Замер фаз когерентных сигналов разных амплитуд

[nbn]

Гуглить по "lock-in amplifier"

[intern235]

а Вы НИЧЕГО, НИ ЕДИНОГО СЛОВА не поняли,

Для чего вы здесь? Кичиться знаниями математики? Унижать новичков или просто радиолюбителей которые пытаются разобраться и сделать что то сами чуть лучше? Выделяете текст… Мне кажется с вашей ГОРДЫНЕЙ вам стоит общаться в другой ветке.

[КРАМ]

Ничего высоконаучного я не изрекаю. Открываете в инете любой ресурс по поиску квадратурное детектирование и читаете с ручкой в руках о методе.
Это математика СРЕДНЕЙ ШКОЛЫ. Обычная тригонометрия 8-9 класса.
А как Вы хотели?
Вы полагаете, что можно САМОМУ создать дальномер и НИЧЕГО при этом не знать?
Засуньте свои комплексы куда подальше...
Это не моя, а ВАША проблема.

Аккуратнее с выражениями... Замечание. FAKIR.

[balmer]

Открываете в инете любой ресурс по поиску квадратурное детектирование и читаете с ручкой в руках о методе.

Вы не совсем правы. Да, можно сделать радиоприемник с IQ демодуляцией. Но в данном случае это излишне. Для одной частоты достаточно простейшего супергетеродинного приемника. Вот например можно глянуть как устроен Digi-80 для PSK31 связи. Для данного случая нужен только приемный тракт и другие номиналы кварцев.

PS: Ну и да, если автор темы надеется что можно будет обойтись без ADC и микропроцессора - то он надеется зря

[КРАМ]

Вот например можно глянуть как устроен.....для PSK31 связи.

Вы видимо невнимательно читали ПОТРЕБНОСТИ автора темы.
Товарищ собирается делать дальномер. Это требует измерения ПОСТОЯННОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ фазы.
Причем тут приемник с фазовой манипуляцией? Причем тут кварц?

ЗЫ. Прикол еще и в том, что 10 МГц при квадратурном детектировании вообще не требуют приемного тракта (кроме некоего линейного усилителя, конечно).
Всего то потребуется сделать двухканальный УВХ. А АЦП вообще быстрый не требуется. Фазу монохромного сигнала можно измерять стробоскопическим методом, то есть не в каждом периоде.

[balmer]

Вы видимо невнимательно читали ПОТРЕБНОСТИ автора темы.
Товарищ собирается делать дальномер. Это требует измерения ПОСТОЯННОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ фазы.
Причем тут приемник с фазовой манипуляцией? Причем тут кварц?

Не забывайте, что я как человек сделавший RLC измеритель и Vector Network Analyzer довольно неплохо разбираюсь в вопросе измерения фазовых сдвигов Ну и знаю как и где можно "срезать углы".

Начнем с ТЕОРИИ. Важный момент - после того, как мы преобразовали частоту используя смеситель - информация о фазе СОХРАНЯЕТСЯ. То есть мы можем комфортно преобразовать сигнал, чтобы он стал низкочастотным и уже там определять разницу фаз удобным нам способом. Спасибо кстати pixar-у, который в свое время рассказал мне этот важный момент.


Если у нас одна частота:
1. Отфильтровываем сигнал от помех кварцевым фильтром. Простым из пары кварцев.
2. Немного усиливаем.
3. Потом смесителем переносим сигнал на частоту порядка 1-10 КГц.
4. Фильтруем еще раз.
5. Сравниваем фазу с эталонным сигналом.

При переносе эталонного сигнала, делаем аналогичный приемный тракт, только пункты 1-2 не требуются.


PS: Кстати фазовый детектор бывает и очень простым без микроконтроллера На низких частотах будет даже неплохо работать.

[КРАМ]

Начнем с ТЕОРИИ.
1. Отфильтровываем сигнал от помех кварцевым фильтром. Простым из пары кварцев.
2. Немного усиливаем.
3. Потом смесителем переносим сигнал на частоту порядка 1-10 КГц.
4. Фильтруем еще раз.
5. Сравниваем фазу с эталонным сигналом.

"Эталонный" (вообще то он ОПОРНЫЙ) сигнал на частоте 1...10 кГц откуда появился?
Вообще то нужно разделять вопрос переноса спектра и вопрос фазового детектирования.
Я выше уже написал, что можно сделать приемник прямого преобразования, а можно супергетеродин. По существу никакой разницы нет.
К детектированию фазы это не имеет никакого отношения.

