Gürültülü bir sinyal nasıl temizlenir?

Bir yakınlık sensörünün bir ADC okumasından tahrik edilen fan hızı ile bir PIC16F684'ten 4 pimli PWM PC fanını kontrol ediyorum. Hepsi iyi çalışıyor.

Başlangıçta fandan takometre çıkışını kullanmayı planlamıyordum, ancak mevcut olduğu için sadece yakınlık ve fan hızı arasındaki eşlememin çalıştığını görmek için onu kapsamımla izliyorum.

Şimdi, PWM fanı% 100'de çalıştırırken, tach sinyalinin (10K dirençle çekilen açık bir drenaj) güzel ve temiz olduğunu fark ettim:

Ancak,% 100'den az koştuğumda gürültülü:

Bu gürültüyü yakınlaştırma:

PWM sinyalinden etkilendiğini tahmin ediyorum, ancak gelecekte neden gerekirse nasıl temizleyebileceğimi anlamak istiyorum. Gerçekten böyle bir gürültü gördüğünüzde ne yapmanız gerektiği, sebebini nasıl bulduğunuz ve nasıl "düzelttiğiniz" ile ilgileniyorum. Kapsam tamam tetiklemeyi başarır, bu yüzden onu sadece CMOS seviyeli bir Schmitt Tetikleyici girişi olan PIC (RA2) üzerindeki harici kesme pimine besleyip beslemediğimi merak ediyorum, o zaman gürültüyü "görmeyeceğim" ve ben Örneğin, bir LED'i veya başka bir şeyi solması için temiz bir sinyali başka bir pinden çıkarabilir.

Peki birisi genel anlamda gürültülü sinyallerin nasıl tanınacağını ve düzeltileceğini açıklayabilir mi? Ya da bu çok genişse, sadece bu sorun olabilir mi? Ayrıca benim devre ile ilgili bir sorun varsa bilmek de güzel olurdu. Aşağıdaki şemada, görüntülediğim sinyal devrenin solundaki TACH girişi:

GÜNCELLEME
Hem @MichaelKaras hem de @techydude'den faydalı önerilerden sonra, Q2'yi devreden tamamen çıkararak ve fanı doğrudan topraklayarak herhangi bir sorunun kaynağı olarak dışladım. Gürültü üzerinde önemli bir etkisi yoktur.

Bu yüzden RA2'deki harici kesmeyi, bir yedek pimden (bu durumda RA1) "temizlenmiş" bir sinyali yankılamak için kodladım, bu da çok yardımcı oldu, ancak yanlış kesintiler nedeniyle hala titriyordu. (Bu yüzden kesme kenarını yakalamak için kesmeyi ayarlayıp daha sonra tetiklendiğinde düşen kenara geçtim ve tersi, RA1'i buna göre ayarlayıp sıfırladım).

Ancak, R3'e 100nF kapasitör ekledikten sonra (@ techydude'nin önerisinin bir parçası olarak), şimdi çok daha kararlı bir çıkış elde ediyorum. Aşağıdaki ekran görüntüsü, Schmitt Triggered RA2 girişi ve RA1 üzerinde yeniden çıkış ile temizlendikten sonra TACH sinyalidir:

Şemanız hakkında:

Her şey iyi görünüyor, R2'yi 10k veya hatta 100k'ye yükseltebilirsiniz, MOST'un kapasitesi çok küçüktür, FAN, muhtemelen 1M'de bile MOST'daki kapanma gecikmesinden çok daha fazla eğirme ataletine sahip olacaktır. Bu şekilde 100R'nizin konumu önemsizdir ve üzerindeyken hiçbir mA'yi boşa harcamazsınız. Eğer uC'yi sıfırlamada asla tutmazsanız, teknik olarak hiç gerekli değildir, çünkü uC'niz aktif olarak yüksek veya düşük çeker.

PWM sinyali için, veri sayfasının 12V'a kadar harici bir çekmeye izin verip vermediğini görebilirsiniz, ancak her iki şekilde de çok fazla fark yaratacağından şüpheliyim.

Gürültü hakkında:

DÜZENLEME: KHz için planınızı yanlış okudum, eğer düşünürseniz aptalca, Hz. Hikayemin bir kısmı biraz değişecek (örneğin dijital çalışma için MHz'ye ihtiyaç duyma hakkında konuşma), ancak genel fikir hala var.

