1 MHz Präzisionsdetektor

Hallo,

ich will einen amplitudenmodulierten Sinusträger von voraussichtlich 1 MHz präzise messen. Das Signal wird von wenigen mV bis wenigen Volt anliegen und soll dementsprechend eine DC-Messpannung liefern. Wichtige Forderung: Ich will sowohl die absolute Amplitude mit vielleicht 1% Genauigkeit als auch kleine Amplitudenschwankungen mit mehr als 20 kHz einwandfrei erkennen. Die Schmerzgrenze für die Störspannung könnte daher bei vielleicht 0,1 mV liegen. Dass da ein guter TP-Filter hinter gehört, ist mir klar.

Ein Diodengleichrichter scheidet wegen Nichtlinearität offensichtlich aus. Aktive Gleichrichter mit Dioden in der Gegenkopplung wegen der Frequenz vermutlich(!) auch. (Ich befasse mich viel mit Schaltungen mit vielen MHz Grenzfrequenz, aber nur linear.) Zunächst wollte ich per Breitbandmultiplizierer das Signal quadrieren, Mittelwert bilden und die Wurzel ziehen. Aber ein entsprechender Multiplizierer ist so albern teuer, dass ich davon Abstand nehme. Die Trägerfrequenz wird im Gerät erzeugt, aber die Phase könnte leicht amplitudenabhängig sein.

Ich nehme an, dass das kein außergewöhnliches Problem ist und manche Firma passende Bauteile herstellt - nur ich kenne sie nicht. Es darf ein exotisches Spezialbauteil sein und es geht um nur eine oder wenige Schaltungen.

Nun bin ich gespannt - Amateurfunker an die Front(?)

Grüße

Uwe
(DH4OAB)

Hallo Uwe,

willst Du nur eine Messanordnung zur Bestimmung der Größen aufbauen oder soll das Ganze kompakt auf einer Platine sein? Wie teuer darf der Aufwand sein?

Gruß

Dieter

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Hallo Uwe,

ich will einen amplitudenmodulierten Sinusträger von
voraussichtlich 1 MHz präzise messen. Das Signal wird von
wenigen mV bis wenigen Volt anliegen und soll dementsprechend
eine DC-Messpannung liefern. Wichtige Forderung: Ich will
sowohl die absolute Amplitude mit vielleicht 1% Genauigkeit

1 % bezogen auf was? Bereits auf 1 mV? D. h. auf 10 uV genau? Oder bezogen auf 1 V?

als auch kleine Amplitudenschwankungen mit mehr als 20 kHz
einwandfrei erkennen. Die Schmerzgrenze für die Störspannung
könnte daher bei vielleicht 0,1 mV liegen. Dass da ein guter
TP-Filter hinter gehört, ist mir klar.

Was heißt Schmerzgrenze? Auflösungsvermögen bis hinunter auf 0,1 mV der Niederfrequenzspannung?

Ein Diodengleichrichter scheidet wegen Nichtlinearität
offensichtlich aus. Aktive Gleichrichter mit Dioden in der
Gegenkopplung wegen der Frequenz vermutlich(!) auch.

Kommt drauf an, wenn man beispielsweise eine amplitudenstabile Referenz hat, dann nicht.

Zunächst wollte ich per
Breitbandmultiplizierer das Signal quadrieren, Mittelwert
bilden und die Wurzel ziehen. Aber ein entsprechender
Multiplizierer ist so albern teuer, dass ich davon Abstand
nehme.

Schau Dir mal den AD835 (der ist sicher nicht so teuer) an, soweit ich dem Datenblatt entnehmen konnte, würde dieser recht genau arbeiten. Aber das gilt natürlich nicht für jede beliebige Signalspannung (s. o.).

Außer zu quadrieren und nachher die Wurzel zu ziehen gäbe es auch die Möglichkeit, mit einer zweiten Frequenz, die dicht neben 1 MHz liegt, herunterzumischen und dann die Amplitude der ‚Niederfrequenz‘ messen.

Waren mal ein paar Anfangsgedanken…

Gruß

Dieter

Hallo Dieter,

danke für die Antwort.

Dass ganze würde auf eine Platine (Prototypenaufbau) zusammen mit anderen Schaltungsteilen kommen.

1 % bezogen auf was? Bereits auf 1 mV? D. h. auf 10 uV genau?
Oder bezogen auf 1 V?

Auf Endausschlag. Eine Nichtlinearität ist akzeptabel, also 490mV statt 500mV messen, aber dann bitte bei 510mV nicht auf 520mV Messwert springen.

Was heißt Schmerzgrenze? Auflösungsvermögen bis hinunter auf
0,1 mV der Niederfrequenzspannung?

Mit einem angenommenen Messbereich von 1V sollte die Störspannung (Restträger, Rauschen) im NF-Bereich bei geschätzt 0,1mV liegen. Ob das reicht, weiß ich noch nicht. Man könnte auch von einer Dynamik oder einem SNR von ca. 80dB sprechen.

