החשיבות של מסנן פעיל בהגנה על חיישנים רגישים מאת אותות

חיישנים רגישים הם מרכיבי רכישת נתונים הקדמיים במערכות מודרניות אינספור, החל ממכשירים רפואיים ותחנות ניטור סביבתיות ועד רובוטים תעשייתיים מדויקים וכלי רכב אוטונומיים.חיישנים אלה להמיר תופעות פיזיות - temperature, לחץ, אור, האצה או ריכוז כימי - אותות חשמליים שיש לעבד עם סימטריות גבוהה, אך הסביבות שבהן הם פועלים לעתים רחוקות פתורות אלקטרומגנטיות (EMI), קו חשמל, תדירות מעוותת, ועיוותים, ומהירות יעילה, גורמת לתדירות גבוהה של אותות מזיקים לנפיחות עצמית, או לנפיחות עצמית, או לתדירות גבוהה, אך ורק לנפיחות עצמית, אך ורק להפרעות לא יעילה, אך ורק להפרעות לא רצויהפחתת אותות הרסניות, אך ורק להפרעות מזיקה, אך ורק להפרעות מזיקה, אך ורק להפרעות מזיקה, אך ורקמותרפיות, אך ורקמותרפיות, אך ורק להפרעות לא רצויות, הן רק להפרעות מזיקה, אך ורק להפרעות לא רצויות, אך ורקמותרפיות, הן רק להפרעות לא רצויות, הן רק להפרעות לא רצויות, הן רקמות, הן רקמותרפיות, הן רק לעתים רחוקות.

מה זה Active Filter?

מסנן פעיל הוא מעגל אלקטרוני המעסיק רכיבים פעילים - באופן קטי אדמטורים תפעוליים (op-amps) - בשילוב עם מתנגדים פסיביים ו capacitors כדי להעביר או אותות אטמוסיים המבוססים על תדירות.בניגוד לסננים פסיביים, אשר מסתמכים על מחנכים, capacitors, ומתנגדים לבד, מסננים פעילים יכולים לספק רווח מתח, קלט גבוה, נמוך ונמוך במיוחד עבור חיישנים רגישים.

בלוק הבניין הבסיסי של מסנן פעיל הוא את הדגימה מוגדר עם רשת משוב המכיל אלמנטים תלויי תדר.תפקוד העברת של מסנן קובע כיצד מתח פלט amplitude ושלב משתנה יחסית לתדירות קלט.רוב הפילטרים הפעילים מבינים השני סדר (biquad) או תגובות מסדר גבוה יותר, המאפשרות קטעי רול- offs וחיתוך מדויק ללא צורך עבור רב-מספקים ב-Commony inducertoators, כולל משובים מרובים, ו-Credable-Cred-Crepertice-Crepertator, ו-Crepertices-Creperty-Creperty-Crepertice-Creliffer (Coreative), ו-Frelifficials-Freperty-Freperty-Freperty-Frepertice), ו-Freperty-Freperty-Frelimates-Ferices-Fine-Flored toware, ו-Flor-Fine-Computericesperticespertices-Computerices-Computericesperty-Creperty-Creper

מסננים פעילים פועלים מאספקת כוח DC, וביצועיהם מוגבלים על ידי המוצר של הדגול-פסווט, קצב מחוספס, ומאפיינים רעשים.כאשר נעשה שימוש בהתנורת אותות חיישן, פרמטרים אלה חייבים להיות נבחרים בקפידה כדי למנוע הצגת עיוות בתדרים של עניין.למרות מגבלות עיצוב אלה, מסננים פעילים נשארים הכרחיים עבור יישומים הדורשים אפליה חדה, עלייה, ומניעה גבוהה - שלא יכול להשיג מסננים פסיביים בלבד.

כיצד פילטרים פעילים מתפרנים מ- Passive Filters

מסננים פסיביים משתמשים רק במחנכים, קפצואים, ומתנגדים. בתדרים נמוכים, אינדוקטורים הופכים גדולים פיזית והפסדים, והאימפולס היעיל שלהם עשוי להתנתק מאידיאל בשל התנגדות פרסיטית ושקע הליבה.שלבים פסיביים גם חסר רווח; הם יכולים רק אותות אטמוסאטים.

למה חשוב פילטרים פעילים?

החשיבות של מסננים פעילים להגנת חיישן ושלמות אות ניתן להבין באמצעות מספר פונקציות קריטיות שהם מבצעים.כל פונקציה מתייחסת ישירות למצבים של כשלים נפוצים במערכות מדידה רגישות.

