מבוא

בתעשייתי המודרנית, הרכב, החלל והמערכות הרפואיות, השלמות האותות נמצאת כל הזמן תחת התקפה.התערבות אלקטרומגנטית (EMI), רעש קו חשמל, רטט מכני, וטמפרטורות סחף פלטי חיישן גולמי לפני שהם מגיעים אי פעם לממיר אנלוגי אל-דיגיטלי (ADC) או מערכת בקרה.ללא תאורה יעילה, אפילו המדידה המתוחכמת ביותר מייצרת נתונים לא אמינים.

מדריך מורחב זה עובר דרך יסודות של מיזוג אותות, סינון התנצלות, אתגרים רעש בעולם האמיתי, וקריטריונים בחירה מעשית. בין אם אתה מעצב מערכות איסוף נתונים עבור רצפת מפעל, לפתח כלי רפואי, או לעבוד עם חיישנים מדעיים רגישים, להבין איך להתחבר מסננים עם פרופיל רעש ספציפי שלך הוא חיוני.

הבנת מצב השבר ב- Depth

מיזוג אותות טרנסדורר גולמי עבור המרה וניתוח אמין.זה בדרך כלל כרוך בהגברה, שינוי ברמת, בידוד וסינון. בסביבות מורכבות, סינון הוא לעתים קרובות השלב החשוב ביותר כי זה ישירות מסיר מרכיבים רעש כי אחרת ישחית את האות.

תנאי קדם חשובים במיוחד כאשר אותות הם קטנים מאוד (תפוקות רמת מיקרווולנט), מהירות גבוהה מאוד (החזית של RF מסתיימת), או מכילים גם טראנסים מהירים וסחף איטי.הפילטר חייב לשמור על רוחב הפס הרצוי תוך הגדלת הפרעות מחוץ לפס.ללא סינון הולם, אתה מסכן את ההסתה ב ADCs, גורם כוזב בפרדעים, ויציבות מופרכת.

עבור סקירה מקיפה של יסודות התניתות של אותות, Texas Instruments מציעה הערה יישום שימושי: (FLT:0Signal Conditioning for SensorssscioFLT:1).

סוגים של מסננים המשמשים ב- Signal Conditioning

מהנדסים יש לוח של סוגים מסננים, כל אחד עם מאפיינים ייחודיים של תדירות-דומיין.הבחירה תלויה בטבע הרעש והאות.

פילטר נמוך

מסננים נמוכים עוברים תדרים מתחת לחיתוך ותנוחות גבוהים יותר.הם המסנן הנפוץ ביותר בהתנייה חיישן, הסרת רעש גבוה ספארי מהחלפת ציוד חשמל, משדרים אלחוטיים, וקטעים דיגיטליים קריטיים כוללים תדירות חיתוך (-3 dB Point), תלול רול-off (order), ופס שטוחות.

High-Passs filter

מסננים גבוהים לחסום רכיבים נמוך ספאם או DC. הם משמשים כדי לחסל סחף תרמי, לשוטט בסיס אותות ECG, ו רטט מכני נמוך קידוד. Care חייב להיות נלקח כי מסננים גבוהים גם להסיר תוכן אותות אותות נמוך קידוד, אשר עשוי להיות חשוב יישומים כמו ניטור סיסמי.

Band-Passs filter

מסננים של בנד-פס משלבים שלבים נמוכים ופס גבוה כדי לבודד להקה מסוימת של תדר.הם בשימוש נרחב במערכות תקשורת, זיהוי קולי ועיבוד אודיו.עיצוב מסנן פס קבוצתי דורש לבחור גם תדירות חיתוך נמוך וגבוה, כמו גם את מסנן כדי להשיג את הגורם הרצוי.

מסננים

מסננים (מסננים בעצירה) להסיר טווח תדר צר תוך השאר ללא שינוי יחסית.היישומים הנפוצים ביותר שלהם מדכאים את החום קו החשמל ב 50 הרץ או 60 הרץ ואת הרמוניות שלה. מסנן נוטריון מעוצב היטב יכול לשפר את יחס האות-לא-אין באופן דרמטי בסביבות שבו הפרעה קו הוא בלתי נמנע.

מפרטי מסנן חשובים והשפעותיהם האמיתיות בעולם

מעבר לסוג בסיסי, מספר מפרטים חשמליים משפיעים ישירות על הביצועים בסביבות מורכבות.

