Probleme mit den Schimtt-Triggereinstellungen für variierende sinusförmige Eingänge

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Um mein Problem besser beschreiben zu können, habe ich die obigen Figuren gezeichnet (abgekürzt als Abb.).

Der sinusförmige Eingang kommt von einem rotierenden Gerät, von einer kleinen Lichtmaschine (einem Permanentmagnet-Wechselstromgenerator).

Mein Ziel ist es, diese eingehenden sinusförmigen Eingänge in Impulse mit schönen scharfen Flanken umzuwandeln, wie in Abb. B. Eine DAQ-Hardware liest diese Impulse, um die Frequenzen zu erhalten ...

Wie Sie oben sehen, ist Abb. A der Eingang zur Schmitt-Trigger-Schaltung (Abb. D). Der Eingang hat etwas Rauschen und seine Frequenz variiert zwischen 4 Hz und 20 Hz und seine Amplitude variiert zwischen 1 V und 12 V. Die Eingabe variiert also in diesem Bereich und ich möchte, dass die Schaltung in allen Szenarien in diesem Bereich funktioniert.

Mein Problem ist, dass meine Schaltung in der Simulation perfekt funktioniert, aber manchmal im wirklichen Leben versagt. Einige Ausgaben resultieren zufällig wie in Fig. C. Ich kann mich nicht erinnern, ob dies unter bestimmten Eingaben geschah. Aber sowohl die Frequenz als auch die Amplitude steigen mit der Drehzahl dieser Lichtmaschine.

Wie kann ich dieses Problem hier beheben? Ich habe zuvor eine verwandte Frage gestellt, aber da ich nicht genügend Daten bereitstellen konnte, konnte ich keine Lösung finden. Der einzige Vorschlag bestand darin, C2 als 10uF zu wählen und das negative Ende dieser Kappe mit dem Eingangssignal zu verbinden, da der Eingang laut dem Vorschlagenden von einer Lichtmaschine kam.

Wenn ich einen anderen Schimtt-Trigger als Kaskade am Ausgang dieses einsetze, werden die Impulse leiser. Aber ein Puls wie in Abb. C sieht sehr problematisch aus. Liegt das daran, dass die oberen und unteren Triggergrenzen dieser Schaltung nicht für den Eingangsbereich ausgelegt sind? Ich brauche im Moment dringend Hilfe und würde mich sehr über jeden Anpassungsvorschlag in dieser Schaltung freuen.

Es sieht für mich so aus, als müssten Sie Ihr Signal tiefpassfiltern, bevor Sie es Ihrem Schmitt-Trigger zuführen. Wenn die Amplitude des Rauschens auf dem Signal größer als Ihre Schmitt-Triggerschwelle ist, erhalten Sie diese kleinen Runt-Impulse um den Schwellenwert herum.
RC-Filter? Irgendwelche Ideen, wie man den typischen Cap-Wert und den Ort zum Einfügen auswählt? Danke
Wie schnell (dh wie lang ist die Breite in Sekunden) ist Ihr „Zwerg“-Puls?
Ich bin gerade zu Hause und habe es nicht gemessen, aber es war kürzer als in Abb. C, vielleicht 2,5 ms, aber ich bin mir nicht sicher. Können wir es einfach X nennen und darauf eingehen?

Antworten (2)

Du hast vieles richtig gemacht.

Das grundlegende Problem besteht darin, dass das Rauschen größer als Ihr Hysteresebereich ist. Die offensichtlichen Lösungen bestehen darin, die Rauschkomponente zu reduzieren und den Hysteresebereich zu vergrößern. In diesem Fall erscheint es angemessen, beides zu tun.

Sie sagen, die höchste interessierende Frequenz ist 20 Hz. Das bedeutet, dass Sie Frequenzen darüber sicher entfernen können, da Sie wissen, dass sie nicht Teil des echten Signals sind. Ihre Spur zeigt erhebliches Hochfrequenzrauschen, das ein einfacher RC-Filter gut dämpfen können sollte.

Da Ihr Eingang eine Impedanz von etwa 5 kΩ hat, sollte ein 1-kΩ-Widerstand gefolgt von einem 4,7-µF-Kondensator gegen Masse sehr hilfreich sein. Dieser Filter würde links von C2 gehen. 1 kΩ und 4,7 µF haben einen Rolloff von 34 Hz, stehen also Ihrem echten Signal nicht im Weg. Sie sollten allein dadurch einen signifikanten Unterschied im Signal sehen.

