Фильтр низких частот с критическим затуханием

[electroget]

Для целей фильтрации коллекторного шума сделал ФНЧ 8 порядка с критическим затуханием.



Схема стандартная, 4 каскада по топологии Саллена последовательно, параметры цепей (примерно) как для фильтра Баттерворта, расчетная частота среза для синуса около 60Hz.

Контакты и сигналы.

CPA – Контрольная точка Входа фильтра.
CPB – Контрольная точка выхода фильтра 4-го порядка
CPC – Контрольная точка выход фильтра 8-го порядка.



Первая проверка работы фильтра проводилась сигналом прямоугольной формы, т.к. он содержит в себе все высшие гармоники и пригоден для оценки общей эффективности фильтрации. Измерения проводились на рабочей схеме.
Входной сигнал: меандр уровнем TTL-логики.



Сигналы.

Желтый луч - входной сигнал фильтра
Синий луч - выходной сигнал фильтра
Оба канала с открытым входом.

Результаты измерений.

В результате измерений зафиксировано следующее:

1. ФНЧ 4-го порядка (Контрольная точка CPB) дает затухание по уровню (примерно) -3dB на частоте 50HZ.



2. ФНЧ 8-го порядка (Контрольная точка CPC) дает затухание по уровню (примерно) -3dB на частоте 40HZ.



Вопрос к специалистам по фильтрам высоких порядков.
Почему реальная полоса пропускания фильтра так сильно зависит от порядка?
И вообще, почему баттервортовской по сути фильтр, с увеличением порядка дает такое сильное затухание ближе к верхней границе полосы пропускания?

P.S. Вопрос адресован специалистам по фильтрам, а не специалистам по компьютерным симуляторам.

[HochReiter]

Почему полоса пропускания фильтра так сильно зависит от порядка?

А как она должна зависеть? По результатам расчётов, выполненных на ЭВМ-симуляторе, получается такая картинка:(из книги "Проектирование активных фильтров", авторы Мошиц, Хорн. М. Мир 1984г. Хорошая книга, я до сих пор ей пользуюсь)

Спойлер

с увеличением порядка дает такое сильное затухание в полосе пропускания?

А как должно быть? Тем более, что Баттерворт, как Вы сами сказали, приблизительный, а на фильтрах большого порядка чувствительность к отклонению номиналов тоже большая.

[electroget]

[uquote="HochReiter",url="/forum/viewtopic.php?p=4194431#p4194431"]

Почему полоса пропускания фильтра так сильно зависит от порядка?

А как она должна зависеть?[/uquote]

По моим представлениям, у фильтра Баттерворта очень мало должна зависеть.
Вот то, что у меня получилось, это получилось по характеристике как у фильтра Бесселя.
Цели получить строго определенную АЧХ у меня нет, фильтр делается для фильтрации шума, но непонятно почему получилось так.

[uquote="HochReiter",url="/forum/viewtopic.php?p=4194431#p4194431"]

с увеличением порядка дает такое сильное затухание в полосе пропускания?

А как должно быть? Тем более, что Баттерворт, как Вы сами сказали, приблизительный, а на фильтрах большого порядка чувствительность к отклонению номиналов тоже большая.[/uquote]

Я когда-то делал фильтр Чебышева 4-го порядка для ультразвука, там действительно есть заметная зависимость характеристики от номиналов цепей, но вот в этом случае частоты совсем низкие, не думал, что отклонения номиналов могут настолько сильно влиять.

P.S. Спасибо за ссылку на книгу.

[HochReiter]

Высокие, низкие - не имеет значения до тех пор, пока не начинают сказываться частотные свойства активных элементов и паразитные ёмкости и индуктивности: расчёт идёт для нормированной частоты.

[electroget]

Да, действительно.

[electroget]

Если кому интересно вдруг.
Практическое применение ФНЧ с критическим затуханием для фильтрации коллекторного шума.



Результаты измерений.
Желтый луч - входной сигнал фильтра
Синий луч - выходной сигнал фильтра
Оба канала с закрытым входом.



