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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik PLL für 40 kHz für FM-Demodulation


Autor: demod (Gast)
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Hallo,

ich möchte ein frequenzmoduliertes Ultraschall-Signal (Träger: 40 kHz) 
mittels einer PLL demodulieren. Die PLLs, die ich bei den üblichen 
Verdächtigen finde, sind aber alle für den MHz-Bereich.
Hat jemand vielleicht eine Idee, welche PLL ich verwenden könnte, oder 
wie ich auf kleinem Raum selbst eine PLL aufbauen kann?

Viele Grüße, demod

Autor: Falk Brunner (falk)
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4046, kann man auch für 40 kHz dimensionieren

Autor: demod (Gast)
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danke für den hinweis :)

Ich erwarte Frequenzänderungen um +/- 10 Hz. Wie es scheint, liege ich 
dann bei der Dimensionierung der Komponenten nichtmehr im erlaubten 
Bereich.
Wenn ich das Frequenzband auf 1000 Hz erweitere, geht es zwar, aber mein 
Ausgangssignal wird dann schwieriger auszuwerten...

Meinst du (oder jemand anderes), dass das realisierbar ist? Meine 
Signale liegen im Bereich zwischen 20 und 200 Hz.

Hat jemand ein SPICE-Modell davon?

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  demod (Gast)

>Ich erwarte Frequenzänderungen um +/- 10 Hz. Wie es scheint, liege ich

Huch, das ist aber recht schmalbandig, da wird es mit dem 4046 schon arg 
eng.

MFG
Falk

Autor: demod (Gast)
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Falk Brunner schrieb:
> Huch, das ist aber recht schmalbandig, da wird es mit dem 4046 schon arg
> eng.

Seh ich genauso. Ich habe allerdings zugriff auf das Quellsignal. 
Vielleicht beitet sich eine andere Demodulationsmethode doch besser an?

Autor: demod (Gast)
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Ergänzend: Es geht um ein Ultraschall-Doppler-Messgerät zur 
Vibrationsmessung

Autor: -Gast XIV (Gast)
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demod schrieb:
> ich möchte ein frequenzmoduliertes Ultraschall-Signal (Träger: 40 kHz)
> mittels einer PLL demodulieren.

d.h du möchtest aus dem Eche die Trägerphase abtrennen um die im Signal 
enthaltene Frequenz zurückzuerhalten

> Die PLLs, die ich bei den üblichen
> Verdächtigen finde, sind aber alle für den MHz-Bereich.
> Hat jemand vielleicht eine Idee, welche PLL ich verwenden könnte, oder
> wie ich auf kleinem Raum selbst eine PLL aufbauen kann?


Habe bisher in diesem Frequenzbereich (und darunter) keine PLL gefunden 
die Funktioniert.


Warum benutzt

demod schrieb:

> Ich habe allerdings zugriff auf das Quellsignal.
> Vielleicht beitet sich eine andere Demodulationsmethode doch besser an?

Dann bietet sich der klassische Demodulator an - wenn's denn sein muss 
auch digital.

Näheres bei den Funkamateuren, die gehen damit so um wie andere mit 
Messer und Gabel.

Autor: demod (Gast)
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-Gast XIV schrieb:
> der klassische Demodulator

Darunter kann ich mir nichts vorstellen.

Autor: -Gast XIV (Gast)
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demod schrieb:
> Darunter kann ich mir nichts vorstellen.

z.B. unter http://de.wikipedia.org/wiki/Demodulator

Kleine Frage:

Wozu brauchst du die "Informationswiederbeschaffung"?

Fremdschall, Störungen etc., gibt es mehrere Messgeräte ...

Autor: demod (Gast)
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-Gast XIV schrieb:
> Wozu brauchst du die "Informationswiederbeschaffung"?

Nun ja: Die Abweichung der reflektierten Frequenz ist von der 
Momentangeschwindigkeit des Reflexionsgegenstands abhängig.
Deshalb möchte ich die Frequenzabweichung in eine Spannung umwandeln, 
die dann ein Geschwindigkeits-Signal darstellt.

In der Messumgebung erwarte ich massive Störungen durch EM-Felder, aber 
auch durch Störgeräusche. Nur denke ich da an die Schmalbandigkeit des 
Signals, die sich schön filtern lassen müsste, mittels PLL.

Autor: Mandrake (Gast)
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Verschiebe dein Signal doch erst in einen höheren Frequenzbereich (per 
AM) so eine Art ZF und gewinne dann deine Information mit einer PLL.

Nur so eine Idee.....

Gruß

Mandrake

Autor: demod (Gast)
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@Mandranke:
Klingt eigentlich sehr vernünftig. Ich kann den Dopplereffekt aber 
irgendwie nicht überzeugen, für mich eine Ausnahme zu machen;)

Autor: -Gast XIV (Gast)
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demod schrieb:
> Nun ja: Die Abweichung der reflektierten Frequenz ist von der
> Momentangeschwindigkeit des Reflexionsgegenstands abhängig.