Der nächste Schritt ist die Anpassung der Hysterese. Sie haben eine Rückkopplung von 220 kΩ gegenüber 2,35 kΩ, also 1,06 %. Der Ausgangshub beträgt 24 V, also 254 mV Hysterese. Da Ihre Mindestamplitude 1 V beträgt, können Sie diese auf 500 mV verdoppeln, um eine höhere Störfestigkeit zu erzielen. Der einfachste Weg, dies zu tun, besteht darin, R1 von 220 kΩ auf die Hälfte oder etwa 110 kΩ zu ändern.

Auch hier hatten Sie die richtige Idee und waren tatsächlich ziemlich nah dran. Die einzigen Änderungen bestehen darin, einen Tiefpassfilter am Eingang hinzuzufügen und die Hysterese zu verdoppeln.

Hinzugefügt

Ich war gestern Abend in Eile, als ich die Antwort oben schrieb. Jetzt schaue ich mir deine Schaltung genauer an. Was Sie haben, mit den oben beschriebenen Änderungen, sollte gut funktionieren. Jedoch:

  1. R7 und R6 machen keinen Sinn. Sie richten auch nicht viel Schaden an, außer einer kleinen unnötigen Belastung des Operationsverstärkers, die ihn möglicherweise nicht so weit auf die Schienen schwingen lässt, wie er es sonst könnte. Sie loswerden.

  2. R9 und R10 erscheinen sehr hoch. Sind Sie sicher, dass alles, was dieser Schaltung folgt, mit dem Signal mit einer Impedanz von 50 kΩ in Ordnung ist? Ich habe nicht nachgeschlagen, was dieser Operationsverstärker antreiben kann, aber wahrscheinlich viel weniger als 200 kΩ.

2 hinzugefügt

Ich habe in einem Kommentar erwähnt, dass U1 eigentlich ein Komparator mit Open-Collector-Ausgang ist. In diesem Fall benötigen Sie einen Pullup wie R7, aber ein Pulldown wie R6 macht immer noch keinen Sinn. Ein Operationsverstärker oder Komparator mit Push/Pull-Ausgängen wäre einfacher zu verwenden. Dann haben Sie nicht die asymmetrische Ausgangsimpedanz zwischen High/Low des offenen Kollektors, was es einfacher macht, das Hysterese-Feedback einzustellen.

Was Sie haben, kann auch zum Laufen gebracht werden, aber Sie müssen jetzt selbst über diese Probleme nachdenken. Ich habe mich schon genug mit diesem Problem beschäftigt.

