Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Elmark
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Aktywny filtr antyaliasingowy dla sygnału ze źródła prądowego

krisRaba 18 Maj 2016 22:16 1332 8
  • #1 18 Maj 2016 22:16
    krisRaba
    Poziom 25  

    Witam,
    czy mógłby ktoś podpowiedzieć jak zrobić filtr antyaliasingowy na jednym wzmacniaczu dla sygnału ze źródła prądowego?

    Chciałbym użyć TPS2420 (http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps2420.pdf), który ma wyjście prądowe Imon proporcjonalne do prądu wyjściowego -> Imon=Iout/66k (str.5 w dokumentacji).
    Jeśli planowany zakres Iout to 0-1A, to Imon maksymalnie osiągnie 15uA.
    Żeby uzyskać z tego napięcie dla przetwornika załóżmy w zakresie 0-2.5V potrzebny jest rezystor Rimon=158k, na którym się ono odłoży przy przepływającym prądzie Imon.

    Sygnał chcę próbkować w mikrokontrolerze przetwornikiem 10-bit ADC z częstotliwością max. 500Hz, więc chciałbym ograniczyć pasmo do 100-200Hz.
    Traktuję to jak źródło sygnału o wysokiej impedancji, więc nie mogę chyba powiesić na tym Rimon filtru LPF w postaci obwodu R-C ;).
    Przychodzi mi do głowy bufor na wzmacniaczu i za nim filtr R-C, ale google nie zna takiej konstrukcji ;) Albo się nie dogadaliśmy...

    W drugą stronę widziałem...
    Aktywny filtr antyaliasingowy dla sygnału ze źródła prądowego

    Czy ma ktoś jakiś pomysł?

    0 8
  • Elmark
  • #2 20 Maj 2016 09:20
    2N3866
    Poziom 29  

    Propozycja z twojego rysunku to filtr pierwszego rzędu (nachylenie 20 dB na dekadę). Jeżeli stawiasz wymaganie, żeby mieć najwyżej jeden wzmacniacz operacyjny, to możesz zrobić aktywny filtr drugiego rzędu (40 dB na dekadę) w topologii Sallena-Keya: https://en.wikipedia.org/wiki/Sallen%E2%80%93Key_topology - ten artykuł dość rzetelnie przedstawia problem, w tym kwestię impedancji wejściowej, możesz filtr wyliczyć dla określonych założeń.

    Jest jeszcze jedna kwestia. Masz opornik, na którym będzie się odkładać spadek napięcia od prądu wyjściowego. Maksymalny prąd wg tego, co piszesz, to 15 µA. Musisz mieć przejście dla składowej stałej, czyli musisz się liczyć z problemem prądów polaryzacji wejść, które będą oddziaływać na spadek napięcia na tym oporniku (dla prądów polaryzacji zauważalna wartość - 158 kΩ). To jest do uwzględnienia nawet, gdy zastosujesz wzmacniacz separujący przed filtrem. Proponuję użyć nie pierwszego lepszego wzmacniacza operacyjnego, tylko przynajmniej takiego z FET na wejściu (np. łatwo dostępne BiFET TL061, TL081 - cena rzędu 1-2 zł, przy pojedynczym wzmacniaczu masz możliwość zastosowania zewnętrznej kompensacji). Prądy polaryzacji wejść dla BiFET to pA, przy bipolarnych wejściach (LM324, uA741 itd.) to nA, czyli o 3 rzędy więcej i to już widać na tle 15 µA max.

    0
  • #3 23 Maj 2016 21:28
    krisRaba
    Poziom 25  

    Bardzo dziękuję za wskazówki. Planuję użyć MCP6421 ze względu na niski pobór własny, małe gabaryty (SOT23-5) i właśnie mały Ib rzędu pA :) No dobra, dla pewności sprawdziłem jakie ma Ib już po Twoim poście, hehehe :)

    Jeden wzmacniacz to chęć ograniczenia BOM i miejsca, bo układ będzie zwielokrotniony na PCB - więc jeśli się da, to dobrze. Chyba był jakiś programik do liczenia S-K, żeby nie robić tego na piechotę.. muszę pogooglać jak on się nazywał.

