במעבדות הנדסה מודרניות, המרדף אחר מדידות כוח מדויקות ויציב הוא יסוד לתכנון, אימות ופתרון בעיות של מערכות אלקטרוניות.מאפיון אספקת חשמל וכוננים מנועים כדי להעריך ממירי אנרגיה מתחדשת, איכות של נתונים מדידה משפיעה ישירות על האמינות מסקנות ושלמות של המוצר הסופי, עם זאת, אותות חשמליים גולמיים נתקלו בסביבות אלה הם לעתים רחוקות מפועממים על ידי רעש רחב, ממולקולות אלקטרומגנטיות, ונזקים אלה, חומרים לא מדויקים, ללא תקלות, חומרים מזיקים, ללא תקלות, חומרים מזיקים, ושליליים, עם תפקוד נכון של תפקוד לקויים, עם תקלות, עם תקלות, עם תקלות, עם תכונות מזיקות, ללא תקלות, עם תקלות, ללא תקלות מזיקות, עם תקלות מזיקות, עם תקלות מזיקות, עם תפקוד נכון של תפקוד נכון של תפקוד נכון של תפקוד לקוי של תפקוד לקוי של תפקוד לקוי של תפקוד לקוי של תפקוד לקוי של תפקוד נכון של תפקוד לקוי של תפקוד לקוי של תפקוד לקוי של תפקוד לקוי של תפקוד לקוי של תפקוד לקוי של תפקוד לקוי של תפקוד לקוי של תפקוד לקוי של תפקוד לקוי של מערכת לא מדויק.

מסננים פעילים הופיעו כפתרון רב עוצמה לאתגרים אלה, המציעים למהנדסים את היכולת לשמור באופן סלקטיבי תוכן התדר הרצוי תוך הגדלת הפרעות לא רצויות.בניגוד לעמיתיהם הפסיביים, מסננים פעילים משלבים אלמנטים מעצימים - באופן זמני מגברי ביצועים תפעוליים (op-amps) - לצד מתנגדים ותומכים להשגת עקרונות תגובה מדויקים.

התפקיד הבסיסי של שינוי אותות במידות כוח

מדידות כוח כרוכות בלכידת מתח וגלימות גל נוכחי ולאחר מכן עיבוד אותם לפרמטרים חישוביים כגון ערכי RMS, כוח אמיתי וראקטיבי, הרמוניות, וגורם כוח.דיוק של מדדים נגזרים אלה מוגבל ישירות על ידי נאמנות של אותות הטעינה שנרכשו. Noise מקורות - כולל מעבר טראנסים ממרנים סמוכים, 50/60 לחיכים מ ⁇ העיקריים, קרינה גבוהה וגרם כראוי על ידי פליטות לא ניתן להפחית כראוי.

מיזוג אותות מגשר הפער בין פלט חיישן הגלם לבין קלט המכשיר של כלי מדידה פילטרים Active מספקים שיטה מבוקרת, צפויה להסרת רעש מחוץ לפס ולבודד טווחי תדר ספציפיים של עניין.התהליך הזה הוא קריטי במיוחד כאשר משתמשים במערכות רכישה דיגיטליות, שבו הסתה עקב מסננים אנטי-פליטיס לא מספיק יכול להציג רכיבים נמוכים מלוטשים כי המדידה מופעלת על ידי המהנדסים האנלוגיים הפעילים לפני ה-CDC יכול רק להבטיח את ה-ד"מסוגל שימורים (ה) רק ⁇ -ה-ה-ההההחומרהההההההההההההה- ⁇ - ⁇ -DID (החומריתיתיתיתיתיתיתיתיתיתיתיתיתיתיתיתיתיתיתיתיתיתיתיתיתיתיתיתיתיתית) אשר יכולה רק ⁇ ) אשר יכולה רק מפני ⁇ -D.

מה זה Active Filter?

מסננים פעילים הם מעגלים אלקטרוניים אשר ליישם תגובה תדר הרצוי באמצעות מכשירים פעילים (בדרך כלל מגברים תפעוליים) יחד עם מתנגדים פסיביים ו capacitors.הגורם הפעיל מספק רווח מתח ועומס גבוה, המאפשר לסנן להיות מתוכנן עם מאפיינים גלילי תלולים ללא טעינה המקור או דרישה של inducors גדולים, אשר לעתים קרובות מסיבי ורגיש להפרעות מגנטיות בתדרים נמוכים.