В результате применения фильтра было убрано более 90% шума. Также было выявлено, что отношение шума к полезному сигналу составляет примерно 10:1.

[HochReiter]

У меня осталось три вопроса: что такое коллекторный шум, для чего его надо фильтровать и какому сигналу он мешает?

[electroget]

[uquote="HochReiter",url="/forum/viewtopic.php?p=4195128#p4195128"]три вопроса: что такое коллекторный шум, для чего его надо фильтровать и какому сигналу он мешает?[/uquote]

1. Шум с коллектора двигателя (двигатель виден на фото - слева на раме). Я снимаю сигнал с шунта в плюсовой цепи коллекторного двигателя постоянного тока.
2. Для того чтоб получить чистый сигнал снятый с шунта.
3. Шум который идёт вместе с сигналом нужно убрать для того, чтоб точно отслеживать мгновенные изменения значения тока двигателя.

[КРАМ]

[uquote="electroget",url="/forum/viewtopic.php?p=4195136#p4195136"]3. Шум который идёт вместе с сигналом нужно убрать для того, чтоб точно отслеживать мгновенные изменения значения тока двигателя.[/uquote]
Любой ФНЧ основан на накоплении и по сути является элементом задержки. Никакого "мгновенного изменения" на его выходе не получить по определению.
Полоса фильтра и определит скорость изменения сигнала.
ЗЫ. Делать ФНЧ высокого порядка на столь низкие частоты на аналоговой схемотехнике нынче может только отъявленный мазохист. Такого рода задача элементарно решается даже не на DSP контроллерах. Да и DSP по нынешним неспокойным меркам - это пять...десять баксов максимум.

[HochReiter]

electroget, покажите сигнал с шунта в растянутом по горизонтали виде. Скорее всего там кратковременный переходной процесс при переходе с одной ламели на другую, а затем ровная площадка. Если так, то отклонения от уровня площадки надо игнорировать, а уж потом фильтровать оставшееся. Так будет точнее/быстрее.

[electroget]

[uquote="HochReiter",url="/forum/viewtopic.php?p=4195513#p4195513"]electroget, покажите сигнал с шунта в растянутом по горизонтали виде.[/uquote]

Осциллограмма при развёртке 1 mS/div



Согласно осциллограмме получается, что период изменения сигнала с коллектора составляет что-то около 5 mS.

[КРАМ]

Вангую, что "шум" к коммутации не имеет никакого отношения...
ЗЫ. Даже невооруженным взглядом видно, что отличие спектра "шума" от спектра пульсаций - минимум 1,5...2 декады. И чтобы получить 20 дБ (10 раз по напряжению, есличо) подавления этого "шума" относительно пульсаций не требуется никаких высоких порядков ФНЧ. Обычный первый порядок даст искомое. Максимум - второй.

[muravei_]

Я использовал фильтр из схемы Л.И.

Моторчик :

"Лохматость" была только во время переключения обмоток.
ОУ УД7 с однополярным 12в (смещение добавил) .

[electroget]

[uquote="muravei_",url="/forum/viewtopic.php?p=4195623#p4195623"]Я использовал фильтр из схемы[/uquote]

У меня задача сложнее. Я не могу сразу отсечь постоянку, как это сделано на вашей схеме. Я сначала пропускаю сигнал через фильтры обработки, а потом делаю следующее: сигнал среднего значения тока использую как опорное для компаратора, сигнал с изменением значения тока отправляю на пиковый детектор. Пиковый детектор, если есть импульсное изменение значение тока, запоминает это значение.

Вот как это на действующем макете:

В центре - тахометр показывающий обороты после редуктора (фактически - скорость маховика)
Левый цифровой индикатор на плате (зелёный) - средний ток через двигатель
Правый цифровой индикатор на плате (красный) - мгновенный ток через двигатель (если он есть)



Только после этого отсекаю от сигнала постоянку, выделяю импульс, нормализую его по уровню и подаю его на второй вход компаратора для сравнения. Когда компаратор начинает срабатывать, то цифровой сигнал с его выхода уходит на дальнейшую обработку в МК.