Vielen Dank für schöne Anregungen! Nur noch eine Sache. Möglicherweise muss Vcc 12 V betragen. Was würden Sie R1 in diesem Fall für die Störfestigkeit empfehlen? Ich weiß nur nicht, wie Sie diese berechnet haben, und habe es etwas eilig, sie umzusetzen. Danke.
Da der Komparatorausgang Open-Collector ist, beträgt der Spannungshub nur die Hälfte der Versorgungsspannung. Um den vollen Ausgangshub zu erhalten, müssen Sie R6 entfernen.
@ Bruce Abbott ok, ich werde es entfernen. Aber R7 ist 10k, also sollte ich auch R9 und R10 ändern? Sie haben mir auch vorgeschlagen, C2 als 10 uF zu wählen und das negative Ende dieser Kappe mit dem Eingangssignal zu verbinden, da der Eingang von einer Lichtmaschine kam. Das gilt immer noch oder? Ich werde einfach einen RC-Filter rechts von dieser Kappe hinzufügen, wie Olin vorschlägt. Soll das negative Ende dieser Kappe auch mit dem Eingang verbunden werden?
R7, R9 und R10 sind so in Ordnung. Setzen Sie den RC-Tiefpassfilter zwischen die Verbindungsstelle von C2/R2/R4 und den invertierenden (-) Eingang des Komparators. C2 muss immer noch sein -ve-Ende zum Generator und +ve-Ende zu R2/R4 haben. Dies ist erforderlich, um den Kondensator mit der richtigen Polarität vorzuspannen.
@BruceAbbott Was ich nicht verstehe, ist, dass der Generator einen Hub von bis zu + -12,8 V hat und C2 sowohl in der Simulation als auch in der Messung einen DC-Offset als Vcc / 2 liefert. Die Spannung am - Eingang des Komparators kann also Vcc überschreiten. Ist das ein Problem? Ich habe diese Schaltung mit 5 V Vcc ausprobiert und über einige Amplituden ungleichmäßige Impulse erhalten. Sollte Vcc > Valternator_max + Vcc/2 sein? Sind Sie einverstanden?
Ich habe auch den Vcc 5V-Fall mit dem Funktionsgenerator ausprobiert, nach einigen Frequenzen sehe ich nicht gerade Impulse. Sollte Vcc über 24 V liegen?
In Ihrer vorherigen Frage sagten Sie, dass die Amplituden von 100 mV bis 2 V variieren könnten. Hier zeigen Sie uns eine Wellenform "Amplitude 1 V bis 12 V" mit viel Rauschen, aber ohne Skalierung, sodass wir nicht wissen, wie groß sie ist. Jetzt ist die Amplitude "bis zu +-12,8 V"! Der Komparator funktioniert nicht richtig, wenn die Eingangsspannung ihren Gleichtaktbereich (0 V bis Vcc-2 V) überschreitet. Sie können die Eingangsamplitude mit einem Widerstand in Reihe begrenzen, gefolgt von Back-to-Back-Zenerdioden mit geeigneter Spannung (z. B. 2,4 V für 5 V Vcc), die gegen Masse gehen. Für den maximalen Eingangsbereich sollten die "Offset"-Spannungen (Bias) auf (Vcc-2)/2 eingestellt werden.
@Olin Lathrop Ohne R7 ist der Schaltungsausgang völlig anders, schwingen Sie nicht auf Schienenspannung. Ich werde R6 entfernen. R9 und R10 bilden einen Spannungsteiler für ein DAQ mit einer Eingangsimpedanz von 1 GOhm. Der Ausgang von U1 ist zu hoch für den DAQ-Eingang, also wollte ich die Ausgangsspannung halbieren. Denken Sie, dass R9 und R10 sehr hoch sind? Was würden Sie in diesem Fall empfehlen? Übrigens kann ich die Schienenspannung dieser Schaltung nicht senken, weil das Eingangssignal am invertierenden Eingang die Schienenspannung überschreitet. Ich habe auch Probleme beim Absenken des Eingangssignals am Anfang. Also dachte ich, das ist der einzige Weg.
@BruceAbbott Sie haben geschrieben: "Setzen Sie den Tiefpass-RC-Filter zwischen die Verbindung von C2 / R2 / R4 und den invertierenden (-) Eingang des Komparators." Aber Olin Lathrop schrieb in seiner Antwort "Dieser Filter würde links von C2 gehen". Ich bin verwirrt, spielt es eine Rolle, wo es ist und warum?
Es kann in beide Positionen gehen, aber links von C2 beträgt die Impedanz nur 5 k, sodass Sie einen niedrigeren R und einen höheren C benötigen, um eine Dämpfung zu vermeiden. Dies ist jetzt möglicherweise kein Problem mehr, da Sie die untere Amplitudengrenze von 100 mV auf 1 V erhöht haben.
@BruceAbbott danke für die Antwort. Nur noch eine Sache. In meiner Schaltung werden die Referenzspannung zum positiven Eingang und die Vorspannungen durch gleiche Widerstände eingestellt. Da mein Anliegen war, die Schienenspannung nicht zu überschreiten. Kann ich verschiedene Spannungsteiler verwenden, um die Eingangs- und die Referenzspannung zu reduzieren? Ich rede von R3 R3 R4 R5. Sie müssen die Schienenspannung also nicht halbieren, oder?
R2/R4 und R3/R5 stellen die Vorspannungen für die Eingänge des Komparators ein, die idealerweise in der Mitte seines Gleichtaktbereichs liegen sollten. Um den Eingang zu dämpfen, benötigen Sie einen Vorwiderstand vor R2/R4. Da das Thevenin-Äquivalent von R2/R4 5k beträgt, würde ein 5k-Widerstand in Reihe mit dem Eingang den Spannungshub halbieren.

Ihre Hysterese ist zu niedrig: Der 220-kΩ-Widerstand ist zu hoch.

Es gibt einen guten Rechner bei Random Science Tools und der Screenshot unten zeigt die Ergebnisse für 0,6 V Hysterese.

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Abbildung 1. Screenshot von Random Science Tools.

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schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Abbildung 2. Eingangsüberspannungsschutz mit Tiefpassfilteroption (C2).

