180°. Filtr dolnoprzepustowy z powodzeniem odfiltrowywuje wszystko poza napięciem stałym.

    Detektory fazoczułe ułatwiające pomiar niewielkich sygnałów (1)


    Zalety stosowania opisanej techniki stają się jasne, gdy rozważy się zaszumiony sygnał wejściowy. Sygnałem wyjściowym (stałym) z mnożnika jest tylko wartość sygnału o częstotliwości równej częstotliwości modulacji, inne sygnały zostają przesunięte na inne, niezerowe częstotliwości i odfiltrowane. Rysunek 3 prezentuje system, w którym obecne są silne źródła szumu przy 50 Hz i 2,5 kHz. Słaby sygnał, który nas interesuje jest modulowany częstotliwością 1 kHz z pomocą sygnału sinusoidalnego. Rezultatem mnożenia sygnałów w lock-inie jest interesujący nas sygnał przy częstotliwości 0 Hz (DC), z kolei inne sygnały przesunięte są na 950 Hz, 1050 Hz, 1,5 kHz, 2 kHz i 3,5 kHz. Sygnał DC zawiera interesujące nas informacje, pozostałe sygnały są odfiltrowane z wykorzystaniem filtra dolnoprzepustowego.

    Detektory fazoczułe ułatwiające pomiar niewielkich sygnałów
    Rys. 3. Synchroniczna demodulacja pozwala na pomiar sygnału modulowanego 1 kHz w obecności źródeł szumu o częstości 50 Hz i 2,5 kHz.


    Wszystkie komponenty szumowe, których częstotliwości zbliżone są do częstotliwości modulacji wystąpią w sygnale pomiarowym blisko sygnału DC, zatem istotnym jest dobranie częstotliwości modulacji znajdującej się w relatywnie niezaszumionym rejonie widma. Jeśli nie jest to możliwe, warto wykorzystać filtr dolnoprzepustowy w niskiej częstotliwości granicznej i ostrym odcięciu, co niestety przełoży się na gorszą odpowiedź impulsową układu.

    Praktyczne implementacje detekcji fazoczułej

    Generacja przebiegu sinusoidalnego i modulacja nim źródła wzbudzenia może być niepraktyczna, zatem można wykorzystać przebieg prostokątny do modulacji. Generowanie wzbudzenia modulowanego sygnałem prostokątnym pozwala na o wiele prostszą realizację systemu, gdyż wystarczy mikrokontroler z wyjściem cyfrowym do generacji i analogowy przełącznik lub MOSFET do modulacji.

    Rysunek 5. pokazuje, w jaki sposób zrealizować tego typu prosty układ. Mikrokontroler lub inny, podobny układ generuje sygnał prostokątny, który powoduje odpowiedź sensora. Pierwszym wzmacniaczem jest wzmacniacz transimpedacyjny (konwerter prąd/napięcie) dla diody lub różnicowy wzmacniacz pomiarowy dla mostka oporowego.

    Ten sam sygnał, który wzbudza sensor, kontroluje też przełącznik ADG619. Gdy sygnał wzbudzający jest dodatni, wzmacniacz skonfigurowany jest ze wzmocnieniem +1, z kolei gdy sygnał jest ujemny, to wzmocnienie równe jest -1. Jest to prosta realizacja matematycznego działania mnożenia sygnału pomiarowego przez sygnał referencyjny. Wyjściowy filtr RC usuwa z sygnału wyjściowego wszystkie składowe poza składową stałą, zatem na wyjściu obserwowany jest sygnał DC równy połowie napięcia międzyszczytowego zmierzonego sygnału.

    Detektory fazoczułe ułatwiające pomiar niewielkich sygnałów
    Rys. 4. Wzmacniacz fazoczuły ze wzbudzeniem sygnałem prostokątnym.


