Hassas sensörler sayısız modern sistemlerde ön veri satın alma elemanlarıdır, tıbbi tanı ekipman ve çevresel izleme istasyonlarının hassas endüstriyel robotlara ve otonom araçlara dönüştürülmesi. Bu sensörler fiziksel fenomenleri dönüştürür - sıcaklık, basınç, ışık, hız veya kimyasal konsantrasyon - yüksek sadakatle işlenmelidir. Ancak, ameliyat ettikleri ortamlar nadiren incelenir ve en sonunda, güç hattı, radyo frekansı gürültüyü ve mekanik titreşimleri tüm çiftleri sensörlere dönüştürürken, sinyalleri bozar ve ölçülen verileri bozur.

Aktif Filtreler Nedir?

Aktif bir filtre, aktif bileşenleri kullanan elektronik bir devredir -tipik olarak operasyonel yükselteçler (op-amps) - pasif direnççiler ve kapasitörler ile seçici olarak geçiş veya frekanslara dayanan sinyallerin aksine, bu da eğimli filtrelere güvenir ve direnicilere karşı direnir, aktif filtreler sadece gerilim kazanır, yüksek giriş engellenebilir ve düşük çıktı engellenir.Bu özellikler özelliklere sahip olmak için uygun görünür.

Aktif bir filtrenin temel binası, frekans bağımlı elementler içeren bir geri bildirim ağı ile yapılandırılır. Filtreleme fonksiyonunun aktarımının nasıl amplitüdüğünü ve faz değişimini giriş frekansına göre değiştirir.En aktif filtreler ikinci sipariş (biquad) veya daha yüksek sipariş yanıtları fark eder, her teklifli işlem hacmi ve yüksek çözünürlükte frekanslar için ihtiyaç duymadan.

Aktif filtreler bir DC güç tedarikinden çalışır ve performansları, af-ampiyonun kazanılması, geniş ürün, yarı oranı ve gürültü özellikleri ile kısıtlanabilir.Inkan sinyal Klimada kullanıldığında, bu parametreler ilgi frekanslarında bozulmadan kaçınmak için dikkatli seçilmelidir.Bu tasarım kısıtlamalarına rağmen, aktif filtreler keskin frekans ayrımcılığı gerektiren uygulamalar için vazgeçilmez kalır ve yüksek giriş engelleyicileri elde edebilir.

Pasif Filtrelerden Nasıl Aktif Filtreler

Pasif filtreler sadece indüktörler, kapasitörler ve dirençler. Düşük frekanslarda, indüktörler fiziksel olarak büyük ve kayıplar haline gelir ve sensör çıktıları yetersiz kalırsa, bu sınırlamaları kullanarak, yüksek çözünürlükte olan bazı düzeltmeleri kullanabilirler.

Active Filtreler Neden Önemli?

Sensör korumasında aktif filtrelerin önemi ve sinyal bütünlüğü performansladıkları birkaç kritik işlevle anlaşılabilir. Her işlev doğrudan hassas ölçüm sistemlerinde ortak başarısızlık modlarını ele alır.

Gürültü Azaltımı Gürültü

Sensör sinyalleri genellikle mikrovolt veya milivolt seviyesindedir - tipik elektronik ortamlarda mevcut gürültüye değer olarak kullanılabilir. Aktif filtreler, özellikle düşük frekanslı ve bant-pass türleri, geçiş güç malzemeleri, dijital devreler ve kablosuz gürültüyü azaltabilir. Örneğin, fizyolojik sinyal olmadan fotoyod yükselteçli bir sinyal filtre.

Harmful High-Frequency Overload

Birçok sensör, kullanılan ölçüm aralığının ötesindeki ultrasonik vibrasyonlar tarafından heyecanlanan, filtrelenmemişse, makinenin geniş bantlı gürültü ve kurtarma gecikmelerine neden olabilir. Aktif bant-pass veya düşük frekanslı filtreler, bu yüksek frekanslı bileşenleri korumak, özellikle de aşağıdaki elektronikleri korumak için kritik.