Wie erklärt das die Runts? Der Komparator sollte jedes Mal den gleichen Wert haben.
Wenn die Hysterese zu niedrig ist, wird das Rauschen intermittierend eingeschaltet. Glaubst du, ich verpasse noch etwas?
@laptop2d Stimmen Sie auch zu, dass das negative Ende von C2 wie in meiner Schaltung mit dem Eingang verbunden werden sollte. Dies wurde von einem anderen Benutzer in einer anderen Frage vorgeschlagen. Der Vorschlagende behauptete, da der Eingang von der Lichtmaschine kommt, sei dies der Grund, warum ich C2 auf diese Weise angeschlossen habe. Stimmen Sie dem auch zu? Der Grund, warum ich frage, ich möchte andere mögliche Faktoren eliminieren.
Sie sollten Ihre Vcc\vref überprüfen, falls Sie dies noch nicht getan haben. Und nimm ein Multimeter und schau, ob der Wechselstrom über R10 nahe 0 ist
@ user16307: C2 führt kein Rauschen ein, aber es ist ein polarisierter Kondensator und könnte beschädigt werden, wenn er mit falscher Polarität eingesetzt wird. Überprüfen Sie einfach die Gleichspannung darüber und kehren Sie sie gegebenenfalls um.
@laptop2d: Dein Rat ist verwirrend. (1) Es gibt keinen Punkt "Vref" im Schaltplan. (2) Sie können keinen Strom über R10 messen. Sie können Spannung über oder Strom durch R10 messen, aber beides wird kein Wechselstrom sein, da der Operationsverstärker kein Split-Rail-Netzteil hat. Was soll der Anwender aus der Messung lernen?
Der Generator hat einen Hub von bis zu +-12,8 V und C2 liefert einen DC-Offset als Vcc/2 sowohl in der Simulation als auch in der Messung. So wird die Spannung am - Eingang des Komparators zu Vcc/2 + V_alternator und dies kann Vcc bei hohen Drehzahlen überschreiten. Ist das ein Problem? Ich habe diese Schaltung mit 5 V Vcc ausprobiert und über einige Amplituden ungleichmäßige Impulse erhalten. Sollte Vcc > Valternator_max + Vcc/2 sein? Sind Sie einverstanden?
Ich denke, diese Zwillingspulse treten auf, wenn die Schienenspannung niedriger als die Eingangsspannung ist
@transistor Entschuldigung, als ich Vref sagte, meinte ich die Spannung in Abbildung 1. Wenn ich Strom sage, meinte ich Spannung, aber ich dachte an Strom. V/R10 = Ich
@transistor Ist dieser Rechner für bekannte Eingaben? Meine Eingänge sind nicht gleich, sie können zwischen 1 V AC und 12,8 V AC liegen.
@ user16307: Es ist für bestimmte Schwellenwerte. Sie entscheiden, bei welchen Pegeln der Trigger schalten soll, geben sie in den Taschenrechner ein und klicken auf „ Berechnen“ . Da Sie ein 1-V-pp-Signal angegeben haben, habe ich 0,3 V über und unter Ihrem Mittelpunkt gewählt. Das war so groß, wie ich dachte, man könnte mit ein wenig Spielraum gehen.
@transistor Entschuldigung, ich verstehe das nicht. Würden 110k sowohl für 1-V- als auch für 12-V-AC-Eingänge für 24 Vcc gut funktionieren?
Wenn es für 1 V funktioniert, würde es für 12 V funktionieren, vorausgesetzt, das Rauschen steigt nicht mit dem Signal an. dh wenn es 100 mV konstantes Rauschen gibt, wären Sie wahrscheinlich in Ordnung. Frage: Woher kommt das Geräusch? Wenn Sie es loswerden könnten, würden Ihre Probleme stark reduziert werden. Wenn es in Ihrer anderen Frage vom Anemometer kommt, beantworten Sie dort meine Fragen zum Spulenwiderstand usw. Ein kleiner Kondensator über den Ausgangsklemmen kann hilfreich sein.
Kann ich den Spulenwiderstand mit einem Ohmmeter messen, indem ich ein Ohmmeter an die PMG-Ausgangsklemmen anschließe? Und wenn es X Ohm ist, wie hoch wäre dieser Kappenwert in Bezug auf X?
Ja. Der Spulenwiderstand wird zum „R“ eines RC-Tiefpassfilters erster Ordnung. Viele Rechner online.
@transistor wofür sind diese Dioden?
Sie schützen den Eingang des Operationsverstärkers. Alle Hochspannungen werden auf die Vcc-Stromschiene umgeleitet. Alle negativen Spannungen werden an die negative Schiene geklemmt.
Probleme mit den Schimtt-Triggereinstellungen für variierende sinusförmige Eingänge
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