AD9850+AD8310+MCP3304=АЧХметр (шум на АЦП)

[Dmitriy40]

Ну я предложил проверить работу AD8310 в экране с питанием от кроны прямо внутри экрана, чтобы наружу торчали лишь два коаксиала (вход и выход), при этом шум должен быть наименьшим ... При этом если по выходу AD8310 керамика отсутствует (место на плате смотрю есть), то допаять, 68-330пФ, чисто ради подавления ВЧ наводок не только ёмкостью кабеля.

При использовании AD9850 шум может увеличиться из-за неидеальности AD9850, в том числе погрешностей генерируемого синуса на частотах выше 1МГц.

Прикинул, если считать опору АЦП 2.5В и ср.кв.отклонение взять за реальный разброс в ±9 единиц на пределе 0.1мВ по последним данным, то при коэффициенте 24мВ/дБ у AD8310 получится разброс ко входу -76±0.23дБ - это вообще говоря великолепно. На пределах 0.3мВ и более разброс менее ±0.1дБ. Куда уж тут ещё лучше давить шумы ...

С пределом 0.03мВ (надеюсь это цифры RMS) стоит разобраться, видит ли его AD8310 вообще, это ведь уже на грани чувствительности, -90дБ расчётных: закоротить вход (лучше даже после входных кондёров на плате AD8310) и померить сколько вольт будет на выходе, добавить 5-10% защитный интервал на всякий случай - и принять именно это выходное напряжение за реально измеряемый минимум. Ко входу его пересчитать после калибровки передаточной характеристики AD8310 по минимум двум точкам (поверить не только 24мВ/дБ, но и -108дБ intercept). Лучше и это и калибровку проделывать при питании от кроны (любого химического источника напряжением 8-30В и ёмкостью в десятки мАч и более) в общем экране с AD8310.
Вот 0.05мВ (-86дБ) видеть должна.

Давно хотел предложить идею переключения опоры АЦП между 3В и скажем 1В для повышения точности измерения (лишь самого АЦП) на пределах 0.3мВ и менее, но похоже нужды в этом нет, АЦП и так достаточно точен, даже с опорой в 3-5В ограничения получаются не из АЦП, а из AD8310.

[EUgeneUS]

Dmitriy40
Спасибо большое за советы и поддержку.
Теперь эксперименты будут требовать большего времени, так как всё больше связаны с допиливанием железа. По результатам буду отписываться.

[Dmitriy40]

Пока мне больше интересны два теста с кроной в общем экране: с закороченным входом и от генератора на пределе 0.1мВ. Оба с усреднением х16 как было выше.
Остальное уже и так как минимум весьма неплохо и в общем соответствует докам.

[EUgeneUS]

Заколхозил экран из банки из-под монпаньсе
Внутри - Крона. Снаружи два коаксиала.
На выходе детектора конденсатор 560 пФ, на входе АЦП - 0.1 мкФ.

Вылезло 50 Гц. Но после соединения экрана с Agnd АЦП, пропало.

Сделал измерения с меньшим шагом по уровню сигнала. Вот что получилось:

0.3mV   0.18mV  0.1mV   0.056mV 0.03mV  0.018mV 0.01mV  0.0056mV    RF
825ms   825ms   825ms   826ms   825ms   826ms   826ms   826ms       Время выборки
                           
 1623    1481    1272    1097      909     827     742      721     Среднее
 9,42   18,72  376,76  124,85   172,11  311,63  467,64   296,23     Дисперсия
 3,07    4,33   19,41   11,17    13,12   17,65   21,62    17,21     Ср. кв. откл.
  991     904     776     670      555     505     453      440     mV IN ADC
-52,1   -55,7   -61,3   -65,7    -70,5   -72,6   -74,7    -75,3       dB

Не понимаю, почему на 0.1 mV стало сильно хуже. Хотя на всех остальных стало лучше, и если бы не этот выброс на 0.1 mV, всё было бы просто чудесно.
На 0.1 mV делал несколько выборок - картина та же самая.

[Dmitriy40]

Результаты вообще странные:
1. На 0.1мВ очень большой выброс шума при сохранении выходного уровня.
2. На пределах 0.03мВ и 0.01мВ напряжение заметно выше чем было. А шум сменился наоборот (это и странно).

Ну с 0.1мВ подсказать ничего не могу, может где какой резонанс вылез, попробуйте изменить хоть длину усреднения или ещё чего-нибудь.