    0
  • Elmark
  • #4 24 Maj 2016 08:51
    2N3866
    Poziom 29  

    https://www.google.pl/search?q=sallen+key+calculator+low+pass - mnie się najbardziej podoba ten Okawy, zapewniający obliczenia we wszystkie strony (analiza, synteza). Jak wyjdziesz w górę hierarchii serwisu, to znajdziesz też inne topologie.

    Napisz, jak fizycznie wyszło. MCP6421 to wzmacniacz rail-to-rail zasilany z pojedynczego źródła. Nota aplikacyjna pokazuje go jako wzmacniacz dla mostka pomiarowego - czyli spoczynkowe napięcie wejściowe gdzieś pośrodku skali. Co prawda pewnie typowe prądy Iout (Imon×66k) nie będą bliskie zera, ale jestem ciekaw jak ci się to zachowa na początku skali.

    0
  • #5 24 Maj 2016 11:43
    krisRaba
    Poziom 25  

    Okawy używam zwykle do szybkiego liczenia RC LPF. Zapomniałem, że tam są też podstrony dotyczące filtrów aktywnych :)

    TI zasugerował, żeby zrezygnować z filtru aktywnego i równolegle powiesić kondensator dla ograniczenia pasma sygnału. Cóż, chyba znają swój produkt ;)
    Ale żeby nie wtopić z PCB, bo nie mam zbyt wiele czasu na duże pomyłki, to myślę, że przygotuję płytkę pod S-K z możliwością by-passu rezystorem 0 om i dodatkowym kondensatorem wspomnianym przez TI. Jeśli nie będzie istotnej różnicy między pomiarami na sąsiednich kanałach, to zrezygnuję z S-K w dalszym etapie.
    Z ciekawości również chcę sprawdzić jak zachowa się ten wzmacniacz.

    0
  • #6 25 Maj 2016 08:55
    2N3866
    Poziom 29  

    krisRaba napisał:
    TI zasugerował, żeby zrezygnować z filtru aktywnego i równolegle powiesić kondensator dla ograniczenia pasma sygnału. Cóż, chyba znają swój produkt ;)

    Amerykanie są praktyczni, nie uprawiają ezoterycznej nauki, tylko na wszystko starają się zapewnić jakąś "regułę kciuka". To prawda, przy wyjściu prądowym równoległy układ RC jest już sam z siebie filtrem dolnoprzepustowym (przekształcenie źródła Nortona na źródło Thevenina). Ale ewentualny prąd polaryzacji następnego stopnia też będzie ładować ten kondensator.

    Za pomocą Okawy możesz sobie to zasymulować, bo on ma też filtry trzeciego rzędu (pierwszy pasywny - napięciowy RC, następny aktywny S-K drugiego rzędu). Zwróć uwagę na odpowiedź skokową - ona będzie ci dawać pojęcie, jak szybko układ będzie reagować na zmiany obciążenia monitorowane przez Imon. Czystość widmowa i walka z aliasingiem to jeden koniec kija, ale drugi i nie mniej ważny to reaktywność układu na zmiany. Musisz znaleźć kompromis.

    krisRaba napisał:
    Ale żeby nie wtopić z PCB, bo nie mam zbyt wiele czasu na duże pomyłki, to myślę, że przygotuję płytkę pod S-K z możliwością by-passu rezystorem 0 Ω i dodatkowym kondensatorem wspomnianym przez TI. Jeśli nie będzie istotnej różnicy między pomiarami na sąsiednich kanałach, to zrezygnuję z S-K w dalszym etapie.
    Z ciekawości również chcę sprawdzić jak zachowa się ten wzmacniacz.

    No to tym bardziej czekam na raport. Możesz też (o ile cię wymiary płytki zanadto nie ograniczają) zrobić to na goldpinach i jumperach komputerowych. Wtedy wszystko (i pojemność równoległa, i filtr aktywny/obejście) możesz mieć na płytce i bez lutowania szybko zmieniać konfigurację.