    Jakkolwiek układ przedstawiony powyżej jest bardzo prosty, dobranie odpowiedniego wzmacniacza jest kluczowe. Sprzęgnięty AC stopień wejściowy usuwa z sygnału sporą część szumu, jednakże nie usunie szumu 1/f oraz offsetu ostatniego ze wzmacniaczy w torze pomiarowym.

    Oparty o sygnał prostokątny detektor fazoczuły jest prostym układem, jednakże poziom odrzucanego przezeń szumu jest o wiele niższy niż w przypadku wykorzystania sygnału sinusoidalnego. Rysunek 5. prezentuje uproszczone widmo sygnałów prostokątnych - sygnału referencyjnego i wzbudzenia. Przebieg prostokątny składa się z nieskończonej sumy sygnałów sinusoidalnych o częstotliwości podstawowej i jej nieparzystych wielokrotnościach. Mnożenie tych sygnałów o tej samej częstotliwości polega na przemnożeniu przez siebie wszystkich tych składowych. Wynikiem tej operacji jest napięcie stałe zawierające energię wszystkich składowych harmonicznych sygnału prostokątnego. Niepożądane sygnały pojawiające się przy częstotliwościach tych harmonicznych nie będą odfiltrowane z sygnału, jednakże ich natężenie będzie przeskalowane zależnie od tego, przy której składowej wypadają. Dlatego też istotne jest dobranie częstotliwości modulacji, której harmoniczne i częstotliwość podstawowa nie są równe częstotliwości źródeł szumu. Na przykład, aby odfiltrować szum sieci energetycznej, dobrać można częstotliwość modulacji równą 1,0375 kHz, która nie zbiega się z harmonicznymi szumu 50 Hz i 60 Hz, zamiast zastosować sygnał 1 kHz, który jest dwudziestą harmoniczną częstotliwości 50 Hz.

    Jednakże pomimo tych wad, zaprezentowany układ jest prosty i tani do realizacji. Wykorzystanie odpowiedniego niskoszumnego wzmacniacza i odpowiedniej częstotliwości modulacji pozwala na znaczną poprawę wyników pomiarów w porównaniu do bezpośredniego pomiaru wartości DC.

    Detektory fazoczułe ułatwiające pomiar niewielkich sygnałów
    Rys. 5. Jeśli sygnał wejściowy (A) i referencyjny (B) są sygnałami prostokątnymi, ich mnożenie (C) efektywnie demoduluje wszystkie jego harmoniczne.


    Prosta, scalona alternatywa

    Sygnał pokazany na rysunku 4. wymaga zastosowania wzmacniacza operacyjnego, przełącznika i pewnych elementów dyskretnych oraz zegara np. z mikrokontrolera. Alternatywą tego układu jest wykorzystanie synchronicznego demodulatora, jaki pokazano na rysunku 6. ADA2200 zawiera w sobie bufor wejściowy, programowalny filtr IIR, mnożnik oraz blok przesuwania w fazie sygnału referencyjnego o 90°, co umożliwia proste kompensowanie przesunięć fazy sygnału pomiarowego względem sygnału odniesienia.

    Detektory fazoczułe ułatwiające pomiar niewielkich sygnałów
    Rys. 6. Diagram blokowy układu ADA2200.


    Implementacja wzmacniacza fazoczułego opartego o układ ADA2200 wymaga wykorzystania zegara, który jest 64 razy szybszy od wymaganej częstotliwości sygnału odniesienia, jak pokazano na rysunku 7. Domyślna konfiguracja programowalnego filtra to konfiguracja pasmowoprzepustowa, która usuwa z sygnału niepożądane zakłócenia AC. Próbkowane analogowe wyjście generuje obrazy o wielokrotności częstotliwości próbkowania, zatem filtr RC oraz przetwornik ADC typu sigma-delta może bez problemu usunąć niepożądane składowe i zmierzyć jedynie demodulowaną wartość DC.

    Detektory fazoczułe ułatwiające pomiar niewielkich sygnałów
    Rys. 7. Implementacja wzmacniacza lock-in oparta o ADA2200.