А вот пределы 0.03мВ и даже 0.018мВ откровенно радуют: похоже сигнал появился и AD8310 его видит. Пусть и с шумом (который в пересчёте ко входу будет примерно ±0.5дБ - ну пустяки же).
Про 0.01мВ и менее такого с уверенностью сказать нельзя, слишком близко выходное напряжение к напряжению при отсутствии входного сигнала.
Похоже фильтровать питание AD8310 Вам таки придётся. А может и питание AD9850, это покажут уже тесты с ним.

Теперь пара мыслей на будущее.
Насчёт 0.1мкФ на входе АЦП, мне кажется это слишком много, ведь судя по Figure 9. Small-Signal AC Response of RSSI Output with External BFIN Capacitance of 100 pF, 3300 pF, and 0.01 μF на AD8310 время установления сигнала на входе АЦП будет более 1мс - Вы точно делаете такую задержку после смены частоты и до начала измерений АЦП? Не уверен. И что именно тогда будет измерять АЦП с генератором AD9850 - большой вопрос. Я бы уменьшил эти 0.1мкФ на два порядка, до 3.3нФ (и менее), что даст время установления меньше 50мкс, фильтровать же ВЧ будет ещё весьма неплохо. Но не убирать совсем, несмотря на наличие 560пФ со стороны AD8310 - фильтровать шум лучше на обеих сторонах кабеля и уж точно около приёмника сигнала. Да, раньше мог сам советовать больше, видимо в запале борьбы с шумом не обратил внимания на это время.

Посчитал АЧХ фильтра после AD9850 из его pdf Figure 17. AD9850/CGPCB Electrical Schematic:

Левее всё очевидно ровно.
Неравномерность в полосе 7-40МГц более 0.5дБ - это систематическая ошибка Вашего измерителя (расчётная). И как на неё влияют разброс номиналов элементов и ёмкость монтажа - сказать не берусь (лень дорисовывать в схему и симулировать).
Странно что подавление 125МГц всего -45дБ, могли бы правый минимум точно туда посадить, хотя бы расчётно ...

[EUgeneUS]

Dmitriy40 в сообщении #1370289 писал(а):

2. На пределах 0.03мВ и 0.01мВ напряжение заметно выше чем было. А шум сменился наоборот (это и странно).

Видимо, это связано с тем, что детектор логарифмический.
Если сигнал модулируется на детекторе низкочастотным шумом, при этом уровень шума сравним с уровнем сигнала, то среднее напряжение на выходе будет занижено.
Иллюстрация в вольфраме. Там $1.1$ - уровень полезного сигнала, $\cos x$ - шум.

Про конденсатор на входе АЦП понял. В ближайшие дни попробую с другими значениями в диапазоне 1нФ -10 нФ. Так-то помнил про то, что он завышен относительно даташита. Но картинка АЧХ кварца нарисовалась, и решил с ним разбираться позже. Сейчас время пришло

Спасибо за АЧХ ФНЧ. Я снимал АЧХ всего тракта в диапазоне 0.1 - 30.1 МГц. И видел завал в последней трети. Пока задумался - нужна ли программная коррекция этих неравномерностей, так как типовая полоса качания - от 2 МГц (на 30 МГц), до 3-10 кГц - для кварцевых фильтров фильтров.
Кстати, на АЧХ всего тракта виден хороший такой подъем на 0.1 - 1 МГц. Откуда он взялся - пока не разбирался.

Осталось загадка с повышением уровня шума на 0.1 мВ, но как говорил один из моих руководителей - могу поверить в мистику где угодно, но не в электронике. Впрочем, рациональных мыслей пока нет.

[Dmitriy40]

Кондёр на входе АЦП при внешнем генераторе вообще не влияет (только лучше шумы давит), а при быстрой перестройке AD9850 он как бы сглаживает переходы между частотами, такой себе НЧ фильтр графика спектра ... потому АЧХ кварца и будет похожа на реальную, но может быть сдвинута чуть в сторону (к следующим частотам в порядке перебора) и занижена/завышена (вся целиком, не отдельные искажения частотных полос) и сильно искажены амплитуды пиков и провалов. 10нФ с временем установки больше 200мкс (вам ведь надо с точностью 0.01%, не забывайте! по графику столько не разглядеть, только оценивать как RC цепь) уже может быть многовато, если не вводить соответствующую паузу перед запуском АЦП. Для грубой оценки АЧХ сойдёт, но Вы же точности хотите ... А точность дело такое, непростое.

