Aktiver Tiefpassfilter mit konstanter Ausgabe unabhängig vom Eingang

Ich habe einen Sensor, der mir einen Ausgang zwischen 1 und 4 V liefert, und ich wollte das am Ausgang vorhandene Rauschen herausfiltern, um einen stabileren und genaueren Messwert zu erhalten.

Ich habe einen aktiven Butterworth-Filter 2. Ordnung mit einer Sallen-Key-Topologie eingerichtet, um zu versuchen, alle Signale über ~ 42 Hz mit 0 dB Verstärkung herauszufiltern. Ich bin mir ziemlich sicher, dass ich die Schaltung richtig aufgebaut habe, da sie nur aus 5 Komponenten besteht, aber der Ausgang bleibt bei 2,7 V, unabhängig vom Eingang, den ich variiert habe. Was ein Problem sein könnte, ist, dass die Rail-to-Rail-Spannung des Operationsverstärkers 0-5 V beträgt, dieselbe Versorgung, die für die Sensoren verwendet wird. Der Operationsverstärker, den ich verwende, ist ein LT1013, von dem ich überprüft habe, dass er ein Einzelversorgungs-Operationsverstärker ist.

Es ist schon eine Weile her, seit ich ein analoges Design gemacht habe, also bin ich ein wenig eingerostet ... Irgendeine Idee, wo mein Problem hier liegen könnte?

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Component values
R1 = 0
R2 = 10k
C1 = 220nF
C2 = 470nF

Sensordatenblatt. Aus dem, was ich entnehmen kann, beträgt die Ausgangsimpedanz 10 kOhm und 20 nF.

Der Ausgang des Filters wird in einen ADC (MCP3202) eingespeist.

BEARBEITEN: Ich habe versucht, die Ausgangsimpedanz zu berücksichtigen, sie als meinen R1-Wert zu verwenden und die anderen Komponentenwerte entsprechend anzupassen. Das Problem bleibt jedoch größtenteils bestehen, aber ich erhalte jetzt eine sehr leichte Bewegung in der Ausgabe, obwohl nicht annähernd die Größe der Eingabe.

Ernsthaft!? Wie stellen Sie sich vor, wir sollen wissen, was R1, R2 usw. in Ihrer Schaltung sind? Zeigen Sie das Schema genau, wie Sie das angeschlossen haben. Und wie hoch ist die Ausgangsimpedanz des Sensors? Was ist die Eingangsimpedanzanforderung von allem, was diesem Filter nachgeschaltet ist?
Nun, eine Sallen-Key-Topologie ist denjenigen, die zuvor aktive Filter entworfen haben, ziemlich bekannt, aber ich denke, ich hätte mit meinen Informationen klarer sein können. Der Beitrag wurde aktualisiert, um jetzt weitere Informationen aufzunehmen.
Der LT1013 hat eine nicht standardmäßige Pinbelegung und einige veraltete Pakete. Welches Paket verwenden Sie und haben Sie überprüft, ob Sie das richtige Pin-Diagramm verwenden?
Ich glaube nicht, dass die Ausgangsimpedanz 10k beträgt: Das Datenblatt sagt "Analog Resistive Output Load" und listet 10k als Minimum auf. Mit anderen Worten, es darf keine Last stärker (niedriger) als 10k fahren. Sie sollten R1 also nicht weglassen.
Ich verwende das Datenblatt, das von derselben Seite bereitgestellt wird, auf der ich es bestellt habe, aber ich werde es überprüfen, um sicherzugehen. Außerdem war ich mir dessen nicht sicher, es war nur die nächste Information, die ich gefunden habe und die wie eine Ausgangsimpedanz aussah. Ich habe noch nie zuvor eine Eigenschaft gesehen, die so angegeben ist. Danke, ich werde den Filterwiderstand mit einigen Anpassungen neu gestalten.

Antworten (1)

Wenn Sie versuchen, Signale über 42 Hz herauszufiltern, ist der Sallen-Key in Ordnung, aber Sie haben schwerwiegende Fehler in Ihren Berechnungen gemacht. Hier sind einige Hinweise: -

  • R1 ist nie 0 - es ist normalerweise der gleiche Wert wie R2
  • C2 ist kaum größer als C1 - es ist normalerweise gleich oder kleiner

Unter der Annahme, dass R1 = R2 = 10k und C1 und C2 (wie angegeben), dann wird die Grenzfrequenz bei 49,5 Hz berechnet, aber um ein anständiges flaches Durchlassband (DC bis 49,5 Hz) und eine angemessene Dämpfung über diesem Punkt zu erhalten, C2 ist viel zu groß.

Versuchen Sie C2 bei 100nF und versuchen Sie, R1 und R2 beide auf 22k anzuheben. Dies wird ungefähr 48,8 Hz betragen.

Beim Entwerfen von Filtern 2. Ordnung gibt es Feinheiten, und der wichtigste heißt Q. Q oder Qualitätsfaktor ändert die Form des Filters von einem eher schlampigen Passband (allmählich und progressiv dämpfende Frequenzen) zu einem viel schärferen, gut definierten flacheren Pass. Band und letztendlich kann es große Resonanzspitzen am Cutoff erzeugen, wenn Q sehr groß ist.

