Измерение низких уровней искажений в Спектралабе.

[shkal]

Пытаюсь измерить искажения источника с низким уровнем (примерно -130дб при выходном сигнале 4в пик-пик). Для этого сигнал с источника подаётся на Т-мост с подавлением 60дб, после чего усиливается классическим дифференциальным усилителем на 3-х ОУ (AD8066+OPA1632) с балансным выходом и Ку=100, с него подаётся на регулируемый балансный вход EMU1616m. Уровень сигнала на входе EMU порядка 500-600мв. Усиление выставляется таким образом, чтобы индикатор уровня показывал -15-20дб. Проблема в том, что уровень гармоник и наводок медленно флуктуирует с размахом в 10-15дб , что делает совершенно невозможным его измерение. Причём изменяется амплитуда не на всех частотах, а довольно хаотично, одна палка вылезет - другая пропадёт. С чем это может быть связано и как с этим бороться? Уровень искажений самой карты и усилителя заведомо сильно ниже, чем требуется для измерения.

[misha88]

А на каких деталях собран Т-мост?

[shkal]

Конденсаторы-керамика NP0, резисторы- welwyn melf WRM0207 (всё smd)

[scarp]

А без генератора также? Возможно синфазная помеха по сети.

[misha88]

Конденсаторы-керамика NP0, резисторы- welwyn melf WRM0207 (всё smd)

При таких малых искажениях проблема может быть из-за керамических конденсаторов (собственные искажения керамики NP0 где-то видел порядка -110дБ и уж гарантированно хуже -120дБ). Для измерения таких низких искажений в Т-мост потребуются полистироловые конденсаторы и резисторы 0.1% и ТКС не хуже 15ppm.

[shkal]

А без генератора также? Возможно синфазная помеха по сети.

Без входного сигнала всё чисто, просто шумовая дорожка. У него батарейное питание. Там всё засунуто в литой альминиевый корпус, иначе никак.
Про синфазную помеху на генератор думал, но 1) применение сифазных фильтров картину не меняет 2) не понимаю, какой может быть механизм перемножения синфазной помехи на сигнал.

При таких малых искажениях проблема может быть из-за керамических конденсаторов

Может быть они и есть, но 1) там до уровня -125дб всё гарантированно чисто 2)тогда с чего бы этим искажениям вдруг плавать с перидом в десятки секунд, да ещё и менять гармонический состав.
Подавление моста вполне достаточно 60дб, что достигается обычными смд 1% резисторами и 5% конденсаторами с ОДНОЙ ленты
60дб моста + 110 дб карточки - динамический диапазон ограничен не искажениями измерительной установки, а шумами.

[misha88]

Подавление моста вполне достаточно 60дб, что достигается обычными смд 1% резисторами и 5% конденсаторами с ОДНОЙ ленты
60дб моста + 110 дб карточки - динамический диапазон ограничен не искажениями измерительной установки, а шумами.

Так тут вопрос не подавления, а пропускания частот, отличных от частоты подавления (т.е. гармоник и помех), например, коэф. передачи пассивного Т-моста на второй гармонике около одной трети входного сигнала, и если величина второй гармоники в сигнале -130дБ, то после Т-моста это уже -140дБ, т.е. при 4В пик. это 40нВ, так что шумы и флуктуации (например, температурные) смещения дифференциального усилителя могут давать такие эффекты (особенно у ОУ с полевиками на входе). После Т-моста лучше включить AD797, а не AD8066.

[shkal]

например, коэф. передачи пассивного Т-моста на второй гармонике около одной трети входного сигнала, и если величина второй гармоники в сигнале -130дБ, то после Т-моста это уже -140дБ, т.е. при 4В пик. это 40нВ

Всё верно, только точность и ТКЕ элементов моста на это никак не влияет. Мост из идеальных элементов будет иметь те-же 10дб подавления второй гармоники. Шумовая полка измерительного макета при размере FFT 1000000 отсчётов при частоте сэмплирования 176 Кгц (т.е. полоса одного отсчёта спектра 0.168 Гц) на 10-15 дб ниже (см. аттачь, калибровка 400мв=-20дб, без входного сигнала)

флуктуации (например, температурные) смещения дифференциального усилителя могут давать такие эффекты (особенно у ОУ с полевиками на входе)

Температурные сдвиги будут влиять на постоянном токе и низких частотах. Каким образом они могут изменять вторую гармонику сигнала на частоте 20 кГц я не понимаю. Кроме того, усилитель находится в почти герметично закрытам металлическом корпусе, после начального прогрева изменения температуры должны быть малы.
С АД797 есть проблемы - она очень чуствительна к RFI, плюс большой входной ток шума сводит на нет преимущества по входному напряжению шума уже при сопротивлениях источника порядка килоом. Тем не менее, первый вариант дифф. усилителя на макетке был собран именно на 2-х AD797 + AD817, там вообще стояли панельки, я менял несколько разных ОУ - эффект "плавания" спектра сохраняется. Собственно, именно из-за этого эффекта я всё переделал на смд элементах со сплошной заливкой землёй второго слоя, подумал, что это какая-то наводка.
У меня есть ощущение, что проблема тут совершенно не в измерительном усилителе.
З.Ы. земли на плате соединены.