По 0.1мВ, меняйте всё что можете поменять: длину усреднения, длительность каждого измерения АЦП (замедлив хоть всю ардуину предделителем кварца если нельзя замедлить лишь интерфейс АЦП), входную частоту, время суток проведения тестов, расположение блоков и проводов друг относительно друга и относительно помещения, да хоть напряжение питания АЦП и его опоры (и кстати на время теста можно тоже на акк/батарейки перевести) (не спрашивайте зачем и как оно может повлиять лишь на предел 0.1мВ, я не знаю), в экран всё засуньте (отдельный от AD8310) - всё что поддаётся изменению то и меняйте. Когда-нибудь закономерность вылезет. Ничего умного посоветовать не могу.

(Оффтоп)

Странно что сюда так до сих пор никто и не влез. Боятца, не иначе! Вот только кого из нас?
Хотя кто-нибудь с радиоинженерным образованием/уклоном очень не помешал бы. Мне знаний явно не хватает, даже с дисперсией так и не понял можно ли считать корень из неё наиболее вероятным разбросом, хотя бы в "гауссовском" смысле (одной сигма).

[EUgeneUS]

Dmitriy40 в сообщении #1370575 писал(а):

Кондёр на входе АЦП при внешнем генераторе вообще не влияет (только лучше шумы давит),

На уровень наблюдаемых шумов он влияет очень сильно. На днях планирую подобрать его исходя из: минимальное значение, при котором подавление шумов приемлемо.
Уменьшать его, конечно, надо.

По 0.1 мВ.
1. Провел измерения от 0.05 до 0.15 мВ с шагом 0.01 мВ. Резкий рост шума как раз на 0.1 мВ, чем меньше на 0.11 и 0.09 мВ.
2. Заглянул в схему Г4-102. Ступенчатый аттенюатор, как и предполагалось пассивный. А вот плавная регулировка (в пределах ступни) сделана через управление АРУ предварительного усилителя. Так что, думаю, этот рост шума около 0.1 мВ - особенность Г4-102 (а скорее конкретного экземпляра).

[Dmitriy40]

Да, если шум прямо из генератора лезет - это засада, на этапе отладки и поверки. В том смысле что корректно исправить нелегко.
Но мне всё равно непонятно почему тогда этот же шум не выпячивается на других диапазонах, ведь и ОУ и АРУ те же самые. Может на других диапазонах Вы не попали плавным регулятором точно в ту же позицию и потому не наткнулись?
Что шум именно с генератора можно и проверить: сварганить 100 омный делитель на 2-3-5-10 и вкорячить его в разрыв входного коаксиала (да даже банально дорожку на плате AD8310 порезать и впаять проходной резюк в сотню-две ом, об землю на плате и так есть), можно даже без частотной коррекции. И померить уровень шума с ним, можно на низкой частоте. Частотная коррекция не нужна и вообще качество делителя неважно (как и согласование с источником) потому что достаточно увидеть смещение пика шума на другое соответствующее напряжение и всё, абсолютная величина шума совершенно непринципиальна. ИМХО не слишком сложно по сравнению с душевным спокойствием.

[EUgeneUS]

Кстати, вчера заметил, что уровень ("выброс") шума около 0.1 мВ сильно зависит от частоты генератора. Ранее проводил измерения на 4 МГц.
На 10 МГц и 1.5 МГц около 0.1 мВ шум гораздо меньше. На порядок-полтора (если по дисперсии смотреть).

Dmitriy40 в сообщении #1370626 писал(а):

Что шум именно с генератора можно и проверить: сварганить 100 омный делитель на 2-3-5-10 и вкорячить его в разрыв входного коаксиала (да даже банально дорожку на плате AD8310 порезать и впаять проходной резюк в сотню-две ом, об землю на плате и так есть), можно даже без частотной коррекции.

Не буду резать плату с AD8310. Вчера пришла посылка для Вашего мальчика с аттенюатором и линейным усилителем. На неделе или выходных засуну аттенюатор в коробку к детектору

[EUgeneUS]

Dmitriy40
Пришла посылка из Китая. К сожалению аттенюатор из неё оживить не удалось
Но усилитель +20дБ оказался вполне рабочий (хотя на АЧХ тракта, он конечно заметно влияет).

Также провел эксперименты с уменьшением конденсатора на входе АЦП с измерением шума (в виде дисперсии значений) в зависимости от разного уровня входного RF сигнала и частоты (1, 2, 4, 6, 8, 16 и 32 МГц).
И вот этот вопрос и хотелось бы обсудить.
Было: 560 пФ на плате детектора и 0.1 мкФ на входе АЦП.
На высоких уровнях сигнала шум практически не заметен. Дисперсия 0-1 единиц (квадрат от LSB).