Läuft also auf eine Ultraschall Abstandsmessung hinaus.

> Deshalb möchte ich die Frequenzabweichung in eine Spannung umwandeln,
> die dann ein Geschwindigkeits-Signal darstellt.

Dann ist es wohl einfacher die Phasenverschiebung zu messen. Ist 
wesentlich genauer und kann auch ggf. über eine Verzögerungsleitung 
erfolgen.



> In der Messumgebung erwarte ich massive Störungen durch EM-Felder,
> aber
> auch durch Störgeräusche. Nur denke ich da an die Schmalbandigkeit des
> Signals, die sich schön filtern lassen müsste, mittels PLL.

Ein Denkansatz in dieser Richtung: Das eigene Signal kodieren so das es 
aus dem Schall- EMV-Störnebel gefiltert werden kann. Auch 
Mehrfrequenzverfahren ist ein möglicher Ansatz. Ultraschall ist in so 
einer Umgebung aber eher ungeeignet Stichwort: Laser.

Autor: -Gast XIV (Gast)
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-Gast XIV schrieb:
>> Nun ja: Die Abweichung der reflektierten Frequenz ist von der
>> Momentangeschwindigkeit des Reflexionsgegenstands abhängig.

Eins noch: Dein "Vibrator" bewegt sich dem Messfverfahren nach zu 
schließen nicht im luftleeren Raum.

Er erzeugt Wirbel und Turbulenzen (bei drehenden Teilen auch noch einen 
Luft-/ Wasser- Gasstrom mit diversen Grenzschichten) durch die dein 
Signal durch muss um dann arg geschwächt den evtl. Rückweg anzutreten.

Autor: demod (Gast)
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-Gast XIV schrieb:
> Läuft also auf eine Ultraschall Abstandsmessung hinaus.

Mir reicht die Geschwindigkeit. Ansonsten vielen dank für die 
Anregungen. Die Störumgebung ist evtl. wirklich ein Ausschlusskriterium. 
Vielleicht kann ich das ganze aber auch in einem zweiteiligen Zylinder 
stattinden lassen. Da hab ich aber Bedenken wegen der Wellenausbreitung 
aufgrund von Turbulenzen und Eigenmoden.

Autor: -Gast XIV (Gast)
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demod schrieb:
> Mir reicht die Geschwindigkeit.

Hast du aber nicht. Dein "Doppplereffekt" ist ein scheinbarer, erste 
Ableitung aus delta Abstand.

demod schrieb:
> Vielleicht kann ich das ganze aber auch in einem zweiteiligen Zylinder
> stattinden lassen.

Schwierig. Zylinder reflektieren das Signal, Verschmutzungen erzeugen 
schwer vorauszusagenden Störnebel im Signal usw.

>Da hab ich aber Bedenken wegen der Wellenausbreitung
> aufgrund von Turbulenzen und Eigenmoden.

Ist ein riskantes Projekt, dein Schallsignal trifft auch nicht 
gleichmäßig auf des Objekt der Begierde (das macht es nur bei absolut 
gleichmäßiger Temperatur auf dem Laufweg) sondern verschmiert.

Unter Industriebedingungen im Kommerzbereich würde ich für so eine 
Anforderung nur ein sehr sehr hohes Angebot abgeben ;-).

Autor: ulrich (Gast)
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Ob man die Modulation des Ultrallschalls jetzt als Doppelereffekt 
(Frequenzmodulation) oder einfach Laufzeitveränderung (Phasenmodulation) 
betrachtet ist Ansichtssache.

Ob man jetzt die Phase oder die Frequenz mißt ist Geschmackssache. Aus 
der Phase kann man auch wieder auf die Frequenz zurückrechnen, wenn man 
will. Die Phasenmessung relativ zum bekannten Eingangssignal ist bei den 
eher geringen Abweichungen vermutlich einfacher zu realisieren. Auch 
wenn die Geschwindigkeit reicht, ist die Phase und damit die Auslenkung 
leichter zu messen. Viel mehr macht der PLL auch nicht, nur das die 
Phase relativ zum VCO und nicht relativ zum Sendesignal gemessen wird.

Die phasenmessung könnte man bei 40 kHz rein digital machen. Wenn man 
will kann man die Demodulation (I/Q) auch noch analog machen und erst 
dann für den arcustangens und den nachgeschateten Tiefpaß digitalieren. 
Man kann so besser (weniger Rauschen und Drift) werden als die Typischen 
Phasendetektoren die man PLLs sonst hat.

