Wie man ein winziges Signal verstärkt, das auf einer großen Gleichtakt-Rechteckwelle reitet

Ich habe ein kleines Signal von etwa 10 uV-100 uV, das auf etwa 1 V Gleichtakt reitet. Ich habe versucht, dies im Bild darzustellen. Ich bin daran interessiert, eine Schaltung auf Platinenebene zu entwerfen (kann keinen kommerziellen Lock-In-Verstärker verwenden), die das 10uV-100uV-Signal auf besser messbare Pegel verstärken kann, die mein ADC unterstützen kann (z. B. 10 mV). Das blaue Signal ist eine Uhr und das orange Signal wird von einer einzelnen Fotodiode ausgegeben, wenn sie zwei verschiedenen Lichtwellenlängen ausgesetzt wird. Was ist der beste Weg, dies zu erreichen? Ich bin ziemlich offen für die Wahl der Impulsbreite, wie durch die gestrichelten blauen Linien dargestellt.

Hinweis: Betrachten Sie das Blau als ein TTL-Logik-Taktsignal. Die Skalen der y-Achse für Blau und Orange sind nicht gleich.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Sie können das Taktsignal verwenden (den Eingang über einen Schmitt-Trigger speisen), um zwischen zwei verschiedenen Vorspannungen umzuschalten.
@Oskar hier etwas verwirrt. Ist der Shmitt-Trigger (ein Komparator) nicht ein digitales Gerät? Wie wird es die analogen Pegel erhalten? Können Sie mir einen Link zeigen oder einen Schaltplan skizzieren?
Gibt es einen Grund, warum Sie keinen kapazitiv gekoppelten Verstärker verwenden können?
@owg60 Das könnte eine Lösung sein, aber wird dieses digitale Signal nicht stark verändert? Ich frage mich, ob dadurch die genauen analogen Spannungspegel erhalten bleiben, die benötigt werden.
Interessieren Sie sich nur für das orange Signal oder nur für das blaue Signal oder für beides?
Nur im orangen Signal.
cool, also trifft meine antwort zu :)
@ user1155386: Ich meinte nur zur Auswahl der Vorspannung, das Signal vom Schmitt-Trigger könnte verwendet werden, um dem blauen Signal entgegenzuwirken, wobei nur das orange Signal plus Rauschen übrig bleibt.
@ user1155386: Ich meinte ziemlich genau das, was Whit3rds Antwort sagt.

Antworten (2)

Der Gleichtakt ändert sich langsam, das Signal ändert sich schnell.

Was Sie also brauchen, ist ein Hochpassfilter, der den DC-Anteil herausfiltert. Im einfachsten Fall: Das ist ein Kondensator in Reihe mit Ihrer Signalquelle, mit einem Widerstand gegen Masse, um niederfrequente Inhalte "kurz" zu machen. Hier ist ein benutzerfreundliches RC-Hochpass-Designtool . Beginnen Sie mit etwas wie C=10nF. Sie scheinen sich sehr darum zu kümmern, Spannungen zu erhalten: Das ist die Aufgabe, einen geeigneten Filter zu entwerfen, und dieses Tool hilft dabei. Sie müssen zuerst die Frequenzen des interessierenden Signals herausfinden!

Sie würden am Ausgang des Hochpassfilters für jede Flanke Ihres "blauen" Signals eine Spitze erhalten (da diese Flanke ein sich sehr schnell änderndes Signal ist).

Nach dem Hochpassfilter erhalten Sie nur Ihr interessierendes Signal, das sich um die von Ihnen verwendete Vorspannung zentriert (Hinweis: Ihr Widerstand vom Filter kann auch in einen Spannungsteiler zwischen Versorgungsspannung und Masse aufgeteilt werden, sodass Sie Ihr Signal in vorspannen können in der Mitte des Betriebsbereichs Ihres Verstärkers). Dann verstärken Sie das einfach, damit das interessierende Signal so viel wie möglich von Ihrem ADC-Bereich abdeckt.