Ölçülme ve Güvenilirlik

Doğru ölçüm, SNR'yi her türlü decibels veya kimyasal analizciler gibi uygulamalarda, pahalı sonuçlarla yanlış okumalara yol açabilir. Aktif filtreler aynı zamanda gürültüyü reddederek, SNR'yi sensörün işletim yaşamı boyunca tutarlı performans sağlar.

Sensör Yaşamını Genişletmek

Sensörler genellikle bir sistemde en pahalı ve başarısızlık-prone bileşenleridir. sensör arayüzünde sürekli maruz kalma, bu zararlı sinyaller sensör elementine ulaşmadan önce ortaya çıkmaktadır. Örneğin, bir petrolde kullanılan bir pastazoelektrik basıncı sensörü yüksek frekanslı şok dalgaları görebilir; düşük frekanslı bir filtreyi düşük seviyeli bir şekilde korurken, hassas bir kristalize veya depodan korunmaya yardımcı olur.

Aktif Filtre türleri

Aktif filtreler frekans yanıt özellikleri tarafından sınıflandırılmaktadır. Her tür belirli bir gürültü profili ve sinyal frekansı aralığına hitap eder. Bu tür türler belirli bir sensör uygulaması için uygun filtre seçimine rehberlik eder.

Low-Pass Filtreleri

Düşük frekanslı aktif bir filtre, belirli bir kesme frekansının altında sinyalleri alır ve yukarıdaki sinyalleri kullanır. Bu, sensör koruması için en yaygın filtre türüdür, çünkü birçok sensör sinyali yavaş yavaş yavaş farklı (örneğin, sıcaklık, basınç, nem). Yüksek frekanslı gürültü radiated EMI veya geçiş dönüştürücüleri, sinyal şeklini korurken, temel sinyal şeklini korur.

Yüksek Lisans Garantileri

Yüksek frekanslı aktif filtreler, bir dönen makineden gelen sinyallerin altından çıkarma ve sinyal geçişinin üzerindeki sinyallerin, 1 Hz'de bir kesmeden veya DC dengelemesi içerdiğinde, 10 Hz'den fazla frekanstan etkilenmeden kaldırılmalıdır. Örneğin, bir hızlayıcısı (ECG) devreleri, geri dönen bir makineden gelen titreşimin sabit bir şekilde yayılması veya elektrot hareketine neden olan yüksek frekanslı filtreyi ortadan kaldırır.

Band-Pass Filtreleri

Band-pass filtreleri belirli bir frekans aralığı geçer ve tüm frekansları bu aralığın dışında reddederler. Sensör sinyalinin dar frekans bandı ve gürültünün her ikisinde de vardır ve sinyalin üzerinde klasik bir örnek, yüksek frekanslı bir sinyalin ve düşük uçlu bir yapı frekansının bulunduğu bir optik sensörler için kilitlenir. modlama frekansının tüm üç yanıtları reddedilir.

Notch Filtreler (Band- Dur)

Notch filtreleri, tüm diğerleriyle birlikte çok dar bir frekans bandında kullanılmak üzere tasarlanmıştır.Sesaksifikasyonları veya belirli mekanik rezonans kullanarak aktif olmayan filtreler.Bir sensör sisteminde, bir tane daha fazla mikrovoltaminasyon ölçümünü ölçerek, yerel anas frekansına kadar sıkıştırılmış olan bir filtreyi ortadan kaldırmak için kullanılan bir sinyal teli azaltamaz.

Tüm-Pass Filtreleri

Basit sensör koruması için daha az yaygın olsa da, tüm geçiş aktif filtreler, amplitüdünü değiştirmeden sinyallerin aşamasını değiştirirler. Bazen sensör dizilerinde gecikme eşitleme veya birden fazla sensör kanalı arasındaki yanlış uyum sağlarlar.In applications like staged-array akustik veya zaman-of-flight sensörleri, faz tutarlılığını korumak parasaldır.