Стало: 560 пФ на плате детектора и 3.9 нФ на входе АЦП.
Шум уже на высоких уровнях сигнала уже очень высокий - дисперсия десятки единиц с небольшой тенденцией к уменьшению при увеличении частоты.
При этом среднее значение сигнала увеличилось по сравнению с "большим" конденсатором.

У меня гипотеза, что все таки ВЧ сигнал "просачивается" на выход детектора.

Вопросы:
как Вы думаете, оставить 0.1 мкФ возможно?
Мои рассуждения такие.
а) у меня получается 500 точек за 500-600 миллисекунд, то есть примерно 1 миллисекунда на точку. Постоянная RC-цепочки на выходе детектора, должна быть примерно на порядок меньше.
б) в даташите на детектор указано, что его выходное сопротивление 0.05 Ом. Что при 0.1 мкФ на выходе дает хорошую постоянную времени RC-цепочки.
в) с другой стороны, по схеме чипа там на выходе указано сопротивление около 3 кОм, что с конденсатором 0.1 мкФ дает постоянную времени около 0.3 миллисекунды.

[Dmitriy40]

EUgeneUS
Походу насчёт величины нагрузочного кондёра я не прав, можно вешать и 0.1мкФ, и даже больше. А Fig.9 относится к другому кондёру, на BFIN, конкретно для снижения скорости реакции (и как я не заметил прямо в названии этого ... ).
Единственное, кондёр нельзя вешать напрямую на выход, надо через Minimum Load Resistance, RL с величиной в 100 Ом (чтобы ограничить выходной ток величиной 25 мА, стр. 13). Что с 0.1 мкФ даст полное время установления до 1/2 LSB в 9RC=0.9 мс. А вот разряжаться кондёр будет ещё в 40 раз дольше - током Maximum Sink Current 0.5 мА через 4 кОм на выходе AD8310.
Ставить ли этот 100 Ом резистор - вопрос хороший. Формально необходимо, реально же ... не могу представить ситуацию в вашем включении когда выходной транзистор AD8310 сгорит, слишком уж редки и коротки импульсы выходного тока. Ну или 10 Ом поставить для успокоения. Или даже он вообще не нужен если у них на схеме выходного каскада ошибка и последний биполяр имеет тип npn, а не как нарисовано pnp - тогда его базовый ток как раз и будет задаваться источником тока в эмиттере предыдущего биполяра, правда тогда непонятно зачем RL ограничивают снизу. А ещё можно поставить делитель 10/90 (10/100) Ом, с 90 (100) Ом впараллель входному кондёру АЦП, тут и нагрузка по DC будет допустимой, и ослабление небольшое (сохранится опора АЦП 2.5В), и разряд кондёра относительно быстрый (та же 1 мс), ну а через 10 Ом на кондёр 0.1 мкФ надеюсь выходной биполяр AD8310 не сгорит.
Кстати и 560 пФ можно заменить на 3.9 нФ на плате AD8310, впрочем он влиять на шум всё же не должен.

Без разрядного резистора в сотню Ом впараллель кондёру АЦП интересно было бы посмотреть на график АЧХ кварца от генератора AD9850, там же слева пик должен быть резким, а справа - плавным-плавным, из-за разряда 0.1 мкФ аж на 4 кОм внутри AD8310.

1 мс пауза между изменением частоты и началом измерения АЦП не так уж страшна при потоковом измерении: в эту паузу можно посадить обработку намеренных значений с АЦП, т.е. сначала выдать генератору следующую частоту, потом обработать намерянное ранее (и расчёты новой частоты генератору если они медленные, но не запись в AD9850), потом запускать АЦП, и в цикл.

[EUgeneUS]

Dmitriy40 в сообщении #1372381 писал(а):

Без разрядного резистора в сотню Ом впараллель кондёру АЦП интересно было бы посмотреть на график АЧХ кварца от генератора AD9850, там же слева пик должен быть резким, а справа - плавным-плавным, из-за разряда 0.1 мкФ аж на 4 кОм внутри AD8310.

Вот тут на рисунке 3 есть АЧХ кварца. У меня было
а) все детали АЧХ, включая "особенность" между двумя пиками такие же. Эта "мелкая особенность" стала видна после того, как несколько поборолись с шумом.
Однако, пики не такие острые.

б) Сама АЧХ кварца на основной гармонике у меня больше похожа вот на это:


В бОльшем разрешении

Кварц на 4 МГц, вытащенный из старого телевизора, где он, скорее всего, был в тактовом генераторе процессора.