Kommt drauf an, wenn man beispielsweise eine amplitudenstabile
Referenz hat, dann nicht.

Diodegleichrichter arbeiten nicht mit Referenz - Diodenmischer tun das. Missverständniss?

Schau Dir mal den AD835 (der ist sicher nicht so teuer) an,
soweit ich dem Datenblatt entnehmen konnte, würde dieser recht
genau arbeiten. Aber das gilt natürlich nicht für jede
beliebige Signalspannung (s. o.).

Vielleicht ja. Als 250MHz-Multiplizierer scheint er mir für meine Zwecke nicht die richtigen Schwerpunkte gesetzt zu haben. Daher hatte ich den AD734 (10MHz) als Optimum erwogen, aber mit knapp 30,- Euro mag ich’s nicht mehr. Der AD835 liegt bei 20,- Euro.

Außer zu quadrieren und nachher die Wurzel zu ziehen gäbe es
auch die Möglichkeit, mit einer zweiten Frequenz, die dicht
neben 1 MHz liegt, herunterzumischen und dann die Amplitude
der ‚Niederfrequenz‘ messen.

Na ja, Mischen heißt multiplizieren, und mit dem Träger multiplizieren heißt auf 0 mischen - sofern die Phase stimmt. Sonst muss quadraturdemoduliert werden (so heißt das, meine ich), und das ist deutlich aufwändiger.

Herruntermischen auf was anderes als DC lohnt nicht, denn die 1MHz sind so niedrig wie möglich und so hoch wie nötig angesetz, damit ich Träger und Signal per Tiefpass o. Ä. trennen kann - wollte ich nur den Pegel erkennen, könnte ich die Trägerfrequenz auch nahezu beliebig reduzieren.

Grüße

Uwe

Hallo Uwe,

Auf Endausschlag. Eine Nichtlinearität ist akzeptabel, also
490mV statt 500mV messen, aber dann bitte bei 510mV nicht auf
520mV Messwert springen.

Auf Endausschlag? Entschuldige, dass ich darauf herumreite, aber hier in meiner Fa. ist das auch immer eine ewige Debatte, weil die meisten zwar 1 % Fehler erlauben, aber wehe das letzte Digit schwankt um ein LSB… Also Endausschlag, und dieser soll wählbar sein für verschiedene Bereiche? Oder wählst Du sagen wir mal 1 V als Bereich, und erlaubst 1 % bezogen auf 1 V? Das würde heißen, der Messwert darf um den Betrag 10 mV daneben liegen? Oder meinst Du Steigungsfehler 1 %?

Mit einem angenommenen Messbereich von 1V sollte die
Störspannung (Restträger, Rauschen) im NF-Bereich bei
geschätzt 0,1mV liegen. Ob das reicht, weiß ich noch nicht.
Man könnte auch von einer Dynamik oder einem SNR von ca. 80dB
sprechen.

Da muss ich sagen, ich sehe schwarz. Restträgerunterdrückung wird wahrscheinlich möglich sein, aber beim Rauschen vermute ich ein Problem.

Diodegleichrichter arbeiten nicht mit Referenz - Diodenmischer
tun das. Missverständniss?

Ich meinte eine Signalreferenz. Damit wäre ein Vergleich der Amplitude mit Deinem zu untersuchenden Signal möglich – auch weitgehend unabhängig von der Nichtlinearität des Gleichrichters (denn er ist für die Referenzquelle ja genauso nichtlinear).

Vielleicht ja. Als 250MHz-Multiplizierer scheint er mir für
meine Zwecke nicht die richtigen Schwerpunkte gesetzt zu
haben. Daher hatte ich den AD734 (10MHz) als Optimum erwogen,
aber mit knapp 30,- Euro mag ich’s nicht mehr. Der AD835 liegt
bei 20,- Euro.

Schwerpunkt? Das ist halt die obere Grenze, für die er seine Specs halten kann. Du kaufts ja auch keinen OP für NF-Zwecke, der ausdrücklich nur bis 20 kHz geht. Oder?
Wenn’s nur ein oder nur wenige Geräte werden sollen, sind da die 20 Euro schon zu viel? Du willst sehr genau messen, da darf man fürs ‚Herzstück‘ nicht so arg sparen. Nebenbei bemerkt, ich könnte Dir ein zwei vermachen (weil mich das Ganze selbst interessiert).

Na ja, Mischen heißt multiplizieren, und mit dem Träger
multiplizieren heißt auf 0 mischen - sofern die Phase stimmt.
Sonst muss quadraturdemoduliert werden (so heißt das, meine
ich), und das ist deutlich aufwändiger.

Das habe ich nicht ganz verstanden. Ich meine, Du quadrierst dasselbe Signal, da gibt es keine Phasenverschiebung. So, wie Du selber vorgeschlagen hast. Meine Idee wäre noch gewesen, herunterzumischen auf niedrigere Frequenzen und dieses Signal dann mit einem OP-Gleichrichter weiterzuverarbeiten (zur Amplitudenbestimmung).