חידוש רעש

אותות חושיים הם לעתים קרובות ברמה מיקרווולט או מטאטא - ניתן להשוות בגודל הרעש הנוכחי בסביבות אלקטרוניות טיפוסיות. פילטרים פעילים, במיוחד סוגים של פאס נמוך ופס קבוצתי, יכול להסיר רעש פס רחב מהחלפת ציוד חשמל, מעגלים דיגיטליים, משדרים אלחוטיים. לדוגמה, מגבר photodiode במגבת רפואית חייב לסנן 5060 / מילימטר כוח חם יותר מאשר קו חמצן נמוך.

מניעת עומס גבוה

חיישנים רבים יש תגובות לא ליניאריות חזקות אותות מחוץ לפס.לדוגמה, מד תאוצה משככי כאבים יכולים לייצר פלטים מעוררי השראה כאשר הם נרגשים על ידי רטטים קוליים מעבר לטווח המדידה המיועד שלהם.מרכיבים אלה גבוהים, אם לא מסוננים, יכולים ליישב את השלבים המגבריים הבאים, גרימת עיוותים לא ליניאריים ועיכובים התאוששות.

קביעת הסכם ועצמאות

מדידה מדויקת תלויה ביחס אות-לכאורה (SNR) להיות גבוה מספיק.פילטרים פעילים יכולים להגביר את רמות האותות (באמצעות רווח) ובמקביל לדחות רעש, שיפור ה-SNR על ידי עשרות דציבלים.ביישומים כגון דיוק משקל בקנה מידה או מנתחים כימיים, אפילו עיוותים קטנים יכולים להוביל לקריאות לא נכונות עם השלכות יקרות.

המונחים: Sensor Lifespan

חיישנים הם לעתים קרובות הרכיבים היקרים ביותר וכשלים במערכת. חשיפה רציפה ללחץ חשמלי מחוץ לפס - כגון התערבות בתדר רדיו גבוהה (RFI) או קו כוח transients - יכול להפחית חומרים חיישן, לגרום סחף, או לגרום נזק בלתי הפיך פתור או לחץ דם פעיל על ידי הוספת מסנן פעיל בממשק, אותות מזיקים אלה הם לעתים קרובות לפני שהם מגיעים אלמנט נמוך, לדוגמה, לחץ דם פעיל פגום.

סוגים של Actives Filter

מסננים פעילים מסווגים על ידי המאפיינים של תגובת תדר שלהם.כל סוג מתייחס לפרופיל רעש ספציפי וטווח תדר אות.הבנת סוגים אלה מנחה את הבחירה של מסנן המתאים עבור יישום חיישן נתון.

פילטר נמוך

מסנן פעיל נמוך עובר אותות מתחת לתדירות לחתוך המיועד אותות מתח מעל זה.זה הסוג הנפוץ ביותר מסנן הגנה חיישן כי אותות חיישן רבים הם לאט משתנה (למשל, טמפרטורה, לחץ, לחות) רעש גבוה ⁇ גבוה מקרינה EMI או מעבורת המרה הוסר תוך שמירה על אות הבסיס.

High-Passs filter

מסננים פעילים גבוהים מסננים אטמואט מתחת לתדירות החיתוך וסימנים מעבר מעל זה.הם משמשים כאשר פלט החיישן מכיל סחף נמוך ⁇ או DC מסט כי יש להסיר מבלי להשפיע על התוכן גבוה יותר קידוד.לדוגמה, accelerometer מדידת רטט ממכונה רוטטת יש רכיב DC משמעותי עקב הכבידה; מסנן גבוה עם חתך ב 1 לנטרל את זה בעודם אלקטרוקרד (אורד) על ידי מסנפס גבוה ממרחק של אלקטרו-קנטקנטקנטקרד).

Band-Passs filter

מסנני בנד-פס עוברים טווח תדר מסוים ודחו את כל התדרים מחוץ לטווח זה.הם חיוניים כאשר אות החיישן תופס להקה תדר צר רעש קיים מתחת ומעבר לסימן.דוגמה קלאסית היא מגבר של מנעולים עבור חיישנים אופטיים, שבו האות הוא מודולה בו זמנית בתדירות קבועה של נושאת.המסנן פסים של הלהקה בתדירות המנטרול דוחה התערבות קלה (low) ותדירות אלקטרונית (מסוגננת) או נמוכה).

מסננים (Band-Stop)

מסננים של Notch נועדו להגביר את רצועת תדר צר מאוד בעת המעבר כל השאר.הם הם כלי של בחירה להסרת הפרעה קבוע- ⁇ כגון 50 / 60 הרץ קו לחות או שחזור מכני ספציפי. במערכת חיישן המדידה אותות מיקרו-וולטר-רמה מ thermocouple, מפילטר לתדירות הראשי המקומי יכול לחסל את המקור הדומיננטי ללא התרמו-couple של 40-cot-Ter לא להשיג יותר מאשר פילטרים ב-CDC-Cert-Tert-CDC.