[balmer]

Эталонный сигнал получается так:
У нас есть два канала приема, два смесителя, на которые подается сигнал от одного гетеродина. На вход одного канала приема подается прямой сигнал (тот что посылаем), на вход другого канала подается отраженный сигнал (тот что принимаем).

Соответственно на выходе гетеродинов есть два сигнала одинаковой и низкой частоты, фазу которых мы сравниваем.

[intern235]

2. Немного усиливаем.

Вот тут фаза и уходит. Разное усиление разный уход.

Потом смесителем переносим сигнал на частоту порядка 1-10 КГц.

Вот тут если смеситель цифровой то сигнал должен быть 5 вольт? Т.е ваше немного это с фотодиода 0.0001 вольт превратить в 5? Или это аналоговый и тогда можно усиливать слабо…незнаю.
А почему нет УВЧ не искажающих фазу в одной микросхеме? Или вообще фазометров вход 2 сигнала опорный и сигнальный выход напряжение…

Вообще методов фазометрии штук 10 если не больше. Каждый хвалит свой.
Какой же самый точный\простой\ не дорогой по цене =). Тема давно известная, неужели нет готовых микросхем?
Вот этот так и не понял "lock-in amplifier" что это…

[КРАМ]

Эталонный сигнал получается так:
У нас есть два канала приема
......
Соответственно на выходе гетеродинов есть два сигнала одинаковой и низкой частоты, фазу которых мы сравниваем.

Замечательно , осталось объяснить чем же проще преобразование вниз сигнала и гетеродина по сравнению с двухканальным преобразованием вниз ТОЛЬКО СИГНАЛА, но ДВУМЯ ГЕТЕРОДИНАМИ, созданными из ОДНОЙ учетверенной частоты обычным делителем на двух D-триггерах?
То есть получение двух квадратурных компонент сигнала НА НИЗКОЙ ЧАСТОТЕ, а паче ПОСТОЯННОМ ТОКЕ.
Но в ОБОИХ СЛУЧАЯХ остается проблемой идентичность двух каналов абсолютно и во времени, поскольку выделение постоянной составляющей имеет некоторые особенности по сравнению с переменной (это когда речь о модуляции/манипуляции фазы).
Но проблема достаточно компактно решается путем ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ГЕТЕРОДИНА. То есть используется ОДИН КАНАЛ для обеих квадратурных компонент. Ведь в отличии от временного анализа фазы (таймерами), амплитудный анализ не требует одновременного наличия двух сигналов... При прямом преобразовании мы сразу получаем амплитудное значение компоненты.
ЗЫ. Кстати, мы еще не вспоминали о том, что автор вопроса не догадывается, что при фазовой дальнометрии требуется решить вопрос неоднозначности фазы при кратных длине волны расстояниях. Что требует вычисления фазы НА НЕСКОЛЬКИХ поднесущих. Значит вопрос с монохромностью повисает в воздухе. А с ним повисает и вопрос о фазовой неидентичности двух каналов...

[balmer]

Вот тут если смеситель цифровой то сигнал должен быть 5 вольт?

Ээээ, что за цифровой смеситель? Обычно на входе используют ключевые смесители. Потому как у них широкий динамический диапазон. Можно просмотреть схемы SDR приемников и Приемников Прямого Преобразования и выбрать тот, который нравится.

Сигнал гетеродина должен быть большой 0.3 V - 5 V в зависимости от типа смесителя. Входной сигнал может быть любым по амплитуде (в разумных пределах конечно-же).

Т.е ваше немного это с фотодиода 0.0001 вольт превратить в 5? Или это аналоговый и тогда можно усиливать слабо…незнаю.

100 микровольт - это очень хороший уровень сигнала. Усиливать нужно по минимуму, т.к. чем больше усиление, тем хуже динамический диапазон. Зависит от того, какой ADC будете использовать. Если 12-ти битный, то надо в 1000 раз усилить. Если 24-х битный, то лучше усилить примерно в 10-30 раз сигнал.

А почему нет УВЧ не искажающих фазу в одной микросхеме?

УВЧ исказит вам фазу больше, чем УНЧ. Но тут главное, чтобы сдвиг фазы был постоянен и неизменен при воздействии окружающих факторов. А дальше - вопрос калибровки прибора. От этого никуда не деться, потому как каждый кусок провода на пути сигнала вносит свой сдвиг фазы

Выбор УВЧ/УНЧ усиления не так прост. Если вы поставите кварцевый фильтр на входе, то можно и на УВЧ усиливать, т.к. не будет широкого спектра шумов.

