Измерительный режектор/усилитель. Измерение сверхнизкого коэффициента гармоник.

[Electrovoicer]

Некоторое время назад пришел анонс от ADI на новый инструментальный усилитель, обладающий незаурядным комплексом характеристик по переменному току - AD8429.
А поскольку как раз назревала проблема измерения очень низкого уровня гармоник в некоторых моих конструкциях, и измерения "в лоб", даже с помощью очень хороших звуковой карты на основе АЦП AK5394A, не давали сколь-нибудь надежного, с метрологической точки зрения, результата, решил сделать простую приставку, решающую определенную задачу - измерение THD на 1 КГц.



Так возник "Знайка".
На входе - пассивный дифференциальный режектор, далее - инструментальный усилитель с усилением 60дБ и выходной дифференциальный драйвер. Собственный коэффициент гармоник инструментального усилителя ниже -110дБ.
На рисунке - спектр аудиокарты E-MU 1212M PCIe, вход соединен с выходом через режектор/усилитель.



Центральная частота режектора получилась 987.4 Гц. Как видно из графика, подавление на основной частоте составило не менее 90 дБ.
Конденсаторы 0.1мкф NP0 1206 подбирались из большого количества сэмплов из одной партии с допуском менее 0.1%. Как ни странно, задача оказалась вполне осуществимой. Общий темепературый коэффициент позволяет говорить о режекции более чем на 80 дБ в диапазоне температур 25 +-5С, т.е. при обычных лабораторных условиях. Конструкция сделана полностью симметричная для получения максимальных значений CMRR в как можно более широком диапазоне частот.
Как правильно читать результаты?
Если очень грубо - из полученных уровней отдельных гармоник надо вычесть 60 Дб - усилитель, следующий за режектором, усиливает гармоники тракта в 1000 раз (60 дБ). Однако, подавляя основную частоту, мы на 9.8 дБ подавляем вторую гармонику, на 5.7 дБ третью и на 3.8 дБ четвертую, на 2.5дБ пятую и так далее. Разумеется, данная коррекция дана для конкретного экземпляра режектора.
Итак, реальный уровень второй гармоники H2 = -63 - 60 + 10 = -113 дБ. Третья гармоника H3 = -54 - 60 + 6 = -108 дБ. Это с большой точностью согласуется с прямыми измерениями, однако присутствует заметно меньше грязи над "полкой". "Полка", разумеется, переехала выше (по отношению к "прямому" методу), но выигрыш в составил не менее 10 дБ.
Приемущество данного метода - можно измерять малые коэффициенты гармоник с помощью большинства встроенных звуковых карт, придавая им "фору" в 60 дБ.

Схема устройства приложена.
znayka_v1.0a.PDF

[Борисыч44]

и 14 нулей не слабо? "десятикратное суммирование" сколько должно прибавить к исходным пускай даже 120? природу не обманешь - копить нужно будет очень долго и увидим только регулярные сигналы. ЛБВ конечно давно придумали, но и у неё вроде бы поменьше ДД ..

---------- Добавлено в 02:23 ---------- Предыдущее сообщение в 02:17 ----------

Спектралабом вообще можно и -140дБ мерять,

зависит от того, что хотим измерить, если тысячные доли процента гармоник, то можно, а если что то на фоне прямоугольника? или шума? - сильно неразбежишся

[Alex]

и 14 нулей не слабо? "десятикратное суммирование" сколько должно прибавить к исходным пускай даже 120?

А если оно не "десятикратное" а "десяти триллиарднократное"?

природу не обманешь - копить нужно будет очень долго

Вот в радарах, радиотелескопах, приборах для ядерной физики при наблюдении всяких там нейтринои т.п. - именно что "долго" и копят.

и увидим только регулярные сигналы.

А на непериодических метод накопления не очень-то и работает.

[Борисыч44]

А если оно не "десятикратное" а "десяти триллиарднократное"?

чот я в этих нулях уже со счету сбился (там помнится еще корень должен быть)

Вот в радарах

в них особо некогда копить, ЛБВ делать длиннее "посылки" смысла нет.

А на непериодических метод накопления не очень-то и работает.

так это для метода шум

[Alex]

в них особо некогда копить,

НУ как сказать.

[viktor8m]

а кто-то линейность измерительного тракта в пределах 120дБ проверял, прежде чем этакой цифирью бросаться? Есть источник сигнала с таким аттенюатором? Измеритель уровня с таким диапазоном?

В этой теме рассматривается только измерение искажений (гармоник синусоидального сигнала), поэтому большая линейность шкалы АЦП тут не требуется, ну померяем -120 дБ, а в реальности -119.9 дБ, ну и что, главное знать в каком диапазоне гармоники, чтобы или проводить оптимизацию схемы или знать, что детали (напр., конденсаторы) качественные. А аттенюатор на -120 дБ вообще в чём проблема построить? К примеру два последовательных делителя 1 к-1 Ом на фольговых резисторах не подойдут?