Herruntermischen auf was anderes als DC lohnt nicht, denn die
1MHz sind so niedrig wie möglich und so hoch wie nötig

Hm, vielleicht gibt es Unterschiede in puncto Genauigkeit. Aber Du hast Recht, beim Quadrieren müsste man nur noch einen TP hinterherschalten, und man hätte dann die NF (wenn man auf den Radizierer verzichtet und die Linearisierung per PIC o. ä. macht).

Wie willst Du das Ganze zur Anzeige bringen?

Gruß

Dieter

Hi,

Auf Endausschlag? Entschuldige, dass ich darauf herumreite,
aber hier in meiner Fa. ist das auch immer eine ewige Debatte,

bezogen auf 1 V? Das würde heißen, der Messwert darf um den
Betrag 10 mV daneben liegen? Oder meinst Du Steigungsfehler 1

Ich kenne differenzielle und integrale Nichtlinearität, aber bei „Steigungsfehler“ muss ich nachdenken… Also, es geht wirklich um 1% Endauschlag. Bei jedem Messwert, auch in der Nähe von 0, darf der Messwert um 1% vom Messbereich abweichen. Es gibt ohnehin eine sehr viel weitreichendere Nullpunktkorrektur.

Da muss ich sagen, ich sehe schwarz. Restträgerunterdrückung
wird wahrscheinlich möglich sein, aber beim Rauschen vermute
ich ein Problem.

Ich meine, es sollte klappen. Aber wissen tue ich es auch (noch) nicht.

Ich meinte eine Signalreferenz. Damit wäre ein Vergleich der
Amplitude mit Deinem zu untersuchenden Signal möglich – auch
weitgehend unabhängig von der Nichtlinearität des
Gleichrichters (denn er ist für die Referenzquelle ja genauso
nichtlinear).

Auch ein Ansatz. Ich müsste Messignal und die gesteuerte Referenz mit zwei gleichen Gleichrichtern gleichrichten (klasse Wortkombination). Zur Erzeugung der veränderlichen Referenzsignals müsste ich aber wiederum einen linearen Modulator haben - schon ist der teure Multiplizierer wieder dabei. Dann müssten die Pegel der beiden Gleichrichter per Regelung gleich gemacht werden - bei 1 MHz Träger, 20 kHz und mehr Grenzfrequenz und den nach der Modulation zu verwendenden Tiefpässen und ihren Phasendrehungen wahrscheinlich nicht möglich.

Schwerpunkt? Das ist halt die obere Grenze, für die er seine
Specs halten kann. Du kaufts ja auch keinen OP für NF-Zwecke,
der ausdrücklich nur bis 20 kHz geht. Oder?

Schon richtig. Der AD734 geht bis 10 MHz und arbeitet bei 1 MHz sehr weit von den Grenzfrequenzeffekten entfernt (alle Diagramme verlaufen dort noch extrem flach). Ein AD63x (Typ vergessen) ist mit 1 MHz spezifiziert und macht bei 1 MHz richtig Fehler. 250 MHz sind nicht notwendig, aber auch nicht kostenlos. Also unterstelle ich, dass der AD835 bei 1 MHz deutlich weniger präzise läuft, als der AD734 (der ja auch noch teurer ist). Da der AD734 wohl von der Genauigkeit her genu passen wäre, dürfte der AD835 nicht reichen. Den Nachweis, also den Leistungsunterschied bei 1 MHz, mag ich jetzt aber nicht bringen.

Dwein beispiel war gut: Ich nehme für NF auch keinen 250 MHz-Opamp. Die haben (wenn es VFBs sind) i. d. R. eine so niederige DC-Verstärkung, dass sie einen erheblich höheren Klirrfaktor produzieren. (Zugegeben: Es gibt auch Spitzenklasse Audio-OpAmps mit 80 MHz Grenzfrequenz, freilich zu Preisen von -zig Euro.)

Wenn’s nur ein oder nur wenige Geräte werden sollen, sind da
die 20 Euro schon zu viel? Du willst sehr genau messen, da
darf man fürs ‚Herzstück‘ nicht so arg sparen. Nebenbei

Im Prinzip hast Du recht (abgesehen davon, dass ich mit 30 Euro rechne). Aber ich habe auch den Eindruck, dass ich nicht den „professionellen“ Weg gehe, den alle die gehen, für die solche Aufgabenstellungen Routine sind.

bemerkt, ich könnte Dir ein zwei vermachen (weil mich das
Ganze selbst interessiert).

Vielen Dank! :smile: Aber erstmal nicht.

Na ja, Mischen heißt multiplizieren, und mit dem Träger

ich), und das ist deutlich aufwändiger.

Das habe ich nicht ganz verstanden. Ich meine, Du quadrierst
dasselbe Signal, da gibt es keine Phasenverschiebung.

Jau. Und ich bekomme eine DC-Spannung und die doppelte Trägerfrequenz (f1-f2=0 und f1+f2=2xf1)

herunterzumischen auf niedrigere Frequenzen und dieses Signal
dann mit einem OP-Gleichrichter weiterzuverarbeiten (zur
Amplitudenbestimmung).