Тема давно известная, неужели нет готовых микросхем?

Для измерения фазы есть например аналоговая AD8302. Только она измеряет с точностью 1 процент фазы. Цифровые методы все это заруливают на пару порядков.

Замечательно , осталось объяснить чем же проще преобразование вниз сигнала и гетеродина по сравнению с двухканальным преобразованием вниз ТОЛЬКО СИГНАЛА, но ДВУМЯ ГЕТЕРОДИНАМИ, созданными из ОДНОЙ учетверенной частоты обычным делителем на двух D-триггерах?

Да, вижу, что вы все смотрите на схему простейших SDR приемников. Так, там два смесителя питаемые от гетеродина со сдвигом фаз на 90 градусов нужны ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ ЗЕРКАЛЬНОГО КАНАЛА. Разность фаз это не поможет получить.

Почитайте тему RF network analyzer. Там все подробно расписанно.

[КРАМ]

Ээээ, что за цифровой смеситель? Обычно на входе используют ключевые смесители. Потому как у них широкий динамический диапазон. Можно просмотреть схемы SDR приемников и Приемников Прямого Преобразования и выбрать тот, который нравится.

True SDR строится по любой схеме - и как приемник прямого преобразования и как супергетеродин.
Никаких аппаратных смесителей по входу у SDR нет и быть не может по определению.
Поэтому ЦИФРОВЫМ СМЕСИТЕЛЕМ в SDR полагают ПОДПРОГРАММУ (процедуру) перемножения входного (сигнального) массива на значения гетеродина, соответствующие порядковому номеру данных в массиве.
Но на практике под SDR часто полагают выходную цифровую фильтрацию и детектирование, что весьма и весьма неточно, если не сказать хуже.

Да, вижу, что вы все смотрите на схему простейших SDR приемников. Так, там два смесителя питаемые от гетеродина со сдвигом фаз на 90 градусов нужны ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ ЗЕРКАЛЬНОГО КАНАЛА. Разность фаз это не поможет получить.

Почитайте тему RF network analyzer. Там все подробно расписанно.

Извините, Балмер, но я начинаю сильно сомневаться, что Вы вообще понимаете смысл квадратурного детектирования...
Никакого отношения квадратурное детектирование к подавлению зеркального канала не имеет.
По сути квадратурное детектирование является ОДНОТОЧЕЧНЫМ ДИСКРЕТНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ФУРЬЕ.
Весь его смысл состоит в получении ДВУХ ЗНАЧЕНИЙ сигнала за ОДИН ЕГО ПЕРИОД (с интервалом в 90 градусов) и вычислении амплитудного значения этого сигнала как корень квадратный из суммы квадратов этих двух полученных значений, а также ФАЗЫ сигнала относительно НУЛЕВОЙ ФАЗЫ семплирующего гетеродина (это и есть опорный сигнал) как арктангенс отношения этих же двух значений...

[Муркиз]

Вообще-то, прежде чем разводить споры о методах, лучше бы спросить у ТС о значениях, пределах и точности замеров.
В частности, для "когерентных" сигналов...

А то все сказанное попросту переходит в белый шум... Не желаете фазы из него вытащить ?

[КРАМ]

все сказанное попросту переходит в белый шум

Это было ясно АПРИОРИ.
На нынешний момент ТС не в состоянии ничего понять. Но если у него хватит усердия, приведенной информации более чем достаточно, чтобы решить поставленную им перед собой задачу.
Такшта нет никакой необходимости объяснять ему все налету. В одно ухо влетит, а в другое вылетит.

[intern235]

ТС о значениях, пределах и точности замеров.

Вообще методов фазометрии штук 10 если не больше. Каждый хвалит свой.
Какой же самый точный\простой\ не дорогой по цене

ТС уже запутался в них вообще…

А дальше - вопрос калибровки прибора.

Опорный С1
Принимаемый С2
F0=замеряли Разность фаз
Сдвигаем фазу С1 на 90 градусов фазовращателем(или что тоже пускаем опорный сигнал по известной длине считая временно опорным С2).
F1= новую разность фаз.
Находим разность между F1 и 90 градусов даст величину ошибки замера фазы вносимую ОУ при этом уровне сигнала С2 тогда F1-90=eror
Находим настоящую фазу на измеряемой дистанции без ошибки F0-eror.