Tüm yazıyı olduğu gibi bırakacağım, ancak 30kHz gürültülü 100Hz sinyal için,> 5MHz gürültülü 100kHz yerine (ayrıca gerçekten mantıklı değildi, değil mi?), Kapasitörlerle etkileşime giren dirençleri artırabilirsiniz. ve kapasitörleri 50 ila 100 kat artırın. Bu, tüm örneklerde size bir faktör 1000 daha düşük filtreleme frekansı sağlayacaktır. Ancak, 30kHz 100Hz'den çok uzakta olduğu için, daha keskin kenarlar veya ilgilendiğiniz sinyale daha hızlı yanıt için kapasitörleri sadece 10 ila 20 faktör kadar arttırmak da iyidir.

Bu nedenle, bu yayını yüksek frekanslar için yazılmış olarak düşünün ve fikirleri ölçeklendirin, böylece uygulamalarını çok daha kolay hale getirin! (Özellikle 3'te dijital ret.)

Düzenleme Sonu

Gürültü azaltma yöntemleri ile çalışmak için böyle güzel bir kullanım örneği yaptığınızdan, durumunuza uygun olanı yapmaya çalışacağım.

Okuyan herkese dikkat edin:

Bu sadece dijital bir sinyaldeki gürültü ile ilgilidir

Dijital bir sinyalde, yalnızca "açık" ve "kapalı" ile ilgilendiğiniz sadece iki voltaj olduğunu varsayabilirsiniz. Aradaki her şey anlamsızdır ve gürültüye veya yanlışlığa aittir. Analog bir sinyalde, her voltaj seviyesi hakkında bilgi sahibi olmanız ve C, L, vb.Yüklerle gerçek filtreleme yapmanız gerekir.

Sinyalinizdeki bir sorun, yüksek seviyedeki negatif gürültü yükselmelerinin ve düşük seviyedeki pozitif gürültü yükselmelerinin birbirine çok yaklaşmasıdır, bu nedenle ayarlanabilir seviyeye sahip basit bir standart tetikleyici, asla asla alamayacağınızı garanti edemez. Şaşkın.

Seçenekleriniz:

1. Yanlılığı Değiştirin
2. Voltaj Seviyelerini Değiştirme
3. "Yavaş" Histeresiz ekle
4. Gürültüyü Filtrele

1. Yanlılığı Değiştirin:

Pozitif çok düşük negatif ani artışlara sahiptir, çünkü pull-up'ınız gürültüden kazanamaz. Deneyebileceğiniz en kolay şey bu direnci azaltmaktır. Bunun sadece kapalı sinyal üzerindeki ani artışları artırma riski vardır, bu yüzden her zaman işe yaramayabilir. Ancak basit bir histerezis oluşturmak için sivri uçlar arasında biraz boşluk bırakması çok olasıdır.

2. Voltaj Seviyelerini Değiştirin

Fan izin veriyorsa, Tako'yu daha yüksek bir voltaj seviyesine değiştirebilir ve bir ara durum ekleyebilirsiniz:

^{bu devreyi simüle et - CircuitLab kullanılarak oluşturulan şematik}

Şimdi, yüksek ve düşük ani yükselmeler arasında MOST'un her zaman açık olduğundan emin olmak için, negatif ani artışlar olsa ve her zaman kapalı olsa bile, pozitif ani artışlar olsa bile, yeterli alan olabilir. Yeni durumda ayar noktasını elde etmek için bazı diyotlar, zenerler veya dirençler gerekebilir, ancak negatif sinyaldeki sivri oldukları yerde kalırsa, MOSFET'i tetiklememelisiniz, sürece siz 2V altında kapı eşiği olan bir tanesiyle değiştirin.

3. "Yavaş" Histeresiz ekleyin:

Bu, sivri bir gürültü sinyalinin en az ilgilendiğiniz sinyalden daha büyük bir büyüklükte olduğunu bildiğinizde yaygın olarak kullanılan bir numaradır. Sinyali biraz geciktirir, bu nedenle tam anın olduğu durumlarda kullanılamaz. açma / kapama değişikliği önemlidir.

