Question:
Sélection de condensateur pour le filtrage du signal de bas niveau
Arjun
2015-06-27 14:36:06 UTC
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Je suis actuellement confronté à un signal de bas niveau (tensions en milli-volt des capteurs) pour la première fois. On m'a conseillé d'utiliser un circuit de filtrage en plus du filtrage RC que j'ai déjà implémenté. Mais comme je suis nouveau dans le filtrage de signaux de bas niveau, je n'ai pas de connaissances suffisantes sur la sélection des condensateurs.

Pour le filtrage, dois-je utiliser un condensateur céramique normal ou un condensateur quelque chose comme un condensateur en polyester métallisé? Quels condensateurs sont les meilleurs pour le filtrage des signaux de bas niveau?

Les préoccupations concernent la taille du PCB, c'est-à-dire que si j'utilise des condensateurs céramiques (0805, X5R, 0.1uF), la taille du PCB diminuerait de manière significative, mais si j'utilise du polyster métallisé condensateur à film comme celui-ci, il faudrait plus d'espace sur le PCB. Dans quelle mesure une sélection de condensateur affecterait-elle les besoins d'un tel filtrage de signal de bas niveau?

enter image description here

Que voulez-vous filtrer?
diagramme schématique s'il vous plaît?
Quelle est la gamme de fréquences?Vous devez être plus précis sur le type de filtrage que vous souhaitez effectuer.
Le tableau du site suivant (http://www.wima.de/FR/characteristics.htm) vous donne un bel aperçu des caractéristiques des différents diélectriques.En fonction de votre application, vous devez décider quels paramètres sont importants et lesquels ne le sont pas.
Filtrer un très petit signal directement sur l'entrée du frontal analogique est une très mauvaise idée.La "règle de base" pour les très faibles tensions est "d'abord amplifier, puis filtrer".Si vous filtrez d'abord, vous pouvez atténuer le signal au niveau du bruit!
Jetez un œil à [In-Amp Input RFI Protection] (http://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-070.pdf).Vous obtiendrez le plus petit boîtier et les meilleures performances RFI d'un condensateur X2Y intégré à 3 bornes.
@lustful-rat Vous ne voulez pas que les EMI / RFI atteignent le premier étage d'amplification, donc vous avez certainement besoin d'une sorte de filtres sur le signal de bas niveau.Les choses ne fonctionneront tout simplement pas de manière fiable autrement.Si vous n'avez pas le temps de prototyper des choses ou de vous en servir, presque tous les casquettes X2Y seront mieux que rien.
@KubaOber OK, l'utilisation du condensateur X2Y en entrée est bonne pour les EMI / RFI (hautes fréquences) mais sur le schéma ci-joint, il y a un filtre RC passe-bas avec une coupure très basse!La meilleure solution est le filtre LC EMI / RFI (bille de ferrite et seulement quelques nF) sur l'entrée de l'amplificateur puis un gros filtre RC entre l'amplificateur et l'ADC.
@lustful-rat Les résistances en série sont inutiles sauf si les fils sont très longs.Le pont lui-même aura plus de 100 Ohms de résistance de source.Les ponts typiques sont de 350 Ohm.Pour un pont de 350 Ohms, la coupure est de ~ 2 kHz, donc rien de particulièrement fou.
Six réponses:
#1
+10
Andy aka
2015-06-27 15:24:44 UTC
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Cela pourrait vous aider à prendre une décision. Voici les trois types principaux: -

enter image description here

Dans les applications extrêmes, vous devez être conscient que les condensateurs (comme tous les composants) sont impurs; ils ont une résistance série efficace (ESR) et une inductance série efficace. Ils ont également un mécanisme de décharge interne qui dissipe lentement la charge stockée et certains sont meilleurs que d'autres.

Autres choses à surveiller dans les condensateurs en céramique, C0G / NP0 est le meilleur type pour les filtres car ils ont très bonne stabilité en température. Les X7R sont OK si le filtrage n'est pas nécessaire pour être maintenu serré, mais X7R et X5R et d'autres céramiques avec des constantes diélectriques plus grandes (plus de farads par pouce cube) ont une tendance à changer leur capacité avec la tension appliquée et donc dans les filtres mauvaise situation car une variation de la tension continue sur le signal à filtrer pourrait entraîner un réaccord du filtre. Le pire est que pour un gros signal, cette dépendance de la tension peut déformer la forme du signal.