В метрологии рекомендуют умножить частоту на которой замер фазы на N увеличив точность. Но это для малых разностей фазы.
0)Опорный С0
1)Принимаемый С1

P0=Замеряем фазу С0 С1 (находим фазу грубо)
С0=Фазовращаем C0 на угол P0.
P1=Замеряем фазу С0 С1
Узнаем на сколько можно умножить частоту увеличив точность замера.
N=(360/P1)-1
C0=Умножаем частоту С0*N.
P2=Замеряем фазу С0 С1.
Точная фаза=P0+(P2/N)

[balmer]

intern235 - так вы выбрали вариант, который собираетесь делать? Каким способом предполагаете измерять разность фаз? Программно в микроконтроллере или аппаратно?

Если программно (ADC + микроконтроллер), тогда можно будет обсуждать как это делать поточнее. А если аппаратно, то боюсь, что не разбираюсь в этом вопросе.

Калибровка - это вещь простая. Измеряем что выдает прибор для двух известных расстояний. У нас получается расстояния L1, L2. И две фазы P1, P2. Если зависимость линейная L = A*P+B, то получить коэффициенты элементарно.
A = (L2-L1)/(P2-P1)
B = L1 - A*P1

[intern235]

Я не понимаю зачем тут SDR приемник на ПЛИС если нужен простой детектор фазы на 10 мгц?
Квадратурный метод… когда хватит балансного детектора на диодах.
Интерполяционный полином для коррекции фазы при разных входных сигналах…
В книгах фазовый метод один из самых древних, как тогда решался вопрос слабого сигнала? Первоначально я ищю простой способ как это решали в радиоприеме и ничего не найдено. Может я напутал с вопросом? Вообще каша…

Как решить проще всего:
Вот изначальная задача: Есть лазер, его нужно модулировать максимум до 10 мгц.
Принять отраженный слабый сигнал и замерять разность фаз от 0 до 360 которая означает расстояние.

Какую модуляцию лучше взять для неплохого и простого фазометра?
Задача сделать простое устройство а затем усложнять при желании.

Перефразирую лучше итоговую цель для чего фазометр.
Как на 5 деталях сделать лазерный дальномер на дистанцию 10 метров с выводом на вольтметр? Может есть готовые микросхемы с нужными узлами? А если энтузиазм не угаснет попробую развить идею на микроконтроллер.

Вот моя идея:
А если отказаться от замера фазы в прямом смысле?
Фотодиод-разрешаемый ОУ- лазер.
Лазер модулировать меандром от Генератора.
Генератор при лог1 разрешает работу ОУ.
В итоге только если лог1 от генератора И принятый сигнал лог1 генерируется импульс длительность которого определяет разность фаз двух сигналов, сдвиг фазы не имеет смысла. Получаем разность фаз- длительность импульса. Ставим интегратор получим расстояние это напряжение.

[КРАМ]

Как на 5 деталях сделать лазерный дальномер на дистанцию 10 метров с выводом на вольтметр?

Причем тут дистанция?
Проблема не в дистанции, а в РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ.
Именно разрешающая способность определит требуемую апертуру зондирующего сигнала по амплитуде или по фазе, в зависимости от метода.
Обычная лазерная рулетка на дальности от 5 см до 25 метров с разрешением в 1 мм является структурно СЛОЖНЕЙШИМ УСТРОЙСТВОМ, несмотря на малое количество деталей. Именно поэтому она стоит совсем не малых денег.

[intern235]

Да я глянул много книг по ним.
Так мне и ненужно такая точность. Фаза до 360 градусов. А будет желание можно будет усложнять.

“Когда мне лет двадцать назад надо было решить подобную задачу, я поступил следующим образом.
Луч светодиода, промодулированный меандром, направлял на измеряемый объект, а фотодиодом снимал полезный сигнал. Дальность определялась по смещению фронта зондирующего и отражённого импульсов, несложно догадаться, что пропорциональность прямая, и для этого измерения достаточно двух элементов И-НЕ, и простейшего интегратора на двух деталях. Дальность отображалась стрелочным прибором.”

Видимо тут нет ОУ для фотодиода как это? Может просто сигнал сильный был?

[balmer]

Ладно, понятно что без микроконтроллеров хотите обойтись.
Тогда посоветую (уже советовал выше) Импульсный фазовый детектор. Проще некуда. Перед ним надо поставить формирователи прямоугольного сигнала (можете глянуть в частотометрах, на Радиокоте полно статей по этому поводу).

Ну и тот сигнал который слабый - надо усилить. Но тут есть засада - эта схема нормально работает до частоты в несколько сотен килогерц.
Дальше надо делать смесители и преобразование вниз.
Сигнал желательно фильтровать кварцевым фильтром, но для начала можете попробовать без фильтра.