Ob da Ultraschall wirklich das geeigente Verfahren ist, würde ich aber 
bezweifeln. Vermutlich wäre da ein Optisches Verfahren besser. Es muß ja 
nicht gleich ein Interferrometer mit nm Auflösung sein.

Wenn man dicht (unter etwa 1 cm) ran kann, gibt es realtiv einfache 
Optische Lösungen mit 1 oder 2 Lichtleitfasern, einfach als 
Amplituden-modulation. Die Auswertelektronik kann dann gut geschrimt 
etwas weiter weg sein.

Autor: -Gast XIV (Gast)
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ulrich schrieb:
> Ob man die Modulation des Ultrallschalls jetzt als Doppelereffekt
> (Frequenzmodulation) oder einfach Laufzeitveränderung (Phasenmodulation)
> betrachtet ist Ansichtssache.


Ich würde das anders Andenken:
Das ist akademisch vielleicht richtig von Signalen zu reden, in der 
Praxis hast du es schlicht und ergreifend mit einer Abstandsmessung zu 
tun. Alles dahinter sind Ableitungen selbiger.

Damit unterliegst damit auch deren Feinheiten.

>
> Ob man jetzt die Phase oder die Frequenz mißt ist Geschmackssache

Ob nun Phase, Frequenz, quadraturmodulierte Signatur 
spreizbandverteiltes Quasizufallfallssignal Mehrfrequenzverfahren oder 
was auch immer die moderne Technik an Feinheiten zur Verfügung stellt; 
das Signal musst du erstmal kriegen. Das ist industriell alles andere 
als einfach ist und ein Rookie kann da in tausend Fallen laufen.

Autor: bloat (Gast)
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Wieso modulierst du nicht per AM auf deinen 40kHz carrier ein "PING" 
signal auf, so 100 hz. Dann kannst du mit nem einfachen Decoder deinen 
PING wieder rausholen und feedest den SEND und RETURN ping einfach in 
einen Zähler(uC).

Autor: demod (Gast)
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Für die Laufzeitunterschiede, die ich auflösen muss, bräuchte ich eine 
Zählfrequenz von 6,6 GHz.

Drift ist kein Problem für mich, da meine untere Grenzfrequenz, die mich 
interessiert bei 20 Hz liegt.

Ein Verfahren, das mit direkt eine Geschwindigkeit ausgibt ist mir 
deutlich lieber, als eine Abstandsmessung.

Das Übertragungsmedium "Luft" ist in meinem Anwendungsfall in der Tat 
sehr variabel in Temperatur, Bewegung und Verschmutzung. Deshalb denke 
ich auch an optische Linearencoder.
Welches ist denn die feinste euch bekannte Auflösung für solche Encoder? 
(Es bleibt aber die Problematik mit der Zeitmessung)

Autor: demod (Gast)
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Hab gerade mal eine schaltung mit dem 4046 aufgebaut. Nach einigen 
schwierigkeiten mit Enable-Pins funktioniert es auch mehr oder weniger 
;).

Weniger: Die tiefpassgefilterte Spannung am Eingang des VCO (mein 
Ausgangssignal) ist sehr wellig. Die Frequenz der Welligkeit ändert sich 
mit den Parametern des Tiefpasses.
Hat jemand eine Idee, ob und wie ich das Signal stabilisiert bekomme? 
Ich brauche am Ende nur eine Dynamik bis 200 Hz.

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Was ist ein PLL ? Ein Phasenfrequenzvergleicher plus ein Regler

Als Phasenvergleicher tut's auch ein XOR

Autor: fuam (Gast)
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genau, xr2211 sollte dafür bestens geeignet sein.

und hier noch ein Hilfsmittel für die Soundcard im PC:

http://digilander.libero.it/i2phd/spectran.html

ist Freeware in englischer Sprache.

Per Waterfall Analyse kannst du ja mal grob dein Störnebel betrachten
sowie dein Nutzsignal. Probier es mal...

FuAm

Autor: demod (Gast)
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fuam schrieb:
> und hier noch ein Hilfsmittel für die Soundcard im PC:
>
> http://digilander.libero.it/i2phd/spectran.html

Sau cooles Teil!
ICh Probiers bei Gelegenheit mal aus.
Mit Phasencomparator Nr. 1 anstatt Nr. 2 ist das ausgangssignal viel 
besser. Die Temperaturabhängigkeit ist aber sehr groß. Das wird 
vermutlich ein Ausschlussgrund.

Autor: Sebastian (Gast)
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Optische Linearencoder (z.B. Avago) können auf jeden Fall 150 Linien pro 
mm. Der Leseabstand ist jedoch gering, und die Qualität der abzulesenden 
Skala entscheidend für die Genauigkeit.

Autor: sonstwer (Gast)
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Renishaw Signum-Encoder liefern sub-µm-Auflösung... Ist vielleicht auch 
eine Alternative.

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