[Nikolay_Po]

Вывод 1: имхо, проблема с пляской уровней измеряемых гармоник - в наложении спектра наводок с кратными измеряемой частотами на спектр измеряемого сигнала. Возможно, наложения гармоники измеряемого сигнала в фазе с помехой приводят к росту уровня, а наложение в противофазе - к падению. По какой-то причине частоты наводок и сигнала медленно плавают относительно друг от друга, соответственно, плавают и амплитуды наложений.

Вывод 2 - джиттер тактовых сигналов источника и приёмника относительно друг друга (если источник - "цифра") и наличие гармонических искажений в трактах обоих. В итоге - см. Вывод 1.

Уточните, пожалуйста, тип источника измеряемого сигнала.

[shkal]

Дело в том, что плавают ВСЕ палки в спектре, и наводки, и гармоники сигнала, а они совершенно некратны.
Источник - генератор, чисто аналоговый

[misha88]

По моему нужды в диф. усилителе в данном случае нет, т.к. он расположен рядом с Т-мостом. Я бы использовал единственный LT1115, а в мосте использовал бы резисторы меньшего сопротивления (2-3к), так я сделал у себя для измерения на 3 кГц.

[Nikolay_Po]

Подобное поведение генератора по гармоникам я наблюдал, налаживая генератор с лампой накаливания в обратной связи в качестве нелинейного инертного элемента.
Как Ваш генератор фиксирует уровень выходного сигнала? На каком принципе основан?
Может, плавание "палок" гармоник и есть реальное поведение генератора?
Вариант с причастностью джиттера АЦП я пока не исключаю.

[shkal]

нужды в диф. усилителе в данном случае нет

В данном случае да, я делал дифф. для экспериментов с разными схемами заземления.
LT-шек у меня нет, они не лучше 797-х, да и плата разведена под сдвоенный ОУ

---------- Добавлено в 14:21 ---------- Предыдущее сообщение в 14:16 ----------

В генераторе цепь АРУ: детектор два квадратора - сумматор - корень , интегратор, фоторезистивный оптрон. До этого был перемножитель в качестве регулирующего элемента, с тем же результатом.
Тема про генератор здесь: https://forum.vegalab.ru/showthread....8F%D0%BC%D0%B8
Схема в процессе немного изменилась, но не принципиально.

[misha88]

LT-шек у меня нет, они не лучше 797-х, да и плата разведена под сдвоенный ОУ

LT1115 в общем немного хуже 797-го, но в том, что важно в данном случае (входной ток и шум), лучше, к примеру входной ток у LT1115 50нА (тип.) и 200нА макс., а у 797-го 250нА (тип.) и 1.5мкА макс., соответственно токовый шум меньше в 2 раза и входное сопротивление выше в 2 раза, при этом шумовое напряжение практически одинаковое. Кстати, для LT1115 приводится и такой параметр - Corresponding Voltage Level относительно 0.775В и он -136дБ.

[shkal]

В данном конкретном случае основная головная боль - не шум, а RFI, и тут биполярные ОУ без эмитерных резисторов в дифкаскаде остаются не у дел, по сравнению с ОУ на ПТ
Nikolay_Po, А чем было вызвано такое поведение вашего генератора?

[Nikolay_Po]

Nikolay_Po, А чем было вызвано такое поведение вашего генератора?

Генератор был простой - УМ, охваченный положительной обратной связью. В разрыв цепи обратной связи была включена лампа накаливания. После возбуждения генератора, когда уровень сигнала на выходе генератора достигал определённого уровня, лампа разгоралась, сопротивление её нити росло, положительность обратной связи уменьшалась и рост амплитуды прекращался. За счёт тепловой инертности спирали, на для частот выше сотен герц лампа вела себя как линейное сопротивление, при этом играя роль стабилизатора амплитуды.
Так вот, этот генератор, даже при самой тонкой настройке имел небольшие колебания амплитуды - тепловая инертность лампы была не беспредельна, возможно, влияла конвекция воздуха, наверняка было влияние по питанию... В тонко сбалансированной схеме с большим усилением, любой дисбаланс приводил к колебаниям, в том числе колебался и уровень искажений. Так как порог возникновения искажений был близко к рабочей амплитуде генератора, небольшие колебания аплитуды приводили к существенному колебанию уровня гармоник. При малом усилении генератор замолкал, при большом - давал большие искажения. При балансе - колебался. Это было давно, ещё во время учёбы.
Вполне вероятно, что в Ваши измерения и наблюдения - объективны, методика и приборы - корректны. Попрбуйте другой генератор, только не ту же звуковую карту, которой измеряете.