[HochReiter]

electroget, где Вы такой шум берёте? Он явно не имеет отношения ни к коммутации, ни к коллектору двигателя. И, как уже было сказано, фильтр 8-го порятка - излишество. Вы, наверное, пытаетесь по переходам с одной ламели на другую отслеживать угол поворота вала?

[electroget]

[uquote="HochReiter",url="/forum/viewtopic.php?p=4196154#p4196154"]electroget, где Вы такой шум берёте?[/uquote]

Абсолютно ВСЕ коллекторные двигатели генерят на коллекторе примерно такой же шум. Что вас в этом шуме удивляет?

[uquote="HochReiter",url="/forum/viewtopic.php?p=4196154#p4196154"]electroget Вы, наверное, пытаетесь по переходам с одной ламели на другую отслеживать угол поворота вала?[/uquote]

Нет. Я даже не знаю точно текущие обороты моторчика. Что-то около 1000-1200. Подобрал шестеренки какие были и поставил для макета. Мне нужны только обороты после редуктора 180-200 оборотов в минуту. Примерно с такой скоростью реальный стартер крутит маховик - коленвал реального двигателя внутреннего сгорания. По частоте это соответствует примерно 3-3,5Гц. На такой частоте вращения мне нужно иметь возможность отслеживать импульсные изменения тока двигателя. И этот фильтр такие импульсные изменения должен пропускать на усилитель и компаратор.

Что касается фильтра, то я делал его с запасом и последующей возможностью взять сигнал после любого операционника в зависимости от затухания. Для реального прототипа, наверно возьму после 2-го или после 3-го операционника.

[mickbell]

Я правильно понимаю: этот моторчик у вас работает эмулятором автомобильного стартера? Если да, то это некорректно: у стартера в коллекторе ламелей более чем дохренищщща, а тут всего лишь три, от силы пять. Соответственно, пульсации тока ожидаются существенно разные - как по частоте, так и по амплитуде.

[12943]

Нет, ему не нужны пульсации от перехода ламелей, ему нужны пульсации от тактов сжатия.
Вся эта лабуда заменяется компрессометром за тыщу рупий.

[electroget]

[uquote="mickbell",url="/forum/viewtopic.php?p=4196212#p4196212"]Я правильно понимаю: этот моторчик у вас работает эмулятором автомобильного стартера?[/uquote]

Первый моторчик на раме является эмулятором стартера. Количество ламелей на коллекторе в данном случае не имеет значения. Первый моторчик через редуктор крутит диск и вал которые являются эмуляторами маховика и коленвала. Так же на раме установлен второй моторчик являющийся имитатором механической неисправности двигателя. Этот второй моторчик связан с первым моторчиком механическими шкивам. В определенные такты работы, на второй моторчик кратковременно подаются импульсы напряжения обеспечивающие его кратковременное вращение в направлении противоположном вращению первого моторчика. В результате, в цепи первого моторчика кратковременно возникают импульсы тока наложенные на текущее значение тока. Задача схемы обработки сигнала выделить это импульс определить его значение. При определенном значении такого всплеска тока при прокручивании двигателя стартером, можно косвенно судить о наличии механической неисправности в двигателе.

[mickbell]

[uquote="12943",url="/forum/viewtopic.php?p=4196216#p4196216"]Нет, ему не нужны пульсации от перехода ламелей, ему нужны пульсации от тактов сжатия.[/uquote]Зато помехи от этого количества зависят.
[uquote="12943",url="/forum/viewtopic.php?p=4196216#p4196216"]Вся эта лабуда заменяется компрессометром за тыщу рупий.[/uquote]Ну если оно должно отслеживать только потерю компрессии - то таки да. Кстати, а если все кольца закоксовались или даже полопались - то и пульсация тока будет такая же, как на здоровом движке, не?