ШИМ + активный ФНЧ Баттерворта

[Izy]

Доброго времени суток. Столкнулся с засадой при фильтрации сигнала с ШИМ активным ФНЧ.

Исходное:
1. С помощью ШИМ формирую синусоидальный сигнал. Частота сигнала - 400 Гц, 16 точек дискретизации, частота ШИМ - 50кГц
2. Номиналы:
- R1 = R2 = 10кОм
- С1 = 44 нФ
- С2 = 22 нФ
3. Сигнал подается напрямую с ножки МК, без каких либо подтяжек.
4. Плата фильтра и плата с МК запитываются от 12V
5. Фильтр построен на LM158

Схему активного ФНЧ Баттерворта взял отсюда: http://radiokot.ru/articles/06/
Для расчета номиналов пользовался приведенной в статье формулой, плюс взял формулу и коэффициенты из книги по полупроводниковой схемотехнике.

Засада:
Фильтрации нет от слова совсем. По выходу с фильтра осциллографом снимаю странную ахинею. Сигнал зашумленный, причем размах шума не сильно меньше размаха сигнала.

Эксперименты:
Ставил перед активным пассивный фНЧ с частотой среза 1 кГц. Картина резко менялась, на выходе получал уже нормальную синусоиду, но более чистую, чем с пассивного.

На картинках красный - сигнал на входе активного ФНЧ, желтый - на выходе.

Активный + пассивный ФНЧ


Активный ФНЧ



П.С.
исправил две ошибки:
1. конденсатор С2 был неверного номинала
2. не пропаян конденсатор С2.
Стало лучше, но шумы все равно есть((
после правки(только активный ФНЧ)

[Gudd-Head]

Схему бы....

[Izy]

Схему бы....

для активного ФНЧ взял из статьи.


собственно на плате МК с минимальным обвесом из кондеров, разъема для программатора и линейного стабилизатора напряжения

[Gudd-Head]

для активного ФНЧ взял из статьи

Это понятно. Всё равно нарисуйте схему с питанием и пр.
И ещё, попробуйте подать на выход просто меандр 50 кГц, т.е. ШИМ 50 % постоянно. Скиньте осциллку.

[Izy]

И ещё, попробуйте подать на выход просто меандр 50 кГц, т.е. ШИМ 50 % постоянно. Скиньте осциллку.

вот осцилка. Два сигнала, так как гоняю сейчас 2 активных фильтра параллельно. Отличия в частоте срезу:
красный сигнал - частота = 725,6 Гц
желтый - 427,6 Гц



П.С. со схемой чуть сложнее:)

[Gudd-Head]

вот осцилка.

Ну... по-моему нормальная фильтрация. Не?

[Izy]

Ну... по-моему нормальная фильтрация. Не?

да засада именно в шумах, сейчас грешу на частоту ШИМа.
снизил до 8 точек дискретизацию. вот что вышло(цветовое деление такое же):

сейчас верну обратно пассивный фнч перед активным и наверное так и оставлю, если не пойму, откуда на активном вылезает эта борода.

[balmer]

Дык просто все - ваш ОУ возбуждается на высоких частотах из-за ШИМ. Действительно самый простой вариант - поставить на входе пассивный фильтр.

[Izy]

Дык просто все - ваш ОУ возбуждается на высоких частотах из-за ШИМ. Действительно самый простой вариант - поставить на входе пассивный фильтр.

хм... спасибо, надо идти читать.

[Izy]

Вопрос решился увеличением номиналов резисторов. Помог метод тыка к сожалению, с точки зрения физики процесса не разобрался, хотя мысли есть.
Результат работы выложу, как будет готов источник:)

[Леонид Иванович]

Возбуждается - в данном случае не совсем правильный термин. ОУ имеет ограниченное быстродействие, поэтому с ростом частоты дифференциальное входное напряжение растет. Если входной сигнал имеет высокочастотные составляющие с высоким уровнем (что типично для ШИМ-сигнала), входной каскад ОУ перегружается, сам ОУ начинает вести себя неадекватно. При фильтрации ШИМ первое звено фильтра обязательно должно быть пассивным.

[tiler]

Возбуждается - в данном случае не совсем правильный термин. ОУ имеет ограниченное быстродействие, поэтому с ростом частоты дифференциальное входное напряжение растет. Если входной сигнал имеет высокочастотные составляющие с высоким уровнем (что типично для ШИМ-сигнала), входной каскад ОУ перегружается, сам ОУ начинает вести себя неадекватно. При фильтрации ШИМ первое звено фильтра обязательно должно быть пассивным.

В данном случае, судя по картинкам осциллограмм, как раз именно возбуждается. У LM158 входное дифференциальное напряжение может быть хоть вплоть до напряжения питания.

[Vilsi]

попробуй перед ФНЧ включить повторитель на ОУ

[Леонид Иванович]

У LM158 входное дифференциальное напряжение может быть хоть вплоть до напряжения питания.

Максимально допустимое дифференциальное напряжение - это одно, а напряжение, когда сохраняется работа в линейном режиме - это другое.

[tiler]

У LM158 входное дифференциальное напряжение может быть хоть вплоть до напряжения питания.