Active vs. Passive Filters

ההבדלים המרכזיים בין מסננים פעילים ופסיבית נמצאים במגבלות הביצוע שלהם ובהתאמה שלהם.פילטרים פסיביים משתמשים רק בהתנגדות, כיבולים, ומחנכים, בעוד שהם יכולים להשיג ביצועים מצוינים גבוה ואיננו דורשים אספקת חשמל, הם סובלים ממספר חסרונות ביישומים מדויקים:

  • (ב) אובדן ההחלפה: 1FLT: 1 פילטרים עובריים לעתים קרובות להעצים את האות אפילו בפס המעבר, צמצום יחס האות-לא-מסים.
  • (ב) ,0) רגישות למניעה: 1FLT:1 ,ההתביעה והפלט של המסנן מדביקים אינטראקציה עם מקור ועומס, מה שהופך את הביצועים פחות צפויים.
  • (ב) ⁇ :0 ⁇ ועלויות: 1FLT:1 מחנכים הם בשפע ויכולים להרים שדות מגנטיים משוטטים, במיוחד בתדרי קו חשמל.

מסננים פעילים מבטלים את המגבלות הללו.הם יכולים לספק רווח לפצות על אובדן אותות, להציע תנופה גבוהה של קלט שאינו לטעון את המקור, לייצר תנופה נמוכה שיכולה להניע שלבים עוקבים ללא שינוי.יתר על כן, מסננים פעילים יכולים לממש פונקציות העברה מורכבות - כגון Butterworth מסדר גבוה, Chebyshev, או Bessel תשובות - ללא צורך עבור מחנכים יקרים, מה שהופך אותם אידיאליים עבור פונקציות גמישות, שימוש במעבדה.

בניין פונדמנטל בלוקים: Sallen-Key ו-Firetingback topogies

שניים מהפילטרים הפעילים ביותר להתנצלות הם Sallen-Key (או קוד מתח מבוקר מתח, VCVS) ומבנים מרובים (MFB).הטופולוגיה Sallen-Key טובה לפשטות שלה וקלות של כוונון: דגימת יחיד עם כמה מתנגדים ו capacitors יכולים ליישם השני-order נמוך, גבוה או מלוטש גבוה יותר, מאפשר מחסנים גבוה יותר, כדי להשיג מחסנים גבוהים יותר, מאפשר מחסנים גבוהים יותר, מאפשר מחסנים גבוהים.

הטופולוגיה מרובות של Feedback, מצד שני, מציעה גמישות רבה יותר בשליטה על גורם האיכות (Q) ולהשיג בו זמנית, בעלות של אימפולס קלט נמוך יותר.זה משמש לעתים קרובות בתכנון מסנן קבוצתי ו- tch שבו נדרשתסלקטיביות צרה. Both topologies מסתמכת על רווח חד פעמי של הדגמה ואת רשת משוב כדי לקבוע את תדירות ולחות יישומים כוח, מדידות לחץ רוחב פס זה חייב למנוע עיוותים, לחץ רוחב פס, כדי להעביר את הטמפרטורות.

כיצד פילטרים פעילים משפרים את מדדי החשמל

מסננים פעילים משפרים את מדידות החשמל באמצעות שלושה מנגנונים עיקריים: ירידה ברעש, סינון הרמוני, וייצוב אות.כל אחד תורם לייצוג נקי יותר ומדויק יותר של התנהגות חשמלית אמיתית של המכשיר תחת בדיקה.

חידוש רעש

רעש רחב מהחלפת ציוד חשמל, מעגלים דיגיטליים, וקרינת אלקטרומגנטית מחממת יכול בקלות להתחבר לחקירות מדידה וכבלים.אפילו רעש נמוך-אמפהרץ, כאשר משולב עם הזמן בחישובי RMS, יכול לגרום שגיאות משמעותיות. מסנן פעיל נמוך טווח הממוקם לפני המכשיר מסיר רכיבים בתדר גבוה כי הם לא חלק של אות הכוח הבסיסי או נזקי ה- 60 החשובים שלה.

העיצוב של המסנן חייב לשקול את ספקטרום הרעש ואת רוחב הפס הנדרש.המסננים נגד הפליה במערכות רכישת נתונים בדרך כלל להשתמש רול חד- off (>80 dB / DB / Dcade) כדי להבטיח כי רעש מחוץ לפס הוא מספיק מואץ לפני הדגימה. פילטרים פעילים יכולים להשיג זאת עם שלבים מסודרים שני, בעוד שסומטם פסיבי אחד ידרוש מספר פילטרים חד-טרנטיים לאותה דחייה.