Nein, weil:

Herruntermischen auf was anderes als DC lohnt nicht, denn die
1MHz sind so niedrig wie möglich und so hoch wie nötig

Wenn ich 20kHz Detektorbandbreite will (aber nicht ,it -3 dB, sondern mit wenigen zehntel dB) und viele -zig dB Störspannungsabstand (Trägerunterdrückung), darf der Träger nicht zu nahe an der obersten Signalfrequenz liegen, sonst wächst der Filteraufwand gewaltig. Bei 1 MHz Träger und z. B. 80 dB Trägerunterdrückung muss der Filter im Bereich von z. B. 50 kHz bis 2 Mhz = Faktor 40 (gut 5 Oktaven) um den Faktor 100000 (80dB) abfallen. Also ca. 16dB/Oktave, das geht 3-polig noch ganz gut. Mische ich auf 100kHz, brauche ich ca. 60 - 80dB/Oktave (ganz grob), das wäre ein 10-poliger Filter und mehr. Und/oder eine Bandsperre. Und bei 100kHz ist der Fehler eines aktiven Gleichrichters - keine Ahnung, ich fürchte immer noch zu hoch.

Nebenbei: Ich könnte auch gleich bei 200 oder 500 kHz messen, dass muss ich mir noch überlegen.

den Radizierer verzichtet und die Linearisierung per PIC o. ä.
macht).

Wie willst Du das Ganze zur Anzeige bringen?

Die „Modulation“ rein Analog, z. B. gesweept auf dem Oszi, ggf. auch FFT per Soundkarte. Den Absolutwert vielleicht per eingebautem Zeigerinstrument (-> ich rechne mit nur 1% Genauigkeit!), vielleicht per digitalem exteren Instrument.

Digitaltechnik ist derzeit nicht vorgesehen, weil nicht notwendig, aber wenn’s nötig wäre, wär’s kein Problem.

Grüße

Uwe

Hallo Uwe,

ich glaube, Du machst Dir die Sache unnötig kompliziert. Viele Probleme lassen sich einfacher lösen, wenn man mal darüber nachdenkt, was man wirklich braucht:

Auch ein Ansatz. Ich müsste Messignal und die gesteuerte
Referenz mit zwei gleichen Gleichrichtern gleichrichten
(klasse Wortkombination). Zur Erzeugung der veränderlichen
Referenzsignals müsste ich aber wiederum einen linearen
Modulator haben - schon ist der teure Multiplizierer wieder
dabei.

wieso teuer ? Dieser genaue und lineare 1-Quadranten-Multiplizierer würde z.B. aus einem HCMOS-Gatter mit Open-Drain-Ausgang bestehen, das den 1-MHz-Takt liefert. Mit einem Arbeitswiderstand führst Du die Steuerspannung zu. Am Ausgang des Gatters entsteht dann ein Rechtecksignal, dessen Amplitude genau proportional zur Steuerspannung ist. Am Ende noch ein LC-Tiefpass dahintergeschaltet und Du hast ein linear gesteuertes 1-MHz-Sinussignal, ganz ohne teure Präzissionsbauteile.

Dann müssten die Pegel der beiden Gleichrichter per
Regelung gleich gemacht werden - bei 1 MHz Träger, 20 kHz und
mehr Grenzfrequenz und den nach der Modulation zu verwendenden
Tiefpässen und ihren Phasendrehungen wahrscheinlich nicht
möglich.

Da die Modulationsfrequenz nicht so hoch ist, sollte das schon ganz gut möglich sein. Den Tiefpass hinter dem Gleichrichter brauchst Du ja auf jeden Fall.

Dann könntest Du aber auch noch einen Synchrondemodulator bauen. Dazu detektierst Du mit einem schnellen Komparator die Nulldurchgänge und steuerst damit einen Analogschalter an, der zwischen invertierten und nicht invertiertem Träger umschaltet. Ein Tiefpass filtert dann den Gleichspannungsanteil heraus, der proportional zur Amplitude des Trägers ist.

Jörg

Das stimmt, darauf bin ich noch gar nicht gekommen. Ein Synchrongleichrichter, da
der Träger sowieso zur Verfügung steht. Damit würde ich an Uwes Stelle erst mal
experimentieren.

Gruß

Dieter

[Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]

Hallo Uwe,

ich denke der Jörg hat den besseren Einfall für die Gleichrichtung.

Im Übrigen denke ich, das Filter muss nicht als TP ausgeführt werden, zumindest
nicht nur. Die Steilheit ist eh schwer zu erreichen mit geringen Mitteln. Da
würde ich eher dazu tendieren, den Träger mit einem Notch zusätzlich
auszublenden, etwas breitbandig wegen der Modulation versteht sich, aber so
breitbandig ist sowieso jedes Notch.

Gruß

Dieter

[Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]

Ui, jetzt habe ich ja 'ne Menge zu antworten. Danke Euch erstmal.