MODIFIER LA SECTION

L'option de condensateur en polyester métallisé ajoutée à la question n'est pas bonne pour faire des comparaisons avec parce qu'il est évalué à 100 volts (donc grand boîtier 2220) et que ce circuit n'a tout simplement pas besoin d'un plafond de cette tension nominale. Comparer ce choix avec celui d'une céramique générique 0805 n'est pas du tout un vrai choix - il serait insensé de ne pas choisir le 0805 dans cette application car la tension qu'il voit est stable en courant continu et même si la capacité dérive un peu avec la température ça ne va pas pour faire un si gros problème.

Je ferai également remarquer que les résistances indiquées (R1 et R2) ne sont probablement pas nécessaires si le "pont" est à quelques centimètres du CAN parce que le pont lui-même aura une valeur efficace de résistance série due aux résistances de pont. Tout point de filtrage basse fréquence est dicté par la résistance du pont et les résistances supplémentaires en série, alors pourquoi s'embêter avec R1 et R2?

J'utilise actuellement quatre cellules de pesée (cellule de pesée à jauge de contrainte demi-pont de 50 kg) qui sont placées aux quatre coins d'un banc carré.Le circuit électronique est au centre du banc indiquant que les cellules de pesée sont à environ 2 pieds du centre.Mais oui, au point où tous les fils (trois fils de chaque cellule de pesée) se rencontrent, forme le pont et ce pont est à seulement 20 mm du filtrage RC et ce filtre RC lui-même n'est pas à plus de 10 mm de l'ADC.Je comprends que je n'utilise pas les résistances, mais si je n'utilise pas ces résistances, je n'obtiens pas de lectures lisses.
Où se situent les condensateurs au tantale dans cette infographie?
@vicatcu - ils ne sont manifestement pas là mais, si vous souhaitez ajouter un peu de substance à votre question, je peux peut-être répondre pourquoi.
@Andyaka désolé, je voulais dire sont-ils regroupés avec l'une de ces classifications montrées, ou sont-ils fondamentalement différents?Dans quelles applications * sont-ils * utilisés?
Les tantales @vicatcu ont tendance à être utilisés dans les circuits de découplage d'alimentation parce que leur tolérance n'est pas si bonne pour les rendre utilisables dans les filtres, mais parfois ils le sont.
#2
+4
Kevin Moore
2015-07-24 14:02:11 UTC
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Tous les circuits électriques nécessitent un équilibre entre les composants. Un composant en affecte un autre. La réponse à votre question sur le filtre passif repose sur des informations sur les composants actifs. Nous allons le parcourir ici.

La fiche technique de la cellule de pesée à jauge de contrainte contiendra des informations sur la sensibilité et la réponse en fréquence de votre cellule spécifique .

Prenons celui-ci par exemple: http://www.phidgets.com/documentation/Phidgets/3132_0_Datasheet.pdf

La première étape consiste à équilibrer la cellule et l'ADC. C'est une condition préalable à la sélection passive.

Cette sensibilité de cellule est de 8mv / V. Cela signifie qu'à une déflexion maximale (780 g de force), vous devriez voir 8 mv / V * 5 V = 40 mv de sortie aux bornes. La première chose que vous devez confirmer est que votre ADC avec un gain interne de 128x mettra à l'échelle ce signal de manière appropriée. Ce gain devrait convertir votre signal à environ 5120 mv dans le pire des cas. Si l'ADC convertit 5V en numérique à pleine échelle, alors vous êtes à peu près là où vous voulez être (car vous n'essayez probablement pas de mesurer les déflexions complètes) Si l'ADC n'avait que 3,3 V de plage d'entrée, vous voudriez apporter une modification. Si vos charges sont si petites que vous savez qu'il y a une tension de travail plus petite que celle que l'ADC peut mettre à l'échelle par lui-même, vous devriez regarder un ampli op différentiel pour obtenir la tension dans la plage correcte pour l'ADC. Supposons que ce n'est pas nécessaire pour le moment.

La prochaine chose à planifier est votre fréquence d'échantillonnage ADC. Une règle empirique simple pour l'échantillonnage consiste à échantillonner à deux fois la fréquence la plus élevée que vous pourriez vouloir mesurer. Ceci est parfois appelé le théorème de Nyquist.