P.S. Схема генератора была, помнится, "Генератор ЗЧ на микросхеме К174УН7 с мостом Вина. 20 Гц...20 кГц, 3 поддиапазона".

[mixxxxxer]

Эта, а может это просто медленный дрейф частоты в генераторе? А на мосту, собственно, и происходит детектирование этой частотной модуляции?

[shkal]

mixxxxxer, Отличная мысль! А я-то всё никак не мог понять, почему плавает и уровень основной гармоники тоже, правда немного, на 0.3-0.5 дб, а уровень входного сигнала моста стоит жёстко +-1%. Поскольку в режиме бесконечного усреднения или пик холда я не вижу расширения спектральных линий, это значит, что нестабильность не более разрешающей способности FFT по частоте, т.е. 0.168 Гц. А вот дальше я пока сообразить не могу: что будет на выходе FFT, если частота и амплитуда будут плавать за время одного окна (2 сек. примерно) при таких условиях?
Насколько я помню теорию, ни АМ, ни ЧМ не создают гармоник несущей? Это надо звать экспертов в теории сигналов...

Генератор может вибрации ловить, задающий частоту элемент - обычный переменник, и собрано пока всё в жестяной конфетной коробке..

[Nikolay_Po]

...что будет на выходе FFT, если частота и амплитуда будут плавать за время одного окна (2 сек. примерно) при таких условиях?

Что Вам мешает смоделировать? Сгенерируйте свип-тон с очень малым диапазоном качания и посмотрите, что будет со спектром.
Я вообще рекомендую делать подобные измерения усредняя данные за большой промежуток времени.
Например, Вы хотите получить разрешение до -135дБ, а это 1.78*10^-7. Эмпирически я рекомендую использовать в таком случае не менее 1/1.78*10^-7=5.6 млн отсчётов на выбранной частоте дискретизации. В вашем случае это около 30 секунд.
Как я делаю подобные измерения: а) источник прогрет, настроен, стабилизировался; б) оборудование записи прогрето; в) включаю запись и записываю в течение 2-х кратного времени анализа; г) обрезаю в редакторе начало, чтобы оставить запланированный по длине отрезок с конца (самый-самый конец тоже обрезаю); д) удаляю постоянную составляющую; е) анализирую рафинированный стабилизировавшийся (начало записи отрезано) сигнал с окном БПФ нужного размера, обычно 256к, и, для случаев с большим ДД - с окном Кайзера, параметер окна 20.

Рекомендую попоробовать проанализировать несколько больших (30сек) отрезков разных записей сигнала с окном Кайзера. Между записями лучше делать паузу, например, 10 минут, час - как угодно, чтобы поймать дрейф, если есть. Потом сравнить результаты. ИМХО, для корректных измерений с большим динамическим диапазоном, необходимо большое время, чтобы у этого диапазона "была возможность проявиться"
То, что у Вас спектральные линии не расширяются, по-моему свидетельство отсутствия качания частоты.

Насколько я помню теорию, ни АМ, ни ЧМ не создают гармоник несущей? Это надо звать экспертов в теории сигналов.....

ЧМ создаёт гармоники модулирующего колебания, а АМ - зеркальные спектры, но именно модулирующего колебания. Вопрос: чем промодулировано? Вибрациями, наводками сети? Джиттером?

[shkal]

Проковырялся две недели, но что делать, так и не знаю. Выяснил, что 1) Эффект "болтанки" амплитуд гармоник точно связан с плаванием частоты генератора вокруг некоторого среднего. 2) Амплитуда его максимальна при точной настройке частоты генератора на частоту подавления Т-моста 3) Эффект начинает проявлятся , начиная с некоторых уровней, например, при второй гармонике -115дб он не превышает 2-3дб, а при -125дб - уже 10-15дб.
Я всё равно не могу понять источник явления. Например, крутизна фазовой характеристики моста максимальна вблизи частоты настройки, следовательно, можно ожидать, что при большом окне ФФТ (порядка 1-2 секунд) должна максимально изменяться амплитуда именно основной гармоники (грубо половину времени окна с фазой -90, половину с фазой +90), однако в реальности она плавает на доли дб, а гармоники - много больше, несмотря на то, что крутизна фазовой хар-ки моста на удвоенной частоте настройки уже мала.
Модуляцию несущей я не вижу.