Das stimmt, darauf bin ich noch gar nicht gekommen. Ein
Synchrongleichrichter, da
der Träger sowieso zur Verfügung steht. Damit würde ich an
Uwes Stelle erst mal
experimentieren.

Zwei Arten möglich: Mit Multiplizierer (hatte ich vorher schon geschrieben) oder mit Schalter. Beide haben zunächst das Phasenproblem: Ich kann mich nicht darauf verlassen, dass die Phase des Generators ausreichend starr zur Phase des zu detektierenden Signals bleibt. Nehme ich also die Generatorphase, muss ich einen IQ-Demodulator bauen und dessen Vektoren zum Betrag zusammensetzen (analog per zwei Multipliziererm, Summe und Wurzel). Eine Wurzel muss ich aus einem völlig anderen Grund an einer ganz anderen Stelle der Schaltung auch und entsprechende langsame Zweiquadrantenmultiplizierer habe ich mehr oder weniger zufällig auch schon.

Per Schalter: Schalter hatte ich zuerst erwogen, aber die Ladungs(träger)injektion eines Analogschalters, auch die eines ausgesuchten (z. B. Maxim speziell von im optimalen Arbeitsbereich) ist deutlich höher, als ich tolerieren mag. Genaugenommen ist es nicht die Ladungsinjektion, die stört, sondern es ist deren Änderung über den Arbeitspunkt. Die meine ich. Es gibt m. E. extrem ladungsinjektionsarme FETs, aber da weiß ich nicht, wo ich suchen muss. Zwei Mal mit 90° Phasenversatz geschaltet demoduliert, danach Summe und Wurzel wären in Ordnung.

wieso teuer ? Dieser genaue und lineare
1-Quadranten-Multiplizierer würde z.B. aus einem HCMOS-Gatter
mit Open-Drain-Ausgang bestehen, das den 1-MHz-Takt liefert.
Mit einem Arbeitswiderstand führst Du die Steuerspannung zu.
Am Ausgang des Gatters entsteht dann ein Rechtecksignal,
dessen Amplitude genau proportional zur Steuerspannung ist. Am
Ende noch ein LC-Tiefpass dahintergeschaltet und Du hast ein
linear gesteuertes 1-MHz-Sinussignal, ganz ohne teure
Präzissionsbauteile.

Das ist oft nur in der Theorie so. Auch hier dürfte die Ladungsträgerinjektion bei 1 MHz im Bereich um 0 V Ausgangsspannung ganz erhebliche Verfälschungen verurschen. (Auch hier könnten die o. g. FETs helfen).

Dann könntest Du aber auch noch einen Synchrondemodulator
bauen. Dazu detektierst Du mit einem schnellen Komparator die
Nulldurchgänge und steuerst damit einen Analogschalter an, der
zwischen invertierten und nicht invertiertem Träger
umschaltet. Ein Tiefpass filtert dann den
Gleichspannungsanteil heraus, der proportional zur Amplitude
des Trägers ist.

Da haben wir noch eine Schwachstelle: Ein schneller Komparator braucht ein paar ns, aber dafür will er auch „Eingangsspannung sehen“. Bei geringen Eingangsspannungen (ich rechne nicht damit dass es genau 0 werden können, aber wie knapp darüber, weiß ich noch nicht) und ca. 500ns Halbwellendauer befürchte ich eine erhebliche Veränderung der Ansprechzeit. Dazu das o. g. Analogschalterproblem. Dann besser den bzw. die generatorgesteuerten Schalter.

Ich muss nochmal bei AD oder so nach dem Stichwort „Precision Wideband Level Detector“ sehen. Dass muss doch ein Standardproblem sein. Ansonsten werde ich langsam weich und kaufe bald ein oder zwei AD734 für je 30,- Euro, wobei ich auch nicht weiß, ob das in dem Maße korrekt funktioniert, wie ich glaube. Dann würden die die hier 'rum liegen. Wenn’s für die Firma wäre, wär’s kein Problem…

Nebenbei: Schöne Diskussion, freut mich :smile:

Grüße

Uwe

Hallo Dieter,

würde ich eher dazu tendieren, den Träger mit einem Notch
zusätzlich
auszublenden, etwas breitbandig wegen der Modulation versteht
sich, aber so
breitbandig ist sowieso jedes Notch.

Stimmt, habe ich auh schon überlegt. Elliptische Filter nennen sich die. Es könnte sein, dass gerade die Breitbandigkeit dafür sorgt, dass ein Notch nicht weniger aufwändig wird, als ein TP. Der Filteraufwand für eine Bandsperre ist m. E. proportional zu Tiefe x Bandbreite, aber lass’ uns das nicht weiter vertiefen.

Dein Denkanstoß ist nämlich aus einem anderen Grund sehr hilfreich: Die Pegel meiner Seitenbänder werden von Natur _sehr_ weit unter dem der Träger liegen, brauchen also _bei weitem_ nicht so viel Dämpfung, wie der Träger. Notch ist genial. Das muss ich jetzt erkennen.