המונחים:

בתרחישים רבים למדידת כוח, המטרה היא לנתח את המרכיב הבסיסי של מתח וזרם נוכחי - למשל, כדי לחשב את RMS אמיתי או גורם כוח. Harmonics שנוצר על ידי ממריצים, מופנמים, או עומסים לא ליניאריים אחרים יכולים לעוות את הגלפור, המוביל לקרוא שגוי אם לא מטופל כראוי.

מסנני נץ ' Activetch שימושיים במיוחד עבור ביטול התערבות קו כוח (למשל, 50 הרץ או 60 הרץ) ממדידות בתדר נמוך שבו תדירות הקו אינה עניין.זה נפוץ במיזוג אותות ביו-רפואיים או מדידות חיישן לחלוק את אותה קרקע כוח. על ידי הפעלת אות תאום-T או Q-enhanced לא טופכולוגיה, מסננים פעילים יכולים להשיג דחייה עמוקה (עד -80) בתדירות מדויקת בעת שמירה על התוכן ההפוך מדויק.

המונחים:

חיישנים אנלוגיים רבים המשמשים במדידות כוח - כגון הטרנספורמציה הנוכחית, חיישני אפקט הול ושמיכות - אספקת אותות פלט שיכולה להיסחף עקב שינויים טמפרטורה או רטטים מכניים בתדר נמוך.פילטרים פעילים פסיביים להסיר את הסחף הנמוך הזה, הידוע גם בשם נדודי בסיס, כך שמערכת המדידה מגיבה רק לעיוות הכוח בפועל.

יתר על כן, מסננים פעילים יכולים להיות תגובה שלב מוגדר היטב.ב מדידות כוח הכוללות את cross-coration של מתח ונוכח (למשל, כוח אמיתי = V.Icos ⁇ ), שינויים המוצגים על ידי מסננים חייבים להיות מתאימים בשני הערוצים. פילטרים פעילים עם תגובה של Bessel מספקים עיכוב קבוצתי מקסימלי, צמצום עיוותי שלב ולהבטיח את הגורם המדויק כאשר אפילו מסננים סגורים כדי לחתוך את התדירות הבסיסית.

סוגים של מסנן Actives המשמשים במעבדות

מעבדות הנדסה בדרך כלל מעסיקות ארבעה סוגים סטנדרטיים של מסנן.כל אחד מהם משרת מטרה נפרדת בשרשרת מדידה של כוח, ולהבין את המאפיינים שלהם הוא חיוני עבור בחירה מסנן נאותה.

פילטר נמוך

מסננים נמוכים הם הסוג הנפוץ ביותר המשמש לירידה רעש כללי.הם עוברים אותות מתחת לתדירות חיתוך ייעודי (f c) ולהגדיל את אלה לעיל. במדידות כוח, מסננים נמוכים משמשים כפילטרים נגד הפליה לפני ADCs, כדי להסיר את החלפת הרעש ממגירים כוח, וכדי לנקות את אותות DC-קומטופים.

(הפרמטרים של עיצוב מפתח כוללים את סדר המסנן (קביעת תלול), את התוספת המסנן (אבלטרוורת' לתגובה פס שטוח, צ'בישאר לחיתוך חד יותר עם פס פס פס, Bessel לשלב ליניארי), ואת Q factor של כל שלב. a רביעית-order Butterworth low-pass עם f c= k הוא בחירה טיפוסית עבור ניטור כללי של כוח: FLT לדוגמה: 1.A.

High-Passs filter

מסננים גבוהים לחסום רכיבים נמוכים ועוברים תדרים גבוהים.במעבדות למדידת כוח, הם משמשים להסרת מרידות DC מן ה transducers הנוכחי או לחסל את לחי הלולאה הקרקע המופיעים כסחף נמוך- ⁇ .הם מועסקים גם במערכות מדידה AC-קופאונדות שבו רק המרכיב המחליף של אות הכוח הוא עניין, כגון ניתוח הרמוני של זרם על ידי מהפך.

שיקולים עיצוביים מראות את אלה של מסננים נמוכים: תדירות הקיצוץ חייב להיות מוגדר היטב מתחת לתדירות האות הנמוכה ביותר של עניין להימנע מעצימה של היסוד. עבור מערכת 50 הרץ, חתך של 10 הרץ הוא טיפוסי.הסדר גבוה יותר מסננים (למשל, הזמנה שנייה Sallen-Key) לספק דחייה טובה יותר של תת-הרץ ללא הצגת שלב משמעותי ב -50.