חיתוך תדירות ועברות Bandwidth

תדירות ההקצאה מגדירה היכן המסנן מתחיל להעצים.ב בפועל, רוחב הפס של המעבר - כמה מהר המסנן נע מפס לעבור לפס-עצור - ממטמים בדיוק כמו מסנן עם רצועת מעבר צר מאוד (צו גבוה) יהיה בנפרד אות מרעש אבל עשוי להציג עיוות שלב ועיכוב קבוצתי. עבור יישומים רגישים לזמן כגון לולאות או נתונים במהירות גבוהה, זה יכול להיות בעייתי.

פקודת פילטר

מסננים מסדר ראשון יש 20 dB / decade roll-off. הזמנה שנייה מספק 40 dB / Decade. הזמנות גבוהות (4th, 6th, 8th) לתת חותכים חדים אבל להגדיל המורכבות, רכיב, וסיכון של מסננים Active. Active.com באמצעות מגבר תפעולי יכול להבין הזמנות גבוהות עם פחות רכיבים מאשר עיצובים פסיביים.

Passband Ripple and stopband Attenuation

צ'בישייב ופילטרים אלפטיים מציעים תלולים עלות של קרוע בפס המעבר או בפס עצירה. בניגוד, מסנני Butterworth מספקים תגובה פס שטוחה מקסימלית אבל גלגל רול עדין יותר. עבור מדידות דיוק שבו דיוק amplitude בתוך פס המעבר הוא קריטי (למשל, משקולות, חזית ADC מסתיימת), אבל שווה ערך או Bessel לעתים קרובות הם סימנים חיוניים עבור סימנים של גלימות.

תגובה וקבוצת הקבוצה

לינאריות שלב הופכת חשובה כאשר מסנן את רכבות הדופק, אותות דיגיטליים, או כל גלפור שבו מערכות יחסים תזמון לשאת מידע. מסנן כי מעכב באופן משמעותי רכיבים שונים של תדרים על ידי כמויות שונות יעוות את צורת האות.קבוצת עיכובים יש למזער עבור יישומים כמו מכ"ם, לידר, ותקשורת מהירה גבוהה.

ציוד אנליזה מספק מדריך יסודי על מפרט מסנן:0Fiter Wizard and Design ToolssFearLT:1.

גורמים קריטיים בעת בחירת מסננים בסביבה מורכבת

כל סביבת פריסה מציגה חתימות רעש ייחודיות ומגבלות.יש להעריך את הגורמים הבאים לפני סיום תכנון סינון.

טווח אותות וטווח דינמי

באופן מדויק מאפיין את התוכן ספקטרלי של האות שלך.האם האות של עניין רתול טמפרטורה איטית (sub-Hz) או חתימה רטט מהיר (kHz ל MHz)?החתלת המסנן חייבת לשכב בנוחות בין תדירות האותות המשמעותית הגבוהה ביותר לבין תדירות הרעש הנמוך ביותר.בנוסף, טווח דינמי - יחס האות המקסימלי לקומה הרעש - ישפיע על העצירה הנדרשת בתנוחתימה.

המונחים: Source Characterization

הבנת קשת הרעש היא חצי הקרב.מקורות משותפים בסביבות מורכבות כוללים:

  • (FLT:0) התערבות אלקטרונית: 1FLT) רעש רדיated ממנועי, ממסרים, והחלפת ממירים שולטים לעתים קרובות מעל 1 מהרץ.
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ -line: 1 50/60 הרץ בתוספת הרמוניות יכול להיות יחד דרך נתיבים קיבוליים או אינדוקטיביים.
  • (ב) ⁇ :0) רעשי קדמוני: 1FLT:1 ג'ונסון-ניקוויסט ממתנגדים ואלמנטים של חיישן הוא פס רחב ולבן.
  • (ב) ויקרא (במדבר כ"ד): "בְּהַּרְלֹאֶת הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא .
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ ⁇ (ב) ⁇ נמוך ממכונות שיכולות לשנות את פלטי החיישן.

השתמש מנתח ספקטרום או רכישת נתונים מבוססי FFT כדי להיכנס לסביבה הרעש במהלך כל תנאי התפעול (startup, מצב יציב, אירועים חולפים). רק אז אתה יכול לבחור מסנן כי מטרות להקות רעש ספציפיים מבלי להגביר את האות שלך.