Grüße

Uwe

Hallo Uwe,

Deine Bedenken bezügl. Phasenlage des Synchronumschalttaktes teile ich auch, jedenfalls steckt hier Aufwand drin. Da ich selbst die Multiplizierer habe, würde ich erst mal damit eine einfache Schaltung aufbauen. Noch eine Frage: Willst Du eigentlich Amplitude oder Effektivwert anzeigen? Du weißt ja, nur bei gleichbleibender Signalform (Ähnlichkeit) bleibt das Verhältnis beider Werte konstant.

Eine weitere Variante zur Darstellung des Spitzen-Spitzenwertes wäre eine S&H-Schaltung am Scheitelwert. Bei Sinussignalen wäre eine Phasendrift nicht so schlimm, weil ja dort die Steigung des Signales gering ist. Eine solche S&H-Schaltung macht auch das Quadrieren und anschließende Radizieren überflüssig, außerdem hast Du das demodulierte Signal zur Verfügung.

Soweit ich weiß, liegt der Preis eines AD835 nicht wesentlich höher als 10 USD. Kann ich aber nochmals nachschauen.

Gruß

Dieter

Hallo Dieter,

Eine weitere Variante zur Darstellung des
Spitzen-Spitzenwertes wäre eine S&H-Schaltung am Scheitelwert.
Bei Sinussignalen wäre eine Phasendrift nicht so schlimm, weil
ja dort die Steigung des Signales gering ist. Eine solche
S&H-Schaltung macht auch das Quadrieren und anschließende
Radizieren überflüssig, außerdem hast Du das demodulierte
Signal zur Verfügung.

und das ist nichts anderes als eine von vielen Varianten des Synchrondemodulators. Wie bei allen Synchrondemodulatoren brauchst Du auch hier ein Referenzsignal mit genauer Phasenlage. Daß die Phasendrift im Scheitelwert eines sinusförmigen Trägers nicht so kritisch ist wie im Nulldurchgang, ist keine Besonderheit der S&H-Variante, sondern eine prinzipielle Eigenschaft von Synchrondemodulatoren.

Jörg

Hallo Uwe,

Zwei Arten möglich: Mit Multiplizierer (hatte ich vorher schon
geschrieben) oder mit Schalter. Beide haben zunächst das
Phasenproblem: Ich kann mich nicht darauf verlassen, dass die
Phase des Generators ausreichend starr zur Phase des zu
detektierenden Signals bleibt. Nehme ich also die
Generatorphase, muss ich einen IQ-Demodulator bauen und dessen
Vektoren zum Betrag zusammensetzen (analog per zwei
Multipliziererm, Summe und Wurzel). Eine Wurzel muss ich aus
einem völlig anderen Grund an einer ganz anderen Stelle der
Schaltung auch und entsprechende langsame
Zweiquadrantenmultiplizierer habe ich mehr oder weniger
zufällig auch schon.

Deshalb ist es manchmal einfacher, statt des Generatorsignales ein anderes Signal mit ganz anderer Frequenz zu nehmen, also das Signal zu mischen. Da mitteln sich die Phasenfehler wieder aus. Dum mußt dann nur noch das niederfrequente Differenzsignal auswerten.

wieso teuer ? Dieser genaue und lineare
1-Quadranten-Multiplizierer würde z.B. aus einem HCMOS-Gatter
mit Open-Drain-Ausgang bestehen, das den 1-MHz-Takt liefert.
Mit einem Arbeitswiderstand führst Du die Steuerspannung zu.
Am Ausgang des Gatters entsteht dann ein Rechtecksignal,
dessen Amplitude genau proportional zur Steuerspannung ist. Am
Ende noch ein LC-Tiefpass dahintergeschaltet und Du hast ein
linear gesteuertes 1-MHz-Sinussignal, ganz ohne teure
Präzissionsbauteile.

Das ist oft nur in der Theorie so. Auch hier dürfte die
Ladungsträgerinjektion bei 1 MHz im Bereich um 0 V
Ausgangsspannung ganz erhebliche Verfälschungen verurschen.
(Auch hier könnten die o. g. FETs helfen).

Natürlich ist der Fehler um null herum am größten. Du kannst ja auch einen Analog-Umschalter (4053) nehmen, der zwischen Masse und Steuerspannung umschaltet. Da hast Du 1. intern zwei gegenphasige Steuersignale, die den o.a. Effekt weitgehend neutralisieren und 2. ist der Ausgang sehr niederohmig, sodaß eventuelle Störsignale immer recht niederohmig auf Masse oder die Steuerspannung abgeleitet werden können. Damit sollte schon eine sehr genaue Einstellung der Amplitude bezogen auf den Endwert möglich sein.

Dann könntest Du aber auch noch einen Synchrondemodulator
bauen. Dazu detektierst Du mit einem schnellen Komparator die
Nulldurchgänge und steuerst damit einen Analogschalter an, der
zwischen invertierten und nicht invertiertem Träger
umschaltet. Ein Tiefpass filtert dann den
Gleichspannungsanteil heraus, der proportional zur Amplitude
des Trägers ist.