Das Bild unten zeigt ein mechanisches Federwaagensystem 2. Ordnung, aber das Bild ist gut, weil im Grunde die gleichen Formeln für elektronische Schaltungen gelten und es zeigt, was passiert, wenn die Dämpfung hoch und niedrig ist. Die Dämpfung ist proportional zum Kehrwert von Q, nur für den Fall, dass Sie sich fragen: -

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Danke für die Info, wirklich sehr informativ. Ich habe versucht, was Sie vorgeschlagen haben, aber mein Ausgang bleibt immer noch bei etwa 50-60% der Versorgungsspannung, unabhängig von Schwankungen der Eingangsspannung zwischen 1-4 V. Ich habe den Operationsverstärker auch als Spannungsfolger getestet und das scheint wie erwartet zu funktionieren, also ist es nicht der Operationsverstärker
Der Sensor hat eine Tiefpassbandbreite von 10 Hz und muss wahrscheinlich über den SPI-Bus eingerichtet werden. Bist du dir dessen bewusst? Vielleicht sollten Sie auch Ihren genauen Schaltplan mit den Pin-Nummern des Operationsverstärkers und den dafür verwendeten Verbrauchsmaterialien posten.
Womit messen Sie Ihre Ausgabe - haben Sie ein Oszilloskop, um die Wellenformen anzuzeigen? Haben Sie einen Signalgenerator zur Hand?
Ich war mir dessen bewusst, aber soweit ich sehen kann, gibt es keine Konfiguration dafür über SPI. Ich habe ein Oszilloskop mit einer Sonde am Ausgang des Sensors, und wenn ich mein System bewege, kann ich am Sensorausgang Rauschen bei ~45 Hz sehen. Das Geräusch kommt vom Schrittmotor (der den Pegel des Sensors steuert), der sich durch die Phasen bewegt. Ich muss dieses Rauschen loswerden, weil es mich daran hindert, einen genauen Messwert zu erhalten, wenn das System in Bewegung ist. Ich habe keinen Signalgenerator zur Hand, sonst wäre das meine erste Wahl gewesen, um die Reaktion des Filters zu testen.
Sie sagen, die Schaltung arbeitet als Spannungsfolger. Die Schaltung, die Sie haben, ist ein Spannungsfolger für Gleichspannung. Die Sensorspezifikation besagt, dass er einen Ruheausgang von der Hälfte von Vsupply erzeugt, was 2,5 V bei einer 5-V-Versorgung entspricht. Können Sie feststellen, dass dies wahr ist? Wenn es stimmt, liegt der Ausgang des Operationsverstärkers auch bei 2,5 V im Ruhezustand - das sollte es sein. Ihr Schaltplan: Sind Sie definitiv sicher, dass Sie keine Verstärkung in Ihren Operationsverstärker eingebaut haben - dies wird normalerweise durch einen Widerstand anstelle des Kurzschlusses vom Ausgang zurück zum -V-Eingang erreicht. Können Sie dies bestätigen oder eine "wahre" Schaltung posten?
Deshalb verstehe ich nicht, warum es nicht funktioniert. Ich habe diesen Sensor zuvor charakterisiert und verifiziert, dass sein Ausgang bei einer Neigung von 0 Grad sehr nahe an 2,5 V liegt. Mit der oben gezeigten Einrichtung und den zuvor empfohlenen Werten liegt der Ausgang konstant bei 2,66 V. Ich befürchte, dass Sie mit einer eingebauten Spannungsverstärkung ( hier ist das Datenblatt ) recht haben und jetzt einen anderen Operationsverstärker ausprobieren werden.
Es lohnt sich, einen anderen Operationsverstärker auszuprobieren, aber wenn Sie keine zusätzlichen Komponenten an die Schaltung angeschlossen haben, gibt es KEINE zusätzliche Spannungsverstärkung - machen Sie sich darüber keine Sorgen - ich musste Ihre Antwort so sagen hören. Aber wenn es wie ein Spannungsfolger funktioniert, sollte es in Ordnung sein. Welche Netzteile verwendest du für den Operationsverstärker?
Ich habe ursprünglich nur die gleiche 0-5-V-Versorgung verwendet, die ich für den Sensor verwendet habe. Ich denke, Clipping sollte kein Problem sein, da der Sensorausgang nicht viel über 4,4 V geht. Ich habe es jedoch gerade mit dem Operationsverstärker getestet, der mit einer separaten 12-V-Versorgung betrieben wird, und der Ausgang lag bei etwa 6,7 ​​V, wobei der Eingang bei 2,5 V blieb. Wenn Sie den Operationsverstärker durch einen LM385N ersetzen und wieder auf die 5-V-Versorgung umschalten, ändert sich die Ausgangsspannung unabhängig vom Eingang nicht von 3,68 V.
Ignorieren Sie das, ich habe gerade nachgesehen und den Boden für den neuen Operationsverstärker verlegt. Es funktioniert jetzt genau wie erwartet, Filter und alles. Ich hatte jedoch noch nie von Operationsverstärkern mit eingebauter Verstärkung gehört und hätte das Problem ohne Ihre Hilfe nicht erkannt, also vielen Dank.
@Kureigu Ich helfe gerne und wenn Sie der Meinung sind, dass diese Übung für Sie nützlich war, wählen Sie bitte diese Antwort als "akzeptiert" aus. Ich glaube, Sie drücken einen Sternknopf irgendwo in der Nähe des Up-Down-Stimmenzählers neben dem Anfang meiner Antwort.
Aktiver Tiefpassfilter mit konstanter Ausgabe unabhängig vom Eingang
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