כוח ומרחב קונסטרינט

בעיצובים ניידים או משובצים, צריכת חשמל ואזור לוח הם בקושי.פילטרים פסיביים (RC או LC) לצרוך כוח אבל עשוי לדרוש מחנכים גדולים בתדרים נמוכים.פילטרים פעילים באמצעות מגברים תפעוליים זקוקים לכוח, אך יכולים לממש ערכי Q גבוהים ללא רכיבים גדולים.פילטרים דיגיטליים המיושמים ב-FPGA או DSP מציעים גמישות קיצונית וגבוהה ללא סובלנות של רכיבים אנלוגיים, אך הם דורשים ADC וצורכים כוח ראשון ועוצמתי נגד מערכת ההפעלה שלך.

מתח סביבתי

קיצוניות טמפרטורה, לחות ורטטט יכולים לשנות ערכי רכיב מסנן. Capacitors (במיוחד קרמיקה) יש מתח חזק וטמפרטורות coefficients כי שינוי קיבול - שינוי חיתוך של מסנן. השתמש C0G /NP0 או ציפוי סרט עבור יציבות. בדומה, התנגדות סובלנות וטמפרטורות coefficients צריך להיחשב.

יישום מסנן הנכון: זרימת עבודה מעשית

בחירת ופריסת מסנן היא תהליך הרהרטיבי.למטה היא גישה של צעד אחר צעד המשמש מהנדסי חומרה מנוסים.

שלב 1: דרישות Define

כתוב את רוחב הפס האות (מינים ותארי מקסימליים), את ההסתה המותרת בתדרים לא רצויים, ואת עיוות שלב מקובל.ת לתעד את מקורות הרעש שזיהית במהלך האיור.

שלב 2: בחר Topology

בהתבסס על הדרישות, בחר סוג מסנן.לדוגמה, אם הרעש הוא מעל 1 kHz וסימן הוא מתחת 100 הרץ, מסנן דו-צדדי של 4th-order עם חיתוך ב 200 הרץ עשוי לעבוד.אם לחות של קו חשמל הוא הבעיה היחידה, סנטימטר מסונן עד 60 הרץ הוא הפתרון הפשוט ביותר.

שלב 3: סימבול ובחירת הנאות

השתמש ב- SPICE או הספק filter כלים עיצוב (למשל, Analog מכשירים מסנן Wizard, Texas Instruments FilterPro) כדי לדמות את התגובה התדירות והשלבית עם מודלים של רכיב אמיתי. חשבון עבור ניצול סובלנות על ידי הפעלת סימולציות מונטה קרלו.

שלב 4: Prototype and Test

בנו אבטיפוס ומבחן עם אותות אמיתיים בסביבת היעד. השתמש מנתח oscilloscope וספקטרום כדי לאמת את ביצועי המסנן. לשים לב לתגובות טרנסיות - קלט צעד עשוי לחשוף overshoot או מצלצל כי הסימולציה של תדירות-דומיין לא ללכוד.

שלב 5: זהר ואופטימיזציה

התאמת תדירות ההחתרה, רול-וף, או אפילו את סדר המסנן המבוסס על מדידות בעולם האמיתי.במקרים רבים, קיצוץ מעט נמוך יותר יכול להפחית באופן משמעותי את הרעש תוך שהוא עדיין עובר את האות עם נאמנות מקובלת.

Digital vs. Analog Filtering: איזו גישה מתאימה?

מערכות מודרניות לעתים קרובות משלבות הן תחומים. Analog סינון חיוני לפני ADC כדי למנוע אסיים ולהסיר רעש מחוץ לפס שיכול ליישב את השלבים המגברים.סינון דיגיטלי לאחר ADC יכול ליישם תשובות חדות, סדר גבוה כי הם קשים או יקר כדי להשיג אנלוגי.בסביבות מורכבות, הפתרון האופטימלי הוא בדרך כלל שילוב: פשוט אנטי-פליה פשוט אנלוגיה (מסנן דיגיטלי), ולאחר מכן לא פילטר דיגיטלי נמוך.