    Poprawić lock-in oparty o wzbudzenie prostokątne

    Rysunek 8 pokazuje w jaki sposób można poprawić układ działający z falą prostokątną. Sensor wzbudzany jest sygnałem prostokątnym, jednakże zmierzony sygnał pomnożony jest przez sygnał sinusoidalny o tej samej częstotliwości i fazie. Dzięki temu tylko wartość przy częstotliwości podstawowej jest przenoszona do DC, a pozostałe składowe harmoniczne na częstotliwości niezerowe. Dzięki temu łatwiej jest wykorzystać filtr dolnoprzepustowy do eliminacji sygnałów niepożądanych i pozostawienia składowej DC na wyjściu.

    Detektory fazoczułe ułatwiające pomiar niewielkich sygnałów
    Rys. 8. Wykorzystanie sinusoidalnej referencji zapobiega demodulacji szumu do DC.


    Dodatkową trudnością w realizacji układu jest fakt, iż każde przesunięcie w fazie pomiędzy sygnałem zmierzonym a referencyjnym, spowoduje zmniejszenie sygnału wyjściowego. Może to następować jeżeli w torze sygnałowym za detektorem, a przed lock-inem znajdują się układy mogące wprowadzać przesunięcia w fazie, takie jak np. filtry. Przy analogowym układzie fazoczułym jedynym rozwiązaniem tego problemu jest wprowadzenie dodatkowego układu kompensacji fazy w sygnale referencyjnym. Nie jest to zagadnienie proste, gdyż kompensacja fazy musi być precyzyjna, co jest utrudnione przez tolerancję elementów i ich współczynniki temperaturowe. Prostszą alternatywą jest wprowadzenie drugiego stopnia, który mnoży zebrany sygnał przez referencję przesuniętą o 90°. Rezultatem tej operacji jest sygnał proporcjonalny do składowej będącej nie w fazie z sygnałem wejściowym, tak jak pokazano to na rysunku 9.

    Na wyjściu filtra dolnoprzepustowego po dwóch stopniach opisanych powyżej, znajdują się sygnał składający się z dwóch komponentów - będącego w fazie (I) i z komponentu kwadraturowego (Q). Aby obliczyć amplitudę sygnału wejściowego, wystarczy wyznaczyć sumę kwadratów I i Q. Dodatkowym atutem tej architektury jest fakt, iż można obliczyć przesunięcie w fazie pomiędzy sygnałem wzbudzającym a wejściowym.

    Detektory fazoczułe ułatwiające pomiar niewielkich sygnałów
    Rys. 9. Wykorzystanie wersji kwadraturowej sygnału odniesienia do wyznaczania amplitudy i fazy sygnału pomiarowego.


    Wszystkie omówione dotychczas układy lock-in wykorzystywały sygnał referencyjny wzbudzający sensor. Finalnym dodatkiem do układu jest możliwość zewnętrznego podawania sygnału odniesienia. Dla przykładu na rysunku 10. pokazano system, który wykorzystuje żarówkę do badania optycznych własności powierzchni. Można go wykorzystać np. do mierzenia odbicia lustra lub ilości zanieczyszczeń. O wiele prościej jest wykorzystać w takim układzie mechaniczny przerywacz do modulacji światła niż elektrycznie modulować świecenie. Sensor pozycji generuje sygnał referencyjny podczas obrotów tarczy przerywacza modulującego światło. Zamiast wykorzystywać bezpośrednio ten sygnał pętla ze sprzężeniem fazowym (PLL) generuje sygnał sinusoidalny dla wzmacniacza fazoczułego. Jedyną trudnością w tym układzie jest to, iż sygnał referencyjny musi charakteryzować się bardzo małymi zniekształceniami.

    Detektory fazoczułe ułatwiające pomiar niewielkich sygnałów
    Rys. 10. Wykorzystanie pętli PLL do generacji sygnału referencyjnego.