Aktif Filtreler için Tasarım

Sensör şartlandırmasında aktif filtrelerin başarılı uygulanması temel topolojinin ötesinde birkaç tasarım parametresine dikkat gerektirir. Bu seçenekler doğrudan sensörü korumak ve sinyal bütünlüğü korumak için filtre yeteneğini etkiler.

Cutoff Frekans ve Order

Kesme frekansı sensörün tüm sinyal bant genişliğini geçmek için yeterince yüksek olmalıdır, ancak ringing için daha fazla fazı ifade etmek için yeterli olacaktır: filtre siparişi, işaret reddedilmesi ve geçici yanıt arasında iyi bir denge belirler.

Kalite Faktörü (Q)

Q faktör, filtrenin kesici frekansının yakınında zirve yaptığını ve hafifçe sıkıştırılmış bir yanıt (Q = 0,5-1.0) köşedeki gürültüyü bozmaktan kaçınırken, yüksek Q yüksek çözünürlükte (Q > 0.7) yüksek çözünürlükte ve olası bir dengesizlik getirir.

Bitirme ve Hoşgörü

Aktif filtre performansı, direnç ve kapasitelendiricilerin doğruluğuna karşı hassastır. Standart% 1 tolerans metal film dirençlileri ve% 5 veya daha iyi polistyrene veya C0G /NP0 kapasitörler, tekrarlanabilir frekans yanıt için önerilir. af-amp düşük dengeleme gerilimi, düşük gürültü yoğunluğu ve yeterli kazanç bant genişliğine sahip olmalıdır - filtrenin gecikme frekansının hatalarından kaçınmak için 10-100 kez.

Güç Supply and Layoutout

Aktif filtreler temiz, istikrarlı bir güç tedariki gerektirir. Müşteri raylarında çiftleri af-amp'e kadar indirmeli ve yüksek frekanslı müdahalenin bastırılmasında daha fazla gürültüyü azaltmalıdır.Her bir akamp yakınında bulunan lineer kontraseptifler ve dekouplama cihazı standart uygulamadır. PCB düzeni, analog filtre parçalarına en aza indirmek ve dijital izlerini çalıştırmayı önlemek için en aza indirmek gerekir.

Sensör Sistemlerinde Uygulama

Aktif filtreler bir sensör sistemine entegre etmek sadece filtre devresini değil aynı zamanda yerleştirme, kontegrat eşleştirmesini ve genel sinyal zinciri mimarisini de içerir.

Signal Chain'da yer alan

Aktif filtre, sensör çıkışına mümkün olduğunca yakın olmalıdır, dış filtreler kullanarak, kısa ve koruyucu bir şekilde doğru bir şekilde.Bu bloklar, tek uçlu dönüştürücüye girmeden önce tamamen farklı bir filtreyi reddedebilir.

Impedance Matching

Aktif filtreler, yüksek çıktılı yüksek çıktılı sensörler için avantajlı olan yüksek giriş (örneğin, pastazoelektrik transducers, pH probes) ancak, sensör sürücüsü bir sonraki aşamayı (örneğin, ADC girişi) yüklemeden uzaklaştırmak için yeterli olmalıdır.

Anti-Aliasing ve Pre-ADC Filtreleme

Durumlu sensör sinyali ADC tarafından sayısallaştırılmış olduğunda, örnekleme frekansında yeterli bir düşük nokta anti-aliasing filtresinin yalnızca yüksek frekanslı gürültüyü aşırılamadan aşırılamadan önlenmeyi önlemek için zorunludur.

Örnek: Tıbbi Pulse Oximeter

Bir nabız oximeter, kırmızı ve kızılötesi LEDs deriyi aydınlatır ve ışık değiştiricisi iletilen ışık azaltılır (genellikle 100-200 Hz). Aktif filtre aşamaları, büyük bir DC bileşeni üzerinde kan hacmi değişikliklerinden elde eder (~500 mV) DC tabanını kaldırır ve eğimi azaltır.