Ancak, sadece şeklini veya frekansını bilmek istediğiniz bir sinyal için, bu çok sağlam bir yöntemdir. Temel olarak eşiği geçen bir voltaj olduğunda tetiklemeye başlar, ancak bu eylemi sadece orada kaldığında tamamlar. Bir tane inşa etmenin birçok yolu var.

Bunu denetleyicide yapabilirsiniz (bileşen sayımında en kolay olanı): Bir kanatta tetikleyebilir, daha sonra gürültü ani yükselmeleri arasındaki yüksekliği görmek için yeterli hızda biraz daha fazla değer örnekleyebilirsiniz, ancak düşük bir sürenin eksikliğini karıştırmayın. Ardından, sinyal ve gürültünüzün bilgisine dayalı olarak önceden tanımlanmış bir karar verirsiniz. Örneğin, 10MHz'de örnekleme yapabiliyorsanız, 50 örnek yakalayabilir ve çoğunluk kuralıyla giderseniz 100kHz'lik en yüksek frekansın göz ardı edilmeyeceğinden emin olabilirsiniz. Yani: aslında düşük olması için en az 25'in düşük olması gerekir. Sivri uçlarınız sadece çok incedir ve çoğu zaman orijinal sinyaldir, bu yüzden işe yarayabilir, ancak çoğunluğun sayısı ayarlanabilir. Bu, 1MHz ve 6 veya 7 örneklerle de çalışacaktır, ancak gerçek bir çoğunluktan daha az olacaktır, bu nedenle yine bazı riskler olabilir.

Harici olarak da yapabilirsiniz: Ama zaten basit bir filtre eklemekten çok daha karmaşıktır, özellikle sonuca zaten girişinde bir miktar histerezisi olan bir uC ile baktığınızda. Ama düşünmek eğlenceli, hadi:

^{bu devreyi simüle et}

U1, uygun herhangi bir Op-Amp veya Kompresördür. Rakipler genellikle daha iyi salınım ile daha iyi anahtarlayıcılardır, ancak alt MHz için iyi ray / ray salınımına sahip bir OpAmp kolayca yapabilir.

Bu tip histerezis, en az bir direnç daha az olacak şekilde inşa edilebilirken, bunun açıklanması daha kolaydır ve bu şekilde değiştirilmesi daha kolaydır.

İlk önce kapasitör olmadan hayal edin:

İlk olarak, direnç bölücünün U1'in çıkışından etkilendiğine bakın, 20kOhm görünen dirençle biraz daha düşük çekecektir. Diyelim ki U1'in pozitif girişi, çıkışı 0 olduğunda aşağı doğru yuvarlanan 1.1V'luk bir voltaj ve çıkışı 5V olduğunda yuvarlanan 3.9V'luk bir voltajdır.

Kararlı durum başlatma Tako Girişi yüksekse, girişin Tako'ya ters çevrilmesi nedeniyle U1'in çıkışı düşük olacaktır. Böylece, negatif giriş, yine ekstra çekme direnci nedeniyle, yaklaşık 2.3V olacaktır. Pozitif giriş sadece 1,1V olduğundan, negatif girişin voltajı daha düşük görmesi ve çıkışın ters çevrilmesi için girişin 2,2V'un altına düşmesi gerekir.

Çıkış ters çevrildiğinde, negatif giriş 3.6V görecektir (bu anda giriş sinyali 2.2V olduğundan, U1 çıkışı 5V'dir, bu nedenle ortaları, 10k dirençler tarafından yapılır) yaklaşık 3.6V'dir, ancak pozitif giriş 1.1V'dan 3.9V'a çevrilmiş olacak, bu nedenle negatif hala pozitif girişin altında ve çıkış 5V kalacak.

Sinyal şimdi hızlı bir şekilde "iptal" edilir ve geri dönerse, U1 çıkışı hızlı bir şekilde tekrar geri döner, ancak daha sonra ani zaten 2.2V'un altına düşmek zorunda kaldı, bu yüzden bu hiç yoktan iyidir.

Sinyal 0'a inerse, istikrarlı durum sadece daha güçlü hale gelir, negatif giriş 2.5V'a düşecektir (FAN'ın takosunun aşağı çekilecek kadar güçlü olduğunu varsaydığımız için) ve pozitif yaklaşık 3.9'da duracaktır. V.