Da haben wir noch eine Schwachstelle: Ein schneller Komparator
braucht ein paar ns, aber dafür will er auch „Eingangsspannung
sehen“. Bei geringen Eingangsspannungen (ich rechne nicht
damit dass es genau 0 werden können, aber wie knapp darüber,
weiß ich noch nicht) und ca. 500ns Halbwellendauer befürchte
ich eine erhebliche Veränderung der Ansprechzeit. Dazu das o.
g. Analogschalterproblem. Dann besser den bzw. die
generatorgesteuerten Schalter.

Dieses Problem hast Du aber bei allen aktiven Gleichrichterschaltungen, die ja irgendwie im Nulldurchgang umschalten müssen. Das Problem der Amplitudenabhängigkeit der Phase liese sich mit einem geregelten Vorverstärker weitgehend umgehen.

Jörg

Hallo Dieter,

Eine weitere Variante zur Darstellung des
Spitzen-Spitzenwertes wäre eine S&H-Schaltung am Scheitelwert.
Bei Sinussignalen wäre eine Phasendrift nicht so schlimm, weil
ja dort die Steigung des Signales gering ist. Eine solche
S&H-Schaltung macht auch das Quadrieren und anschließende
Radizieren überflüssig, außerdem hast Du das demodulierte
Signal zur Verfügung.

und das ist nichts anderes als eine von vielen Varianten des
Synchrondemodulators. Wie bei allen Synchrondemodulatoren
brauchst Du auch hier ein Referenzsignal mit genauer
Phasenlage. Daß die Phasendrift im Scheitelwert eines
sinusförmigen Trägers nicht so kritisch ist wie im
Nulldurchgang, ist keine Besonderheit der S&H-Variante,
sondern eine prinzipielle Eigenschaft von
Synchrondemodulatoren.

Nur die Spitze auszuwerten hat in diesem Fall wahrscheinlich auch den Nachteil, dass wegen der kürzeren Samplezeiten auch höherfrequente Anteile im Träger in den unteren Frequenzbereich gefaltet werden, sprich: Ich fange mir vielleicht mehr Rauschen ein. Inwiefern das relevant ist, kann ich nicht abschätzen. Aber „ziemlich“ rauschfrei muss es sein.

Aber was eine größere Rolle spielt: Je kürzer die Samplezeit, desto größer der Anteil der Ladungsinjektion. Und die ist völlig unproportional _signalabhängig_ und kann nicht, so wie ich Dich verstanden habe, durch einen zweiten Analogschalter gegenphasig kompensiert werden (Nachtrag: Da habe ich doch noch 'ne Idee…). Die injizierte Ladung wird in jedem Fall über den Bahnwiderstand des Schalters abgebaut und bleibt als Spike mit variabler Größe im Ausgangssignal erhalten. Bei meiner Überschlagsrechnung hatte sich ergeben, dass die dadurch überlagerte Spannung unzulässig hoch würde.

Warte mal: Angenommen, es gelänge immer exakt in einem Zeibereich zu schalten, den man „Nulldurchgang“ nennen kann (das ist größenordnungsmäßig nur 'ne Nanosekunde) - klappt das dann? Aber nein, allein die Schaltzeit ist mehrere -zig ns - nee, ich glaube nicht.

Diese Schalterei ist mir nicht geheuer…

Dieter: Danke noch mal für den AD835-Vorschlag. Ich werde mir die Daten noch mal ansehen, aber ich bin überzeugt, dass ein weniger breitbandiger (und deutlich teurerer) AD734 bei meinen Frequenzen deutlich präziser arbeiten wird. Mal sehen, vielleicht ist das ja auch nicht nötig. Multiplizierer deutlich unter 20,- Euro scheint es m. E. gar nicht mehr zu geben.

Grüße

Uwe

Hallo Jörg,

und das ist nichts anderes als eine von vielen Varianten des
Synchrondemodulators. Wie bei allen Synchrondemodulatoren
brauchst Du auch hier ein Referenzsignal mit genauer
Phasenlage. Daß die Phasendrift im Scheitelwert eines
sinusförmigen Trägers nicht so kritisch ist wie im
Nulldurchgang, ist keine Besonderheit der S&H-Variante,
sondern eine prinzipielle Eigenschaft von
Synchrondemodulatoren.

Ich habe mit Synchrongleichrichtern verglichen, und dort macht eine Phasenverschiebung des Synchrontaktes sehr wohl einiges aus. Ich aber taste nur im Bereich des Scheitelwerts ab. Da ändert sich mit der Phasenverschiebung wesentlich weniger.

Gruß

Dieter

Hallo Uwe,

Nur die Spitze auszuwerten hat in diesem Fall wahrscheinlich
auch den Nachteil, dass wegen der kürzeren Samplezeiten auch
höherfrequente Anteile im Träger in den unteren
Frequenzbereich gefaltet werden, sprich: Ich fange mir
vielleicht mehr Rauschen ein. Inwiefern das relevant ist, kann
ich nicht abschätzen. Aber „ziemlich“ rauschfrei muss es sein.