Band-Passs filter

מסנני Band-pass מאפשרים להקה תדר מסוים לעבור תוך דחיית תדרים מחוץ לטווח זה.הם שימושיים עבור בידוד מרכיב הרמוני מסוים - לדוגמה, הרמוני החמישי (250 הרץ במערכת 50 הרץ) לניתוח איכות כוח.פילטרים של Band-pass משמשים גם כדי לסכן את הקלט ללולאות שננעלו בשלב (PLL) כי synize מערכות מדידה לקו הכוח.

מסנן פסים ניתן לממש על ידי cascading a low-pass ופילטר גבוה, או באמצעות nalB ייעודי-pass טופולוגיה.תדירות המרכז (f o) ו רוחב פס (BW, לעתים קרובות מאופיין על ידי Q= f o / BW) להגדיר את הבחירה שלו. עבור מדידות כוח, Q מתון של 1-10 הוא טיפוסי כדי למנוע רגישות מוגזמת לתדירות.

Notch (Band-Stop Filters)

מסננים של Notch הם ההפך של מסננים של פס קבוצתי: הם מדכאים להקה צרה של תדרים בזמן שהם עוברים את כל השאר.בהגדרות מעבדה, מסננים לאצ'ים הם הכרחיים להסרת הפרעות מהשורה הראשית של כוח (50/60 הרץ) כאשר מדידת אותות ברמה נמוכה מחיישנים שחולקים את אותה הקרקע.הם משמשים גם כדי לחסל רכיבים הרמוניים ספציפיים שאחרת יהיו המסיכה.

מסנן Active Notch יכול להשיג דיכוי עמוק מאוד (עד -100 dB עם trimming זהיר) רשת התאום-T היא מעגל פסיבי נפוץ שניתן להפוך ל- noch פעיל על ידי הצבתו במסלול משוב של דגימה ספקטרום.עבור טנון טמבל, מסננים בעלי יכולת עמידה ממשלתית המאפשרים התאמה עצמאית של תדר מרכז ו- Q Texas Instruments מספק LTF מעולה:0ipreatplication in an Active Notetextexing טכניקות סינון 1x.

יישום פילטרים פעילים בפרקטיקה

בעוד התיאוריה של מסננים פעילים היא מבוססת היטב, יישום מוצלח בסביבת מעבדה דורש בחירה קפדנית של רכיב, פריסה, קליברציה ושילוב עם כלי מדידה.

בחירה מתאימה

הביצועים של מסנן פעיל הוא מאוד תלוי באיכות של מרכיביו. Resistors עם טמפרטורות נמוכות coefficients (למשל, ±25 ppm / ° C) וסובלנות הדוקה (0.1% או יותר) מומלץ לשמור על תדרים חותכים מדויקים ו- Q גורמים. Capacitors צריך להיות ספיגה דיאלקטרית נמוכה ו דליפה נמוכה; קפקאטורים סרט (poester או פוליפרלן) מועדפים על פני קרמיקה) הם מעדיפים על פני מתחים קריטיים לתפקוד מיקרו-קלימיים לא יעילים.

בחירה של Op-amp היא קריטית באותה המידה.Precision Op-amps עם מתח נמוך מלמטה, זרם הטיה נמוך, ומוצר גבוה פס-bandwidth ( £) יש צורך להימנע מלהציג שגיאות DC או רול-off גבוה בתוך פס המעבר של המסנן.עבור מדידות כוח בתדר נמוך (עד כמה קילו-מאט), כמו OP07 AD או86 להציע ביצועים מצוינים DC עבור פילטר יעיל יותר (k-S) עד 2.

המונחים: clarbration and Testing

לאחר בניית מסנן, יש לאפיין אותו באמצעות מנתח רשת או גנרטור אותות וoscilloscope כדי לאמת את התגובה תדר שלה. Measurements צריך לאשר את תדירות חיתוך (נקודת 3DB), רווח פס, מדרונות רול-off, ו Q גורם. עבור מסננים tch, את עומק הדחייה צריך להיות נמדד; כל סימטריה עשויה להצביע על רכיב לא נכון.