Şimdi çıkışın diğer yöne dönmesi için sinyalin 2.7V üzerine çıkması gerekiyor. Büyük olasılıkla sivri uçlarınızın% 95'i zaten göz ardı edilecektir.

Kondansatörün eklenmesi:

Kondansatör ile gelen sinyalin, kondansatörü şarj etmek veya boşaltmak için yeterli süre için yeterli enerji sağlaması gerekir. Aslında bu zaten bir RC filtresidir. Hızla daralan ve sonra toparlanan herhangi bir ani, kondansatörü deşarj edemez.

C'nin değeri elbette kaynak sinyaline ve gürültü sinyaline bağlıdır. 100kHz kaynak sinyali için top park edilmiş 510pF'ye karşı en fazla 1us spike süresi var, ama gerçekten çok fazla matematik yapmadım, sadece RC-zaman tabanlı bir bağırsak hissi bu işe yarayacak kadar yakın olabilir.

4. Gürültüyü Filtreleyin

Bu biraz bir analog sinyali filtrelemek gibidir. Önceki bölümde anlatıldığı gibi basit bir RC ağı kullanabilirsiniz:

^{bu devreyi simüle et}

Gürültü artışları 1us veya daha az olduğu için, RC zamanı 5us olduğu için kondansatördeki voltajda çok önemli bir değişiklik yapamazlar. Bu, ani yükselişlerdeki enerjinin ortalamaya indirgeneceği anlamına gelir. Sivri uçlarda yüksek tepeler ve düşük düşüşler gördüğünüz için ortalamalar 0V ve 5V'ye çok yakın olabilir, ancak bu sadece daha iyi resimlerle veya sadece bir deneyle söylenebilir. Bir uC pinine beslediğiniz için, RC zamanı muhtemelen yüksek veya düşük olarak görmek için yeterli olacaktır. Bu, çekme direncinin neden olduğu deşarjdan daha yavaş şarj nedeniyle küçük bir bozulma verecektir. Değerlerde bir miktar değişiklik yapılması ihmal edilebilir bir sonuç verebilir.

Bu yeterli değilse, daha fazla bileşen ekleyebilirsiniz, ancak baskın gürültünüz sinyalinizden en az 10 kat daha hızlı olduğunda çok hızlı bir şekilde aşırıya kaçıyorsunuz.

Bazı daha yüksek frekanslı yanları, hatta 10uH'yi düzeltmek için dirençle seri olarak 4.7uH indüktör ekleyebilirsiniz.

Ama dürüst olmak gerekirse, "onu bir uC'ye beslemek" durumunda, türünüze ait bir sinyalde L'leri denemenin tek nedeni, R'nin büyük, C'nin küçük ve L'nin yumuşatmaya yardımcı olduğu bir denge bulmaktır. Bazı kanatlar, böylece R2 / R1 yükselme ve düşme zamanındaki farkı görmezden gelebilecek kadar küçük olacaktır. 33k R1, 150pF C ve 56uH R1 ile seri halinde bir L gibi. Ya da belki de indüktör yerine bir ferrit boncuk, biraz sivri uçlarınızın keskinliğine bağlıdır.

Ama zaten aşırı düşünüyor, diyebilirim.

Fan takosundan böyle bir gürültü yaygındır, çünkü tako çıkışını üreten fandaki devre (genellikle bir Hall Etkisi sensörü içerir) PWM frekansınızda (PWM çıkışınız başka bir şeydeyken) kesilir / kapatılır % 100'den fazla -On), sadece motorun kendisine değil. Elbette bu devrelere beslemeyi düzeltmek için bir kapasitansa sahip olacaklar, ancak örneğin, 12 V fan güç kaynağı verildiğinde, minimum PWM kapanma periyotları arasında birkaç volt korumak için yeterli kapasitans olduğu sürece, her ikisi de Hall'u sürmek için yeterlidir. Efekt sensörü ve tako çıkışını yukarı çekin (fan tako çıkışında kendi pull-up'ını içeriyorsa), kurtarılabilir bir çıkış sinyali sağlamak için. Evet, tedarikini PWM yaparken fanlar dağınık. Bazı fanlar + 12V beslemelerinden ayrı bir PWM hız girişi sunar.