[shkal]

Nick, поясни, каким образом можно измерить искажения устройства, если они меньше искажений генератора (не важно, ЦАП или аналогового)?

[Nick]

Nick, поясни, каким образом можно измерить искажения устройства, если они меньше искажений генератора (не важно, ЦАП или аналогового)?

Если аналоговый генератор, то можно только в случае если измеряемое устр-во имеет достаточно линейную АФЧХ в измеряемом диапазоне. Просто нужно в измерениях векторно вычесть искажения всего измерительного тракта. Точность этого метода зависит от того на сколько будет "гулять" нелинейность самого изм. тракта во время измерений и от реальной АФЧХ измеряемого устр-ва. Правда реализовать это не легко, потому как надо очень точно синхронизироваться по аналоговому генератору, чтобы фаза в измерениях не гуляла.
Если ЦАП, то лучше по другому - подать на ЦАП такой "предискажённый" цифровой сигнал, чтобы на выходе его было значительно меньше искажений, чем если его кормить чистым синусом. Т.е. "подобрать" цифровой сигнал ЦАП так, чтобы на FFT анализаторе без измеряемого прибора небыло видно гармоник вообще. В этом случае уровень искажений на выходе ЦАП будет определятся АЦП или режектором, и если он (АЦП или режектор) достаточно линеен, то можно будет мерить любое устройство, в независимости от его АФЧХ. Для устройств же с линейной АФЧХ точность будет ещё выше, т.к. в данном случае она не будет зависить от уровня искажений АЦП/режектора, а только от того на сколько они стабильны по амплитуде и фазе. Всё это легко прикинуть в цифрах, просто имея ввиду, что гармоники нужно складывать векторно.

[Борисыч44]

Что то смутно вспоминаю про какую то приблуду - в ней было типа калибровки, которая "обнуляла" искажения генератора, но уже не вспомню где

[shkal]

Идея понятная, но в случае внешнего генератора крайне труднореализуемая. Грубо говоря, вместо требования к генератору иметь собственные гармоники не более -120дб получим требование иметь стабильность амплитуды этих гармоник -120дб, что ещё сложнее сделать. Очевидно, что после каждого изменения частоты, амплитуды генератора или даже выходного сопротивления нагрузки систему придётся перекалибровать. Может помочь 2-х канальный метод, но тогда такие-же требования будут предЪявлятся к идентичности искажений каналов АЦП.
С режектором в виде Т-моста не применимо из-за крайне высокой крутизны ФЧХ.

[Nick]

Грубо говоря, вместо требования к генератору иметь собственные гармоники не более -120дб получим требование иметь стабильность амплитуды этих гармоник -120дб, что ещё сложнее сделать.

Зависит от генератора и условий. Если генератор на фикс. частоту и не менять ему нагрузку во время измерений то обычно стабильность гораздо выше амплитуды самих гармоник. Хотя для таких измерений не меньшиую роль играет и их фаза, а в случае аналогового генератора с этим сложнее.

---------- Добавлено в 14:01 ---------- Предыдущее сообщение в 14:01 ----------

Очевидно, что после каждого изменения частоты, амплитуды генератора или даже выходного сопротивления нагрузки систему придётся перекалибровать.

Это конечно да.

---------- Добавлено в 14:03 ---------- Предыдущее сообщение в 14:01 ----------

Может помочь 2-х канальный метод, но тогда такие-же требования будут предЪявлятся к идентичности искажений каналов АЦП.

По моему опыту каналы более идентичны в плане искажений, чем уровень самих искажений. Я пользовался таким методом, но не с аналоговым генератором, а с ЦАП - довольно удобно. Вообще ЦАП гораздо более практичен чем аналоговый генератор, потому что его очень легко "линеаризовать", частота не плавает и не надо синхронизироваться (вычислять фазу относительно основной гармоники).

---------- Добавлено в 14:14 ---------- Предыдущее сообщение в 14:03 ----------

С режектором в виде Т-моста не применимо из-за крайне высокой крутизны ФЧХ.

С режектором не проверял, возможно действительно сильно будет плавать. Хотя если использовать режектор с ЦАП (с компенсацией, как я описал выше), то всё будет определятся только линейностью режектора и стабильностью гармоник ЦАП (а они при фикс. нагрузке и тем-ре обычно очень стабильны). А если использовать 2 режектора и два канала АЦП, то можно сделать автокалибрацию.

[shkal]

я этого не наблюдаю на практике, извините уж.

Прочтите эту статью http://www.tmworld.com/article/52168...t_circuits.php
У меня примерно тот-же результат получился, разница в 4-6дб между керамикой NP0 и полистиролом в моём генераторе. Полипропилен не ставил.