Cette cellule particulière n'a pas de fréquence maximale répertoriée, mais supposons qu'elle est évaluée à 100 Hz. Cela signifie que les composants mécaniques sont suffisamment petits pour pouvoir osciller à 100 Hz ou moins sans devenir non linéaires. Je soupçonne que la plupart des jauges de contrainte sont plus grandes et ont donc une réponse plus faible.

Donc, si vous souhaitez enregistrer des informations sur des signaux à 100 Hz, vous devez échantillonner à 200 Hz et vous devez vous assurer qu'il n'y a pas de contenu de signal supérieur à 100 Hz. Un signal supérieur à 100 Hz peut s'aliaser sur d'autres fréquences. Dans ce cas, 150 Hz ressemblerait à 50 Hz après l'échantillonnage.

Il serait donc bon de concevoir un filtre dont la fréquence de coupure (c'est-à-dire que la moitié de l'énergie, 3 dB, est supprimée) à 100 Hz. La page Wikipédia sur la constante de temps RC montre la formule de fréquence de coupure Fc = 1/2 * pi R C

Donc cela dit que 100 = 1/2 * pi R C donc R * C = 1/2 * pi * 100 = 1.59e-3

Donc, dans ce cas, vous pouvez choisir 0,1 uF et 15,9 kOhms. Cependant, vous devez vous assurer que la résistance de votre série est inférieure à 10% de l'impédance de votre source. Dans cette cellule, l'impédance de la source n'est que de 1000 Ohms, vous devriez donc essayer de maintenir l'impédance série en dessous de 100 Ohms. Faire tomber R à 15,9 Ohms et augmenter C à 100 uF conservera la même RC et la même fréquence de coupure.

Vous connaissez maintenant les caractéristiques idéales des pièces et vous pouvez faire du shopping :)

http://www.digikey.com/product-search/en?pv13=67&FV=fff40002%2Cfff8000b&mnonly=0&newproducts=0&ColumnSort=0&page=1&stock=1&pbfree=1&rohs=1&quantity=0&ptm=0&fid=0&pageSize=25

Ce sont tous les bouchons en céramique de DigiKey qui ont une cote de 100 uF. Votre sélection sera pilotée par la tension nominale. Plus le capuchon est grand, meilleure est la tension de fonctionnement. Vous avez besoin d'une tension de fonctionnement de 5 V, car le signal sera en moyenne d'environ 2,5 V sortant des fils de la jauge, et une marge 2x n'est pas une mauvaise idée. La cote est pour 6V, et comme vous pouvez le voir, cela vous place dans un emballage 1210. Ce n'est pas une mauvaise taille.

L'achat de résistances est plus facile.

Vous pouvez rechercher dans Digikey toutes les résistances à couche mince à 16K avec une tolérance de 1%.

Ils sont aussi petits que 0402. Ici, vous vérifiez la dissipation de puissance. Ceux-ci sont évalués jusqu'à 1/16 W avant de brûler et d'ouvrir le circuit. Votre source à haute impédance alimente probablement un CAN à très haute impédance, donc vos courants vont être de l'ordre des microampères. P = I ^ 2 * R montre que vous n'avez rien à craindre ici. Vous pourriez descendre à 0201 (avec lesquels il est presque impossible de travailler, donc je ne le recommande pas.)

Il est vrai que les passifs ont des propriétés non linéaires qui se manifestent à des fréquences élevées, mais si votre tension jauge et ADC fonctionnent dans les 100 à 1000 Hz, vous n'allez pas les rencontrer.

Il me semble que vous pouvez utiliser la céramique et les résistances à couche mince sur celui-ci.