Максимально допустимое дифференциальное напряжение - это одно, а напряжение, когда сохраняется работа в линейном режиме - это другое.

Какой такой "нелинейный режим"? Работа ОУ в т.н."нелинейном режиме" вообще не рассматривается, это был бы уже не ОУ.

[Леонид Иванович]

Так и получается. При перегрузке входного каскада ВЧ-компонентами ОУ ведет себя как "не ОУ" - на выходе появляется постоянное смещение, выбросы. Но стоит ограничить спектр входного сигнала пассивной RC-цепочкой, как всё становится на свои места.

[tiler]

Но стоит ограничить спектр входного сигнала пассивной RC-цепочкой

Каким уровнем ограничить?

[Леонид Иванович]

Это зависит от примененного ОУ, его быстродействия и типа входного каскада (JFET или биполярный). На практике перед активным ФНЧ 2-го порядка на LM358, фильтрующим ШИМ с выхода ATmega с тактовой 16 МГц, ставил RC-цепочку с частотой среза порядка 10 кГц. Она данную проблему устраняла.

P.S. Из этой же оперы был аналогичный случай. Как-то попытался вместо обычного ШИМ реализовать на FPGA дельта-сигма модулятор, работающий на тактовой частоте 100 МГц. Выходной сигнал фильтровался пассивной RC-цепочкой и поступал на ОУ LA6510. В результате ОУ перестал работать и начал сильно греться. ВЧ-компоненты, недостаточно ослабленные фильтром, попали на вход низкочастотного ОУ и перегрузили его. Пришлось делать комбинированный ЦАП на основе ШИМ + дельта-сигма, чтобы сместить наиболее мощные компоненты спектра вниз по частоте. В таком варианте все работает нормально.

Такие эффекты сложно рассчитать теоретически. Покаскадно перегрузочная способность, да еще и как функция частоты, в datasheet не приводится. Для аналоговой схемотехники случай, когда на входе может быть мощный сигнал с полосой, намного превышающей рабочую полосу ОУ, является довольно редким.

[tiler]

Это зависит от примененного ОУ, его быстродействия и типа входного каскада (JFET или биполярный).

Вроде, названо четко: LM158

Она данную проблему устраняла.

Правильнее было бы сказать: "Она устраняла проблему возбуждения". И совсем не обязательно по причине перегрузки входа ОУ дифференциальным сигналом.

В таком варианте все работает нормально.

"В таком варианте"- это получается совсем другая схема. И то, что вы тогда приняли за причину неправильной работы, могло оказаться совсем из другой оперы. Вообще, подобных странных примеров из опыта можно приводить много в качестве анекдотов. Мы ведь тех устройств не видели, нюансы ни той, ни другой сборки не знаем, и потому судить о них не можем.

Естественно, редким. Потому что это вообще-то нонсенс с точки зрения схемотехники с ОУ. За этим может скрываться как грубая ошибка, так и какой-то особый случай.


Предлагаю всем желающим ответить на два наводящих вопроса:

1) Есть LM358(с частотой единичного усиления 1Мгц), включен повторителем, питание V+= +12 На вход подаем меандр 10Мгц амплитудой 5V. Что будет на выходе?

2) ШИМ (скажем,для синуса 1кГц) на ATmege с питанием +5 с тактовой 16Мгц. Сигнал какого максимального размаха будет на выходе ШИМ?

[Леонид Иванович]

Вроде, названо четко: LM158

Ну так и я назвал четкую частоту среза цепочки, которая позволит устранить проблему.

Правильнее было бы сказать: "Она устраняла проблему возбуждения".

Не было там никакого возбуждения. На выходе ОУ было лишь постоянное смещение - и всё.

"В таком варианте"- это получается совсем другая схема.

Схема та же, другой спектр сигнала на ее входе.

Потому что это вообще-то нонсенс с точки зрения схемотехники с ОУ.

И я о том же. Попытки фильтровать активным фильтром на основе медленного ОУ высокочастотный ШИМ - нонсенс.

Предлагаю всем желающим ответить на два наводящих вопроса:
1) Есть LM358(с частотой единичного усиления 1Мгц), включен повторителем, питание V+= +12 На вход подаем меандр 10Мгц амплитудой 5V. Что будет на выходе?

На этот вопрос нельзя ответить с помощью datasheet или моделирования. Нужен опыт. Макетка с LM358 и генератор есть под рукой, поэтому ответить могу. Ответ такой: на выходе ОУ будет постоянное напряжение около 200 мВ с остатками искаженного меандра размахом несколько десятков мВ. Еще веселее, если при двухполярном питании ОУ ±12 В на вход подать меандр не 0..+5 В, а 0..-5 В. На выходе ОУ появится постоянное напряжение примерно -4.5 В.

2) ШИМ (скажем,для синуса 1кГц) на ATmege с питанием +5 с тактовой 16Мгц. Сигнал какого максимального размаха будет на выходе ШИМ?

На выходе ШИМ микроконтроллера размах будет практически равен напряжению питания (при условии отсутствия нагрузки), т.е. 5 В. Или имелось в виду не это?