מסננים דיגיטליים מציעים יכולת פעולה, לא רכיב סחף, ואת השלב ליניארי מעולה (FIR מסננים) עם זאת, הם דורשים מספיק ADC החלטה וקצב דגימה כדי למנוע מגבלות טווח דינמיות.עבור אותות נמוך מאוד (<1 Hz), מסננים דיגיטליים יכולים להיות יעילים מאוד כי ערכי הרכיב אנלוגי יהיו גדולים באופן לא מעשי.

משאב מעולה המשווה אנלוגיה וסינון דיגיטלי זמין מ-National Instruments:0.

טכניקות מתקדמות ל- Challenging Noise Environments

פילטר

בסביבות שבהן תכונות רעש משתנות לאורך זמן (למשל, כונן מנוע מהיר משתנה, הפרעה אלחוטית), מסננים הסתגלות באופן אוטומטי להתאים את האפקטיביות שלהם. אלגוריתם ריבועים Least Mean Squares (LMS) משמש בדרך כלל.פילטרים הסתגלותיים יכולים לבטל את לחות החשמל עם קלט או מעקב אחר תדרי רעש שונים.הם אינטנסיביים חישוביים אבל יכול להיות מיושם בזמן אמת על DSP מודרניים.

פילטרים Switched-Capacitor

מסננים אלה משתמשים ב- capacitors שצופים כדי לדמות מתנגדים, ומאפשרים תדרים מדויקים מבוקרים על ידי שעון חיצוני.הם יציבים מאוד וסבירים, אידיאליים עבור מערכות שבהן אתה צריך לשנות פרמטרים מסנן ללא החלפת רכיבים.

Multiשלב Design

במקום מסנן אחד גבוה, שלבים מרובים מסדר נמוך יכול לספק שליטה טובה יותר על שטוחות פס ותגובה שלב.לדוגמה, מסנן מסדר 6 יכול להיות מיושם כמו שלושה שלבים 2nd-order Sallen-Key. עיצוב זה גם הופך debuing קל יותר ומאפשר לך להוסיף שלבים בין קטעים.

מלכודות נפוצות וכיצד להימנע מהם

  • (FLT:0) ראה אינטראקציות של חוסר ציות:FLT:1 , ניכוי מסנן חייב להתאים את הפלט של החיישן כדי למנוע שגיאות טעינה.
  • (FLT:0) אבחון של מספר 1:10RELT:1 תמיד להציב מסנן נגד-aliasing לפני ה- ADC.התעצמות של ה-ADC על ה-ADC על פני טווח הדינמי של ADC בחצי תדירות הדגימה.
  • (FLT:0) מרכיבים מסננים עם סובלנות הדוקה ללא צורך:Felo1 מתנגדים 1% ו- 5% קפקאים הם לעתים קרובות מספיק. 0.1% חלקים להעלות את העלות, ולא יכול לשפר את הביצועים אם לסביבה יש אי-ודאות אחרת.
  • (FLT:0) Neglecting PCB הפריסה: FLT:1) עקבות ארוכים בין שלבים מסנן יכולים להרים רעש.המשך הרכיב מוביל קצר, להשתמש במטוסי קרקע, ולמקם את הציפוי ליד מסנן פעיל ICs.
  • (FLT:0) שינוי שלב בחיתול בלולאות שליטה:03FLT) 1 כאשר מסננים מוכנסים בתוך לולאות משוב, שלב הלג שלהם יכול לגרום לאי יציבות.תמיד למדוד את שולי שלב פתוח לאחר הוספת מסנן.

מסקנה

בחירת המסננים הנכונים עבור תאורה בסביבות מורכבות דורש הבנה שיטתית של אות של עניין ואת הנוף רעש. על ידי לאפיין בקפידה את התוכן תדירות, בחירת סוג מסנן המתאים סדר, ואימות העיצוב באמצעות בדיקות סימולציה אבטיפוס, מהנדסים יכולים לשפר באופן דרמטי את יושרת האותות. [+] כלים עיצוב מודרני ושילוב של אסטרטגיות סינון אנלוגי ודיגיטלי לספק גמישות כדי להתמודד עם כמעט כל אתגר רעש.

בסופו של דבר, המאמץ שהוצא על בחירת מסנן משלם דיבידנדים ברמת דיוק המערכת, האמינות והפחית את זמן לשוק. מאחר שמערכות דיגיטליות ממשיכות לדחוף להגדרות תעשייתיות, רכביות ורפואה קשות, תכנון סינון נשאר אבן הפינה של הנדסה חומרה חזקה.