Pasif Filtrelerle Karşılaştırma

Aktif filtreler çoğu sensör sinyali için üstün olsa da, pasif filtreler tercih edilebilir olduğu senaryolar vardır:

  • [FONT=0]Very yüksek frekanslar:[Dönler: [Dönler: [Düzd: 1] 10-50 MHz'nin üzerinde, af-amp bant sınırlamaları ve parasitik kapasitanslar genellikle RF sensör koruması için gereklidir.
  • [FONT:0) Mevcut hiçbir güç mevcut değildir:[Dönetici: 1 ) Pilsiz veya uzaktan sensörlerde, pasif filtreler hiçbir güç gerektirmez ve daha basit olabilir.
  • [FONT:0) Yüksek güç veya yüksek gerilim: [Dönder:[Dönder:) Aktif bileşenler geçiciler tarafından zarar görebilir; sağlam indüktörler kullanarak pasif filtreler dalgalanmaları idare edebilir.
  • [FONT:0]Siksi ve maliyet:[Dönetici:[Dönemsiz uygulamalar için, tek bir RC düşük geçit filtresi yeterli olabilir, bir af-amp maliyetinden ve uzaydan kaçın.

Ancak, alt-megahertz aralığında çalışan hassas analog sensörlerin büyük çoğunluğu için, aktif filtreler daha iyi performans, daha küçük ayak izi (düktörler) ve elde etme yeteneği - onları hassas enstrümantasyonda varsayılan seçim yapmak.

Sensörler için Aktif Filtrelemedeki Modern Trendler

Sensör sistemleri daha entegre ve veri zengin hale gelirken, aktif filtrelemeye yeni yaklaşımlar ortaya çıkmaktadır. Mikrokontroller veya FPGA'larda uygulanan dijital filtreler bazı aktif analog filtreleri yerine getirebilir, programlanabilir kesme frekansları ve adaptif gürültü iptalleri sunar. Ancak, analog-aliasing filtreler herhangi bir ADC'den önce önemli kalır çünkü dijital filtreler bir uyarıyı kaldıramaz.

LTC1068 gibi tüm aktif filtre ICs, Analog cihazlardan veya Texas Instruments'tan gelen diğerlerinden, tek bir çipde birden çok programlanabilir filtre aşama sağlar, PCB alanı ve bileşen sayılarını azaltır. Bu cihazlar, dinamik yeniden yapılandırmaya izin verir ve Q'yi bir seri arayüzü ile, aynı sensör ön uçlarına olanak sağlar.

Başka bir eğilim, düşük gürültü ve ultra düşük güç ile aktif filtreler kullanımıdır ve IoT sensörleri için kullanılabilir. Nanoamp-düşük tedarik akımları ile Op-amps (örneğin, TLV8802), sabit filtrelemeyi performanstan ödün vermeden sağlar.Bu gelişmeler, taşınabilir uygulamalarda sensör doğruluğunu korumak için daha erişilebilir hale getirir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Aktif filtreler, hassas sensörlerin sinyal bozulmasından korumak için vazgeçilmezdir.Rektör olarak gürültüyü ortadan kaldırmak, aşırılık sağlamak, ölçüm doğruluğunu artırmak ve sensör ömrünü genişletmek, veri bütünlüğü sağlamak için aktif filtrelerin rolünü sağlamak için, tasarım parametrelerini anlamak ve en iyi uygulamaları anlamak, mühendislere talep eden gereksinimleri karşılamak için elvezemlere izin verir.Inkansif ölçüm uygulamaları, tıbbi cihazlara ve çevresel izlemeye devam eder, aktif filtrelerin rolü yalnızca büyüme sağlayacaktır.

Daha fazla okuma için, ayrıntılı olarak inceleyebilirsiniz:0)Analog Cihazları aktif filtre tasarımı üzerinde teknik makale ) ve [[Dönetici:2)Texas Instruments uygulama notu sensörü için filtre tasarımı için filtre tasarıma bakınız).