All-Passs filter

למרות פחות נפוץ להגנה על חיישן פשוט, מסננים פעילים לעקוף את שלב האותות מבלי לשנות את האמפולדה שלהם. הם משמשים לעתים במערך חיישן עבור ההשוואה או לתקן שלב לא מתאים בין ערוצי חיישן מרובים.ביישומים כמו צילומי רנטגן או חיישני זמן של טיסה, שמירה על קוהרנטיות שלב הוא רב.

המונחים: Active Filters

יישום מוצלח של מסננים פעילים בהתיישן דורש תשומת לב למספר פרמטרים עיצוב מעבר לטופולוגיה הבסיסית.הבחירות האלה משפיעות ישירות על יכולת המסנן להגן על החיישן ולשמור על שלמות האות.

חיתוך תדירות ומסדר

תדירות החיתוך חייב להיות מוגדר גבוה מספיק כדי להעביר את רוחב רוחב אות שלם של חיישן אבל נמוך מספיק כדי לדחות רעש מחוץ לפס. איור של ערך: סדר המסנן קובע את התלות של רול-off (למשל, -20 dB / decade לכל הזמנה) הזמנות גבוהות יותר לספק בחירה חדה יותר אבל להציג שינוי שלב נוסף ופוטנציאל עבור רוב הגנת החיישן, השני או הרביעי-orders כדי להעריך מחדש של מחסומים טובים יותר.

איכות (Q)

גורם Q קובע את שיא המסנן ליד תדירות ההקצנה ואת הייבוש שלה. מסנן נמוך-Q (למשל, Q=0.5) מניב גליל הדרגתי ללא overshoot, בעוד מסנן גבוה-Q (Q> 0.7) מציג שיא וחוסר יציבות אפשרי.עבור חיישן, תגובה מחוספסת או מעט מתחת ל-Q-1, מעדיף לדגום את המרכיב לא פחות גבוה יותר, אבל לא הופך ל-QKer.

בחירה וסובלנות

ביצועי מסנן פעילים רגישים לדיוק של מתנגדים ו- capacitors. Standard 1% סובלנות מתכת סרטניים מתנגדים ו 5% או יותר פוליסטיילרין או C0G / NP0 capacitors מומלץ להגיב תדר חוזר.ה-amp צריך להיות נמוך מכווץ מתח, צפיפות נמוכה, ומספיק מוצר בעל מזל גבוה - 10-100 פעמים מסנן של הפחתת תדירות כדי להפחית את החיישנים נמוכים מאוד.

כוח אספקה ו-Leleout

מסננים פעילים דורשים אספקת חשמל נקייה ויציבה. Ripple על זוגות מסילות האספקה לתוך דגימת ה-POP ונראה כמו רעש על הפלט.שימוש הרגולטורים ליניאריים ייעודיים ו- decoupling capacitors ליד כל דגימת ה-PCD הוא תרגול סטנדרטי. פריסת PCB חייבת למזער את אורך העקבות לרכיבי המסנן ולהימנע מריצה עקבות דיגיטליות ליד הפילטר.

יישום במערכות חיישן

הסתננות אקטיבית למערכת חיישן כרוכה לא רק במעגל המסנן עצמו אלא גם בשיקולים של מיקום, אי-ציות התאמה, ואדריכלות שרשרת אותות כוללת.

מיקום ב-The Signal chain

מסנן פעיל צריך להיות ממוקם קרוב ככל האפשר לפלט חיישן, באופן אידיאלי לאחר שלב ההשחה הראשוני.זה חוסם רעש מלהיות מוגדל על ידי שלבים עוקבים. במודולים מודרניים רבים, המסנן משולב באותה החבילה כמו חיישן לפני ה- ASIC. כאשר משתמשים במסננים חיצוניים, לשמור על קשרים קצרים ומגנים. עבור חיישנים שונים, מסנן פעיל שונה לחלוטין יכול לדחות את הרעש המשותף לפני שהוא נכנס רק.

עקבו אחרי

מסננים פעילים מציגים תנופה גבוהה, אשר הוא יתרון עבור חיישנים עם תנופה גבוהה פלט (למשל, טרנסנפורמטי, PH בדיקות), עם זאת, נהג החיישן עשוי לדרוש תנופה מסוימת עבור ליניאריות אופטימלית. a Unity-gain buffer (גם רכיב מסנן פעיל) יכול לבודד את החיישן מהתמעווט המשתנה של מסנן על פני תדירות.

Anti-Aliasing and Pre-ADC filter

כאשר אות החיישן מותנה על ידי ADC, מסנן אנטי-פניה פעיל נמוך הוא חובה למנוע רעש גבוה ספארי מתקפל לתוך המשטח.החתף מוגדר מתחת חצי תדירות הדגימה (שיעור Nyquist) ואת סדר המסנן שנבחר לספק מספיק אטימות בתדר הדגימה. מסנן פעיל מאפשר סדר גבוה יותר מאשר RC פסיבי בלבד, להבטיח מסנן חזק ללא מגבלות גבוהות יותר.