Il convient de noter que le critère de Nyquist ne garantit que l'absence d'alias.Plus vous vous rapprochez de fs / 2, plus la précision d'amplitude diminue, et à fs / 2, l'erreur d'amplitude dans le pire des cas est de 100%, c'est-à-dire que vous ne mesurez aucun signal.Donc, si vous voulez réellement mesurer un signal de 100 Hz, alors 300 Hz serait le taux d'échantillonnage minimum à utiliser, et vous auriez besoin d'un filtre de reconstruction numérique par la suite pour récupérer l'amplitude.Oui: les échantillons de données brutes peuvent avoir une erreur d'amplitude, mais le signal reconstruit peut avoir une amplitude plus élevée, reflétant l'entrée réelle.
Mais lors de l'échantillonnage à une bande passante 3x, des filtres d'entrée raides sont indispensables, et ils ne sont pas pratiques pour les basses fréquences, sauf si vous concevez un filtre à condensateur commuté d'ordre élevé dans un circuit intégré.Pour le cas d'échantillonnage à 300 Hz, vous auriez besoin d'un filtre qui va de la bande passante à la bande passante entre 100 Hz et 150 Hz.Le comportement de ce filtre a une influence directe sur la précision d'amplitude du signal reconstruit.Pour un échantillonnage 16 bits, cela nécessiterait un rolloff d'environ 200 dB par octave.Cela nécessite un filtre à quartz mems, à moins que l'ADC sigma-delta n'ait un filtre numérique raide (beaucoup le font - c'est facile).
#3
+2
Peter Smith
2015-07-20 14:28:40 UTC
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Une jauge de contrainte est généralement un signal basse fréquence de l'ordre de peut-être quelques centaines de hertz au maximum (il y a, comme toujours, des exceptions, mais c'est vrai pour la majorité des interfaces).

Pour un filtre basse fréquence, les caractéristiques de coupure ne sont probablement pas critiques, donc les céramiques X7R conviendront probablement en supposant que votre température locale ne variera pas beaucoup. Si la température locale varie de manière significative, il serait probablement préférable d'utiliser un type C0G (NPO) qui a effectivement un coefficient de température nul.

Lorsque vous utilisez X7R (qui a une classe 2 diélectrique - voir lien ci-dessus), vous devez vous assurer que la tension nominale de l'appareil est au moins deux fois la tension que vous vous attendez à voir à travers. Cela évite les problèmes dus aux effets de la polarisation CC qui modifie la capacité (vers le bas) avec une polarisation CC accrue.

Notez que la céramique peut également présenter des effets microphoniques, mais à condition de fournir la fréquence d'excitation est faible, ils ne doivent pas interférer de manière significative avec le signal. J'ai récemment fait une interface de jauge de contrainte dans des filtres actifs avec de la céramique C0G et je n'ai eu aucun problème.

Si l'emplacement de votre circuit est dans un environnement à fortes vibrations, un appareil de type polymère peut être plus approprié car la vibration peut amener la céramique à induire un signal (bruit, effectivement) dans la très petite tension produit par la jauge de contrainte.

Dans ce cas particulier, où il y a peu d'ondulations et de basses fréquences, vous pouvez envisager un appareil tantale ou niobium. Ceux-ci ont des densités capacitives élevées et bien qu'ils aient leurs bizarreries, cette application semble presque parfaite.

Sans connaître les détails de votre ADC, je ne peux pas dire si ce filtre doit fournir un anti-aliasing fonction.

L'ADS1230 est un convertisseur Delta-Sigma avec un filtrage étendu, donc votre filtre est simplement la suppression d'artefacts indésirables tels que les bruits parasites, et n'a pas besoin de fournir un anti-aliasing. La fiche technique recommande l'utilisation d'un condensateur sur des broches spécifiques pour réaliser l'anticrénelage (voir page 10, figure 18 de la fiche technique).

J'utilise actuellement ADS1230 20 bits ADC configuré avec un gain de 128.
#4
+1
Cole LaCount
2015-07-21 06:20:54 UTC
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En général, pour filtrer votre question devrait être: pourquoi ne pas utiliser de bouchons en céramique? (Comme ils sont la solution peu coûteuse, fiable et petite).

Utilisez-vous une puissance excessivement élevée ou avez-vous besoin d'une capacité excessivement élevée?

Pensez alors à utiliser des condensateurs électrolytiques en aluminium. (Il ne semble pas que vous l'ayez donc ça devrait aller).

http://www.digikey.ca/Web%20Export/Supplier%20Content/CDE_338/PDF/CDE_AEappGuide. pdf? redirected = 1

Êtes-vous préoccupé par les contraintes mécaniques (vibrations) qui peuvent provoquer l'introduction d'une tension (généralement très faible) à travers le condensateur ou avez-vous besoin d'une réponse en fréquence super linéaire?

Considérons ensuite les condensateurs à film. (Il semble que votre plage de fréquences soit suffisamment basse pour qu'aucun de ces deux éléments ne soit un problème).

Condensateur céramique ou film: lequel est préféré dans les circuits audio?

Sinon, tenez-vous-en aux céramiques, elles sont à usage général pour une raison.