Die Harmonischen des Trägers kannst Du mit Deinem TP noch besser filtern als den Grundträger. Aber ich gebe zu, Phasenrauschen des Abtasttaktes bezügl. Träger wird sich als Rauschen bemerkbar machen. Aber auch dieses – wegen der Örtlichkeit im Scheitelwert – sollte relativ gering sein.

Aber was eine größere Rolle spielt: Je kürzer die Samplezeit,
desto größer der Anteil der Ladungsinjektion. Und die ist
völlig unproportional _signalabhängig_ und kann nicht, so wie
ich Dich verstanden habe, durch einen zweiten Analogschalter
gegenphasig kompensiert werden (Nachtrag: Da habe ich doch
noch 'ne Idee…). Die injizierte Ladung wird in jedem Fall
über den Bahnwiderstand des Schalters abgebaut und bleibt als
Spike mit variabler Größe im Ausgangssignal erhalten. Bei
meiner Überschlagsrechnung hatte sich ergeben, dass die
dadurch überlagerte Spannung unzulässig hoch würde.

Wie sieht Deine Überschlagsrechnung aus? Ich meine, Dein Signal ist doch sowieso recht groß, und Fehler dürfen bis zu 10 mV betragen…
Ich glaube, das wäre hinzukriegen. Der Glitch ist mit Sicherheit kompensierbar.

Würde mich interessieren, was bei Deinen ersten Versuchen herausgekommen ist.

Gruß

Dieter

Hallo Dieter,

und das ist nichts anderes als eine von vielen Varianten des
Synchrondemodulators. Wie bei allen Synchrondemodulatoren
brauchst Du auch hier ein Referenzsignal mit genauer
Phasenlage. Daß die Phasendrift im Scheitelwert eines
sinusförmigen Trägers nicht so kritisch ist wie im
Nulldurchgang, ist keine Besonderheit der S&H-Variante,
sondern eine prinzipielle Eigenschaft von
Synchrondemodulatoren.

Ich habe mit Synchrongleichrichtern verglichen, und dort macht
eine Phasenverschiebung des Synchrontaktes sehr wohl einiges
aus. Ich aber taste nur im Bereich des Scheitelwerts ab. Da
ändert sich mit der Phasenverschiebung wesentlich weniger.

Dann gab es wohl irgendwelche Nebeneffekte in Deinem speziellen Versuchsaufbau. Daß die Spannungs-Phasen-Kennlinie der S&H-Schaltung sinusförmig verläuft ist anschaulich klar. Die gleiche Kennlinie eines Multiplizierers, der zwei sinusförmige Träger multipliziert ist aber ebenfalls sinusförmig. Das ist eigentlich auch klar, wenn man sich überlegt, das bei der Multiplikation zweier sinusförmiger Spannungen mit leicht versetzter Frequenz das Differenz-Mischprodukt ebenfalls sinusförmig ist. Das gilt sogar dann, wenn nur eines der beiden HF-Signale sinusförmig ist, da ja die Oberwellen eines nicht sinusförmigen Signales keine niederfrequenten Mischprodukte mit dem Sinussignal bilden können.
Kurzum: Da der Synchrondemodulator oder Synchrongleichrichter, genau wie die S&H-Schaltung eine sinusförmige Kennlinie hat, unterliegt er auch genau der gleichen Empfindlichkeit gegen Phasenfehler, egal ob im Scheitelwert oder im Nulldurchgang.

Jörg

Hallo Jörg,

Du hast natürlich Recht. Ich hab mir das nochmals überlegt: Sinusförmige Änderungen der Flächenintegrale bei Variation der Phasenlage, egal ob S&H, Multiplizierer oder Synchrongleichrichter.

Gruß

Dieter

speziellen Versuchsaufbau. Daß die Spannungs-Phasen-Kennlinie
der S&H-Schaltung sinusförmig verläuft ist anschaulich klar.
Die gleiche Kennlinie eines Multiplizierers, der zwei
sinusförmige Träger multipliziert ist aber ebenfalls
sinusförmig. Das ist eigentlich auch klar, wenn man sich

Hallo Uwe,

ich denke jetzt wirklich, Jörg hat die beste Idee mit dem Komparator-gesteuerten Synchrongleichrichter. Wenn der Schaltzeitpunkt zu sehr von der Signalamplitude abhängt, müsste man sich vielleicht noch eine Kompensation ausdenken, evtl. auch zur Glitch-Kompensation.

Ich habe inzwischen mal den AD835 als Quadrierer angeschlossen. Das arbeitet schon sehr exakt, und ich konnte bei 1 V Signalamplitude keinen Unterschied feststellen zwischen (geglätteten) Ausgangsspannungen bei 1 MHz und 100 kHz. Ich würde das Ganze trotzdem nicht als Standalone-Quadrierer realisieren, denn die Ausgangsspannung verhält sich halt quadratisch zur Eingangsamplitude. Der Fehler wird dann für kleine Amplituden zu groß.

Gruß und viel Erfolg

Dieter