דוגמה: HC Oximeter

ב oximeter הדופק, נוריות אדומות ואדום להאיר את העור, ואת אמצעי photodetector מועבר אור.הפלט הגלאי מכיל רכיב AC קטן (- 1 mV) מנפח הדם שינויים על רכיב DC גדול (~500 mV) מסנן פעיל גבוה מסיר את הבסיס DCHz, ואחריו מסנן נמוך כדי לדכא את מודציה קליל (בדרך כלל 100-200).

השוואה עם פילטרים Passive

בעוד מסננים פעילים הם מעלים עבור רוב המיזוג אותות החיישן, ישנם תרחישים שבהם מסננים פסיביים מועדפים:

• (FLT:0) תדרים גבוהים מאוד: אנדרט 1 מעל 10-50 MHz, מגבלות רוחב פס של דגימה וכובעים צנחנים טפילטיים מדגימים ביצועים של מסננים פעילים.
• (ב) אין כוח זמין:0) בחיישנים ללא סוללות או מרוחקים, מסננים פסיביים לא דורשים כוח, יכול להיות פשוט יותר.
• (FLT:0) כוח גבוה או מתח גבוה: 1FLT:1 רכיבים פעילים עלולים להיפגע על ידי טראנסים; מסננים פסיביים באמצעות אינדוקטורים חזקים יכולים להתמודד עם גאדג'טים.
• (FLT:0) הסריקות והעלות:FLT:1 עבור יישומים בלתי דורשים, מסנן חד RC נמוך יכול להספיק, הימנעות מהעלות והמרחב של דגימת אפיון.

עם זאת, עבור רוב עצום של חיישנים אנלוגיים רגישים הפועלים בטווח תת-מגהרץ, מסננים פעילים מספקים ביצועים טובים יותר, טביעת רגל קטנה יותר (לא מחנכים), ואת היכולת להוסיף רווח - מה שהופך אותם ברירת המחדל של כלי מדויק.

מגמות מודרניות בסינון פעיל עבור חיישנים

בעוד מערכות חיישן הופכות ליותר משולבות ועשירות בנתונים, גישות חדשות לסנן פעיל מתעוררות.פילטרים דיגיטליים המיושמים במיקרו-בקרים או FPGAs יכולים להחליף מסננים אנלוגיים פעילים, המציעים תדרים קיצוץ מותאמים לרעש הסתגלות.עם זאת, מסננים אנלוגיים נגד-aliasing נותרו חיוניים לפני כל ADC כי מסננים דיגיטליים אינם יכולים להסיר אותות.

מסנן פעיל משולב ICs, כגון LTC1068 ממכשירים Analog או אחרים מטקסס מכשירים, לספק שלבים מסנן מרובים ב שבב יחיד, צמצום אזור PCB וספירת רכיב. מכשירים אלה מאפשרים סימולציה דינמי של סוג מסנן, לחתוך ו Q באמצעות ממשק סדרתי, המאפשר את אותו חיישן הקדמי לשמש עבור מצבי מדידה מרובים.

מגמה נוספת היא השימוש במסננים פעילים עם רעש נמוך מאוד וכוח אולטרה נמוך עבור חיישניים לבישים ו-IoT. Op-amps עם זרמי היצע ברמת ננואמפ (למשל, TLV8802) מאפשרים סינון מתמשך במכשירים המופעלים על סוללות ללא ביצוע הקרבה.התקדמות זו הופכת מסננים פעילים לנגישים יותר תוך שמירה על חיישן מדויק באפליקציות ניידות.

מסקנה

מסננים פעילים הם הכרחיים להגנה על חיישנים רגישים מעיוותים.על ידי הסרת רעש באופן סלקטיבי, מניעת עומס, שיפור דיוק מדידה, והרחבת תוחלת החיים של חיישן, הם משמשים כעמוד השדרה של מיזוג אותות חיישן אמין.הבנת הסוגים, הפרמטרים העיצוביים, ומימוש שיטות הטובות ביותר מאפשר למהנדסים לסינון פתרונות המסנן העומדים בדרישות חישוביות.כפי שעדיין ממשיכות להתרחב לתוך מערכות אוטונומיות, מכשירים רפואיים, מעקב, איכות הסביבה, את התפקיד של פילטרים פעילים בפילטרים של פילטרים של מערכות פיתוח יעילות, תוך פילטרים של מערכות הפעלה.

לקריאה נוספת, להתייעץ עם המאמר הטכני המפורט (FLT:0) של מכשירים טכניים על עיצוב מסנן פעיל סינון עיצוב פילטרים 1 ו-FLT:2Texas Instruments Note על עיצוב סינון עבור חיישן מתנייה 3.