#5
+1
KeithP
2015-07-25 05:26:46 UTC
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Cela me semble être davantage une application CC, telle que la mesure de la déformation à variation lente dans un faisceau ou pour une échelle, plutôt que des oscillations (à cause de la disposition des condensateurs que vous proposez).

Si tel est le cas et que vous essayez de réduire le bruit ou le potentiel EMI dans le circuit, je n'ajouterais pas R1, R2 car les valeurs pourraient être différentes et pourraient changer différemment avec la température et l'humidité, et je n'ajouterais pas non plus C1 et C2 car ils pourraient introduire du bruit à partir des traces au sol, et aller simplement avec C3. C3 doit être un condensateur de fuite très faible car la fuite apparaît comme une résistance à travers le pont, et si cela change, cela peut affecter la mesure. Un condensateur comme le PTFE, un film de polyester métallisé, mais cela peut être excessif pour votre application.

Murata donne des résistances de fuite pour les céramiques d'environ 500 M ohms, ce qui peut être très bon pour votre application. (Considérez-le comme une résistance et voyez si les valeurs extrêmes, par exemple 1Mohm oscillant jusqu'à 1000Mohm, de la résistance contribuent du tout à la mesure). Si une variation extrême de la résistance aux fuites n'affecte pas votre sortie, la céramique est un bon choix, à condition que le tout ne vibre pas.

Film métallisé - résistances aux fuites d'environ 15 000 M ohms http://www.kemet.com/Lists/ProductCatalog/Attachments/109/F3301_R82.pdf

Les mauvais choix pour C3 seraient des condensateurs polarisés tels que électrolytique ou tantale, car la polarité observée par C3 pourrait changer.

Les billes de ferrite sont un bon moyen de réduire les EMI entrant sur les fils et autres, et le blindage avec des bandes métalliques / lisées ou des cages est bon pour la protection des PCB. L'alimentation 5V est probablement votre plus grande source de bruit, il est donc important de caractériser et de réduire ce bruit.

Si vous avez le luxe de mesurer la valeur plusieurs fois, vous pouvez éliminer l'effet du bruit grâce à la moyenne ou à des techniques de filtrage numérique plus sophistiquées qui vous permettront de choisir la fréquence de coin via un logiciel, et bien sûr, la fréquence est limité à la fréquence de Nyquist de l'ADC, donc la moitié de la fréquence d'échantillonnage. Si vous échantillonnez un 1 kHz, alors vous ne pouvez résoudre que des oscillations de 500 Hz dans le signal, des quantités d'interférences RF moins qu'excessives peuvent ne pas être significatives.

Enfin, vous devriez considérer la résolution que vous allez pour sortir de votre ADC, car cela peut être le plus grand facteur limitant de la précision de la mesure. Vous devez avoir une référence de tension pour l'ADC, et si cela varie dans le temps (par rapport à l'alimentation du pont), vous ne pourrez pas comparer les mesures prises à différents moments.

Votre gain sur l'ADC est de 128, donc 5V / 128 = 39mV swing d'entrée avant de frapper dans le rail supérieur. En supposant que vous ayez un ADC 10 bits, alors vous pouvez résoudre 5V / 1024 = 4.88mV par étape, ce qui se traduira par une précision en termes de déformation ou de force. Si votre jauge de contrainte produit une plus grande oscillation pour la gamme de forces que vous cherchez à mesurer, vous devrez peut-être réduire le gain, et par conséquent la précision.

Vous pouvez également envisager d'utiliser un ampli op d'instrumentation avec un intégrateur comme étape d'entrée principale, et laissez-le faire le levage et l'ADC mesure simplement la sortie de l'intégrateur.

Cheers

#6
  0
avl_sweden
2015-06-27 23:53:21 UTC
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Utilisez des bouchons en céramique. Ils sont bon marché, ne s'usent pas et ne vieillissent pas (s'ils sont utilisés dans les spécifications), et n'ont pas de mauvaises propriétés évidentes.

Cependant, ils n'existent pas dans les grandes tailles, ce qui est leur principale limitation Cependant pour filtrer les signaux des capteurs à faible courant, ce n'est souvent pas un problème (je suppose que vos signaux basse tension sont également à faible courant).

Il est probablement sage de choisir des plafonds plus élevés que votre tension nominale avec une certaine marge.



Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 3.0 sous laquelle il est distribué.
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