    0
  • #7 28 Maj 2016 01:33
    marek1707
    Poziom 1  

    To nie jest wyjście do jakiegoś precyzyjnego pomiaru prądu (10 bitów??) tylko do monitoringu stanu lub kontroli przeciążeń. Jeżeli Texas gwarantuje upływność tego wyjścia (czyli prąd wyjściowy dla I=0A) na poziomie 10uA, to przy oporniku 158k zjada ci to od razu 1.5V z full-scale 2.5V :( W praktyce na pewno będzie lepiej, ale żyłowanie czułości przez zwiększanie opornika niewiele da. Co więcej, zgodnie z tabelką parametrów współczynnik ILOAD/IMON załamuje się właśnie gdzieś poniżej 2A pogarszając i tak kiepską dokładność.
    Wzmacniacz operacyjny z małym prądem polaryzacji przyda się jako bufor gdy będziesz chciał zrobić aktywny filtr wyższego rzędu, ale równie ważna będzie kompensacja zera wynikająca z dużego offsetu samego wyjścia IMON. Być może robiona jakimś układem kompensacji (potencjometr cyfrowy?) po każdym włączeniu i nagrzaniu, bo do stałości tego offsetu miałbym jeszcze mniejsze zaufanie niż do jego wielkości.
    W sumie nie liczyłbym na dokładność lepszą niż 6 bitów i to nawet po kalibracji dla pełnej skali.

    0
  • #8 04 Cze 2016 10:58
    krisRaba
    Poziom 25  

    Dzięki za zwrócenie uwagi. Tak naprawdę nie potrzebuję mega-precyzji. Napisałem 10bit, bo taki mam przetwornik. Bardziej chciałem poinformować, że nie 24bit ;) Zobaczymy co uda się z tego wycisnąć.
    Na dobrą sprawę do mojego zastosowania wystarczyłby mi P-MOSFET, rezystor pomiarowy i wzmacniacz typu high-side current sense oraz bezpiecznik PTC ;) Pewnie wyszłoby taniej niż taki klocek. Ale przyznam, że mnie zainteresował i postanowiłem spróbować. Najwyżej w wersji 2.0 wywalę te wszystkie wodotryski ;)

    0
  • #9 04 Kwi 2017 12:40
    krisRaba
    Poziom 25  

    Taki mocno odgrzewany kotlet, ale może kogoś zainteresuje jak to wygląda w rzeczywistości.

    Na poniższym wykresie O1, O2, O3 to wyjścia 12V, gdzie prąd Iout TPS'a jest równy temu ze skali osi X. Jak widać w międzyczasie dopuszczalny prąd zwiększony został do 2A, powyżej następuje odcięcie.
    Nie wygląda to najgorzej - powyżej 0,5A można nawet mówić o jakiejś powtarzalności. Poniżej 0,5A widać, że mniej lub bardziej wykresy się rozjeżdżają.

    Wyjścia N1, N2, N3 to wyjścia 5V z przetwornicą DC/DC, więc rzeczywisty prąd Iout TPS'a jest mniejszy od widocznego na osi X wykresu ponad 2x. Zastosowane są inne rezystory Rimon, stąd wykresy Ox i Nx mają inne nachylenie.

    Aktywny filtr antyaliasingowy dla sygnału ze źródła prądowego

    Widać, że dla mniejszych prądów występuje lekki "banan" i charakterystyka nie jest idealną prostą. Bardziej uwidacznia się to dla wyjść z przetwornicą, które pracują na mniejszych prądach Iout, choć możliwe, że jakiś wpływ na to ma również sprawność i prąd spoczynkowy przetwornic DC/DC.
    Na odwróconym wykresie trochę lepiej to widać.

    Aktywny filtr antyaliasingowy dla sygnału ze źródła prądowego

    Dodatkowo sprawdzałem, czy potrzebny jest wtórnik napięciowy. Okazuje się, że układ radzi sobie całkiem nieźle i bez niego - N2ImonBW (bez wtórnika) vs N2ImonZW (z wtórnikiem) - charakterystyki praktycznie się pokrywają. O1Imon również jest charakterystyką mierzoną bez wtórnika i pokrywa się dla większych prądów z O2 i O3.

    Co ciekawe N2 ma w miarę stały, lekki offset względem N1 i N3, a w N2 i N3 pracują takie same przetwornice, a w N1 inna ;) Będzie to raczej offset Imon TPS'a, bo wątpię w tak wielką różnicę prądów spoczynkowych.

    ADC 10bit, Vref=2.5V, RImon=158k dla Nx, RImon=62k dla Ox.

    0