PWM'niz yaklaşık 27kHz gibi görünüyor. Bu özel durumda iyi olan şey,% 100 çıkıştaki tako çıkışınızın yaklaşık 800Hz gibi görünmesidir, ki bu PWM frekansınızın <1 / 30'u kadardır, bu nedenle PWM gürültüsünün çoğundan kurtulmak için bu tako çıkışını filtrelemek kolay ve yapmaya değer. Burada geç kaldım, bu yüzden CBF, kireçlerden geçiyordu, ancak açık tahliye olduğundan ve tako ve + 12V ray (PWM değil) tarafından PWM tarafından taciz edilen çekme besleme voltajınız (fanda) fan tahrik devrenizden çıkış) muhtemelen tako topraktaki bir kapaktan daha iyi bir seçenek olacaktır. İkisini de deneyin ve görün. Uygun voltajda 100n seramik kapakla başlayın ve nasıl göründüğüne bakın.

PIC üzerinde bir Schmigger girişi ile, bu tako çıkışını PIC'inize koymadan önce herhangi bir filtreleme yapmadan bile kurtulabilirsiniz, ancak temizlemeye doğru uzun bir yol kat etmenizi sağlayacak bu frekans farkına sahipsiniz. yukarı.

Tako sinyalini fandan tutmanızla ilgili olası bir sorun: fan dahili olarak 10k ile +12'ye kadar çekiyorsa (bazıları yapar, bazıları yapmaz) ve aynı zamanda tako sinyalini + 5V ray, o zaman aslında onu aşağı çekiyorsun! Fan besleme voltajına, çekme kuvvetinin ne kadar güçlü olduğuna bağlı olarak, bununla başa çıkmak için çeşitli devre konfigürasyonları vardır, vb. Multimetrenizle ölçmeye çalışın ve bize bildirin.

TACH sinyalindeki olası gürültü kaynağı, IRF150 FET'in yeterince düşük bir AÇIK empedansı olmamasından kaynaklanıyor olabilir. Bunun nedeni, FET RdsON'un oldukça yüksek olması veya FET'in sağlanan kapı sürücü voltajında ​​tam olarak AÇIK olmaması olabilir.

FAN akımı PWM sinyali ile açılıp kapandığında, FET direncinde bir düşüş olacaktır, bu da fanın "GND" referansının yukarı ve aşağı çarpmasına ve TACH sinyalinde görülen gürültüye çevrilmesine neden olur.

FET tahliyesine kapsam GND elektrodunu koyarak TACH sinyaline bakarak tarif ettiğim etkinin durumunun geçerli olup olmadığını kontrol edebilirsiniz. Sinyal çok daha temiz görünecektir.

Çözüm, sisteminizin sağladığı bir geçit sürücüsü ile birlikte sağlandığında çok daha düşük RdsON'a sahip bir FET seçmek olacaktır.

Olası başka bir fikir, fanın GND kablosu yerine + 12V kablosunu değiştirmek için bir P-FET kullanmaktır.

Kullandığınız kapı direnci düzenlemesinin potansiyel kapı sürücünüzün bir kısmını kaybetmenize neden olduğunu unutmayın. 1K direncini 100ohm'un diğer tarafına taşıyın.

Bu düşük geçişli bir filtre işi gibi geliyor. Faydalı sinyali f _{1 ile} yaklaşık 1 kHz arasında tutmanız ve rahatsız edici sinyali f ₂ ile 25 kHz civarında kaldırmanız gerekir . Kesme frekansı, f ₁ ve f _2'nin geometrik ortalaması olarak seçilebilir (yetersiz ama basit):

f _c = sqrt (1 * 25) = 5 kHz.

Basit bir RC filtresi varsayarak yeterli olması ve zaten TACH devresi (R direncine sahip olacak ₃ = 10 kOh), uygun bir kapasitör değeri 5 kHz eşleşecek şekilde hesaplanmalıdır zaman önermiştir :

C = 1 / (2 * pi * fc * R) = 1 / (6.28 * 5000 * 10000) = 3.2 * ^10-9 F.

Yani yapmanız gereken tek şey TACH hattı ile toprak arasına 3nF kapasitör lehimlemek. Uygulamanız için yeterli olması gereken yüksek frekanslı gürültüyü 20 veya daha fazla faktör azaltacaktır.