Die Spitze, die Sie erhalten, wenn der Hochpassfilter die Kante Ihrer Uhr sieht, ist nicht so schlimm, filtern Sie sie digital heraus. (Sie werden nicht viele Samples durch die "Überverstärkung" dieser Spitze verlieren.) Besonders wenn Sie die Periode des blauen Signals kennen, wird das digitale Filtern sehr einfach.

Nicht vergessen:

Du verwendest einen ADC. Sie müssen daher auch einen Tiefpassfilter haben, der die Bandbreite, die Ihren ADC erreicht, auf die Hälfte Ihrer Abtastrate begrenzt! Andernfalls würden Sie Aliasing bekommen und Ihr Signal wird unbrauchbar.

Funktioniert! Simuliert es, zusätzliche Kommentare sind auch hilfreich.
:) Freut mich zu hören, dass es Ihren Bedürfnissen entspricht!
@MarcusMüller, toller Punkt, dass man sowohl die Flankenübergänge als auch den DC-Anteil digital filtern kann.
@JackCreasey Nun, mein Vorschlag ist, dass Sie DC analog herausfiltern sollten, um Ihren Dynamikbereich zu maximieren. Dynamikbereich und Nyquist sind für mich (praktisch) die einzigen relevanten Gründe, einen Filter nicht im digitalen, sondern im analogen Bereich zu verwenden, und normalerweise würde ich sagen, dass Sie lieber wie die Hölle oversampeln würden, um DR zurückzugeben Versuchen Sie, Ihr Signal im analogen Bereich übermäßig zu konditionieren

Eine mögliche Lösung ist die Verwendung eines slew-rate-begrenzten Verstärkers für dieses Signal in Kombination mit AC-Kopplung. Die Schrittgröße würde dann verringert werden, während eine langsamer ansteigende Welligkeit durchlaufen wird. Einige Operationsverstärker mit externem Kompensationskondensator können dies mit einem überdimensionierten Kompensationskondensator tun.

Eine andere wäre das synchrone Gating, so dass eine Reihe von Messungen durchgeführt wird und diese Messungen in „Low-V“-, „Transition“- und „High-V“-Datensätze getrennt werden.
Wenn Ihr Taktsignal bekannt ist, kann es phasenverriegelt werden, um die Bin-Adressen zu erstellen (ein interner Zähler, der mit der Uhr verbunden ist und „0“, „1“, „2“ wiederholt), um die Datenpunkte zu trennen. Ich habe dies mit mehreren Datenrekordern gemacht, indem ich in jeder Phase die entsprechenden aktiviert habe.

Und wenn Ihr ADC über genügend Reichweite verfügt, kann das gesamte Signal später in Software digitalisiert und aussortiert werden. es würde eine Kurvenanpassung an eine am besten passende Rechteckwelle bedeuten und dann diese Rechteckwelle von den Daten subtrahieren.

Wie Ihr synchroner Gating-Ansatz. Bringt Jitter Ihre Messungen nicht durcheinander? Vor allem, wenn Sie mehrere Behälter haben?
Timing-Jitter tat nicht weh; es gab ein Beobachtungsfenster für eine klare Datenaufnahme während eines Halbzyklus und eine Nullperiode für die Hintergrundmessung während eines Teils des anderen Halbzyklus. Der Zyklus wurde von unserem selbstgebauten Arbiträrfunktionsgenerator generiert, daher waren die Gate-Signale nur ein wenig zusätzliche Logik. Die mehreren Datenrekorder sammelten Impulse in Zählern und hatten ungefähr tausend Zähler. Ein Rekorder hatte Signal-gegen-Temperatur, der andere Hintergrund-gegen-Temperatur, wenn ein thermischer Scan durchgeführt wurde.
Wie man ein winziges Signal verstärkt, das auf einer großen Gleichtakt-Rechteckwelle reitet
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