UPD: у меня размах АЧХ кварца все таки был больше: вверх 20-30 дБ, вниз 10-15 дБ, ориентировочно. Но форма очень похожа.
UPD2: нагрузочный резистор 100 Ом в параллель АЦП я подключал. Никакого изменения не заметил. Но еще раз проведу этот эксперимент. Чуть позже. Сейчас планирую достать из чулана осциллограф и посмотреть им, что мы имеем на входе АЦП с небольшим конденсатором.

[EUgeneUS]

Dmitriy40

Посмотрел осциллографом, что происходит на выходе детектора. Нагрузочный резистор не подключал, конденсатор: 560 пФ на плате детектора и 3.9 нФ на входе АЦП.

1. Как и ожидалось, "проходит" ВЧ-сигнал на некоторых уровнях.
2. ВЧ представляет собой сильно "покореженную" синусоиду, почти пила: с быстрым нарастанием и более медленным спадом.
3. Интересно, что при сильно высоких уровнях входящего сигнала амплитуда помехи на выходе детектора уменьшается.
4. При сильно низких уровнях сигнала амплитуда помехи уменьшается, но возрастает белый шум, на фоне которого она теряется.

Возникла мысль поставить между детектором и АЦП ФНЧ на двух операционниках - на каждом двуплюсный фильтр Баттерворта, с граничной частотой около 10 кГц.
В связи с чем вопросы:
1. Как Вы относитесь к этой мысли? Если положительно, то
2. Можно ли запитать операционники однополярным питанием +5В (или +9В)?
3. Как лучше разместить ФНЧ - в одном экране с детектором, или в одном экране с АЦП?
4. Операционники можно брать из ширпотреба (LM741 \ LM348) или какие-нибудь специальные?

[Dmitriy40]

EUgeneUS
Тут похоже снова выходим за границы моих познаний. Потому точных ответов у меня нет, выскажу мысли, об адекватности судите сами.
При наличии ВЧ составляющих в сигнале фильтр на входе АЦП необходим по определению, с частотой среза не выше половины скорости опроса (а лучше в разы меньше) (т. Котельникова ж). Причём он должен иметь подавление на частоте помехи уровнем 0дБ не хуже 65дБ чтобы после усреднения на 16 помеха ушла ниже 1LSB. Но я думал он организуется резистором впослед и кондёром 3.9нФ. Можно ли в качестве этого резистора использовать волновое сопротивление кабеля - не знаю, может на ВЧ ... 100Ом резистор на 3.9нФ даёт время нарастания 400нс или порядка 400кГц частоту среза, что входные 4МГц ослабляет всего лишь на 23дБ (+3дБ на частоте среза), т.е. на выходе AD8310 амплитуда 4МГц не должна превышать 9мВ (при опоре АЦП 2.5В и усреднении х16). 1МГц сигнал на выходе AD8310 не должен превышать 2мВ при тех же условиях. А вот 100Ом (и впараллель и впослед) на 0.1мкФ даёт уже частоту среза 16кГц и ослабление 4МГц на 51дБ и 1МГц на 39дБ, т.е. на выходе AD8310 допустима амплитуда 220мВ@4МГц и 55мВ@1МГц. Время задержки до 1/2LSB при этом составит 10RC=100мкс (выше я на порядок ошибся и никто не заметил). Зачем здесь что-то сильно сложнее RC не очень понятно.
Так как размах полезного сигнала на АЦП 0.4В-2.5В, то можно ставить ОУ с однополярным питанием примерно от 4.5В (если они не rail-to-rail), т.е. 5В хватит (и можно даже через RC фильтр запитать учитывая малый ток, десяток мкФ (+керамику в десятки нФ) поставить и десяток-сотню Ом). Разумеется ОУ должны работать начиная от GND (а то есть обратные, которые от питания умеют работать, а от земли нет).
Но, ОУ добавит систематическую ошибку из-за смещения нуля, т.е. надо будет или калибровать уровень нуля, или отстраивать каждый экземпляр ОУ по уровню. Для обычного LM358 смещение нуля может быть от 2мВ (typ) до 9мВ (max), что при опоре АЦП 2.5В составляет от 6LSB до 30LSB. Каждого ОУ. Ставить ОУ с низким смещением нуля можно, но имхо проще программно откалибровать.
Насчёт экранов, я бы поместил фильтр в экран с АЦП, чтобы давилось всё что наведётся на кабель между экранами, а то может оказаться что в экране AD8310 шумы подавились, а потом снова навелись на кабель до АЦП.