(התמדה חשובה במיוחד כאשר ערוצי סינון מרובים משמשים למתח בו-זמנית ולמדידות הנוכחיות.כל רווח או שלב לא מתאים בין הערוצים ישמידו באופן ישיר חישובי כוח מושחתים.מהנדסים צריכים להתאים רכיבי סינון על פני ערוצים או להשתמש במסננים פעילים הניתנים לתוכנה שניתן יהיה לתוכנה לפטור את התוכנות המינימליות.

שילוב עם מערכות רכישה

מסננים פעילים ממוקמים לעתים קרובות בין מקור האות לבין קלט ADC.יש לקחת כדי להבטיח כי מסנן לא overload את הפלט של דגי ה- סמן בעת נהיגה קלט ה-ADC של ADC או שלב buffer נמוך יכול להיות נחוץ.בנוסף, רצפת הרעש של מסנן עצמו חייב להיות נמוך יותר מאשר הרעש הקוונטי של ADC כדי למנוע את טווח דינמי הכולל.

במתקנים מודרניים במעבדה, עיבוד אותות דיגיטליים (DSP) יכול להשלים או אפילו להחליף מסנן אנלוגי עבור כמה יישומים. DSP מבוססי מסננים (למשל, FIR או IIR) להציע חזרה מושלמת וגמישות, אבל הם מציגים שקיפות ודורשים פילטרים נגד-aliasing בכל מקרה כדי למנוע קידוד גבוה.

שיקולים מתקדמים למדדי כוח גבוהה

עבור מהנדסים דוחקים את גבולות דיוק המדידה, מספר נושאים מתקדמים מציינים את תשומת הלב:

סדר פילטר וקבוצת Delay

מסננים גבוהים יותר מספקים גלילה תלולה אבל להציג יותר שינוי שלב ועיכוב קבוצתי. במדידות כוח שבו צורת הגלום משנה (למשל, עבור גולגולת או גילוי שיא), עיוות קבוצתי יכול לגרום overshooting וצלצול. A Bessel מצמצם את העיכובים קבוצתיים מעכבים וריאציות, מה שהופך אותו הבחירה הטובה ביותר עבור נאמנות בזמן, אם כי עם פחות חד פעמי מאשר פילטר של צ'ה נמוכה של ניתוח כף הרגל.

השפעות חמורות והזדקנות

עם הזמן, ערכים התנגדות ו capacitor סחף בשל שינויים ההזדקנות והטמפרטורה.במעבדות מטרולוגיות דיוק, מסננים פעילים עשויים לדרוש החזר תקופתי.שימוש במרכיבים עם משככי טמפרטורה נמוכה ושיעורי ההזדקנות - כגון מפולגים מתכת ו NPO / C0G capacitors - מסייע לשמור על יציבות ארוכת טווח.

מדדים של non-Sinusoidal Waveforms

אלקטרוניקה כוח מודרני לייצר גלפורים עם שיעורי גבוה מאוד (למשל, במהירות מכושף IGBTs) פילטרים פעילים חייב להיות מספיק רוחב פס כדי להעביר את היסודות משמעותיים ומשמעותיים ללא עיוותים מושרה סלסול.הקצב של דגימה צריך להיות לפחות 20 V / מיקרו עבור אותות שעשויים להגיע 10 ב 10 k.

מסקנה

מסננים פעילים הם אבן הפינה של מדידה אמינה של כוח במעבדות הנדסיות.על ידי הסרת רעש באופן סלקטיבי, בידוד הרמוניים, וייצוב קווי בסיס אותות, הם מאפשרים למהנדסים ללכוד נתונים מדויקים המשקפים את הביצועים האמיתיים של מכשירים ומערכות.הבחירה של סוג מסנן - נמוך, פאס גבוה, פס קבוצתי, או לא - תלוי לחלוטין על המדידה, ודרישות מוצלחות, בחירת חומרה, אינטגרציה עם נתונים.

ככל שמערכות אלקטרוניות כוח הופכות מהר יותר ויותר מורכבות, התפקיד של סינון פעיל יגדל רק.מהנדסים אשר שולטים בעיצוב וביישום של מסננים פעילים יהיו מצוידים יותר כדי להשיג מדידות אמינות, מה שמוביל לתכנוןים יעילים יותר, מחזורי פיתוח מהירים יותר, ומוצרים סופיים באיכות גבוהה יותר.אם במעבדה אקדמית או מתקן R&D תעשייתי, השקעה בתת אות נאותה באמצעות מסננים פעילים משלמת דיבידנדים באמון והתחדשות.