    Jakkolwiek system ten mógłby być zrealizowany z wykorzystaniem dyskretnej pętli PLL i mnożników, wykorzystanie FPGA do jego implementacji znacznie upraszcza konstrukcję systemu. Rysunek 11, przedstawia wzmacniacz lock-in zbudowany w oparciu o FPGA wraz z przetwornikiem AD7175 i układem ADA4528-1 jako front-end analogowy. Aplikacja ta potrzebuje szerokiego pasma pomiarowego, więc układ skonfigurowany jest do pracy z efektywnym pasmem 50 Hz. Układ może być wzbudzany zewnętrznie. Wzmacniacz skonfigurowany jest do pracy ze wzmocnieniem równym 20, co pozwala wykorzystać pełen zakres napięć wejściowych ADC.

    Detektory fazoczułe ułatwiające pomiar niewielkich sygnałów
    Rys. 11. Lock-in oparty o układ FPGA.


    Cyfrowa pętla PLL generuje przebieg sinusoidalny, sprzęgnięty z sygnałem wzbudzającym, który może być generowany zewnętrznie lub w układzie i nie musi być sinusoidą. Wszystkie harmoniczne sygnału sinusoidalnego będą mnożyły się z sygnałem wejściowym, powodując demodulację szumu i innych niepożądanych sygnałów, dlatego należy ich unikać. Zaletą cyfrowej generacji sygnału jest fakt, iż przy odpowiedniej precyzji numerycznej układu możliwe jest uzyskanie niewielkich zniekształceń sygnału i minimalizacja zawartości składowych harmonicznych.

    Rysunek 12. pokazuje cztery wygenerowane cyfrowo sinusoidy o precyzji 4, 8, 16 i 32 bitów. Oczywiście wykorzystanie 4-bitowej precyzji nie poprawia działania układu w porównaniu do tego z rysunku 5., jednakże sytuacja szybko poprawia się wraz ze zwiększaniem precyzji generacji. Przy 32 bitach, THD sygnału wynosi ponad -200 dB, co jest nieporównywalne z dowolnymi układami analogowymi. Co więcej, dzięki ich cyfrowej naturze są one idealnie powtarzalne.

    Znajdujący się za mnożnikiem filtr usuwa wszystkie niepożądane składowe i na wyjściu otrzymujemy jedynie kwadraturowe składowe sygnału. Przy pasmie sygnału równym 50 Hz nie ma przeciwwskazań, aby dostarczać dane z prędkości 250 ksps. Filtr analogowy może także posiadać moduł decymacji, redukujący ilość otrzymanych próbek. Ostatnim krokiem jest wyznaczenie amplitudy i fazy sygnału z składowych I i Q.

    Detektory fazoczułe ułatwiające pomiar niewielkich sygnałów
    Rys. 12. Generowane cyfrowo sinusoidy o różnej precyzji numerycznej.


    Podsumowanie

    Niewielkie sygnały o niskiej częstotliwości zakopane są w szumie i ciężko się je mierzy, jednakże zastosowanie modulacji i detekcji fazoczułej pozwala na zapewnienie pomiarów o wysokiej precyzji. Lock-in zrealizowany może być z pomocą jednego op-ampa i przełącznika, jakkolwiek taki układ nie zapewnia niskiego poziomu szumu, jego prostota i niski koszt zachęcają do jego aplikacji. Istnieje szereg metod poprawy jego działania, poprzez zastosowanie sygnału referencyjnego w postaci sinusoidy, która może być generowana poprzez pętlę PLL zsynchronizowaną z zewnętrznym źródłem sygnału lub poprzez implementację w układzie FPGA, wykorzystującym przetwornik ADC o wysokiej rozdzielczości do digitalizacji sygnału.

    Źródło:

    http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/48-11/lock_in_amplifier.html


    Fajne!
  • Semicon
  • #2 23 Cze 2015 10:02
    excursor
    Poziom 6  

    Dzięki przydało się . Znalazłem akurat to czego szukałem.