Selección de condensador para filtrar señales de bajo nivel

Todos los circuitos eléctricos requieren equilibrio entre los componentes. Un componente afecta a otro. La respuesta a su pregunta sobre el filtro pasivo se basa en información sobre los componentes activos. Vamos a caminar a través de aquí.

La hoja de datos de la celda de carga del medidor de tensión tendrá información sobre la sensibilidad y la respuesta de frecuencia de su celda específica.

Toma esta por ejemplo: enlace

El primer paso es equilibrar la celda y el ADC. Este es un requisito previo para la selección pasiva.

Esta sensibilidad celular es de 8mv / V. Esto significa que a la máxima deflexión (780 g de fuerza) debería ver 8mv / V * 5V = 40 mv de salida a través de los terminales. Lo primero que debe confirmar es que su ADC con una ganancia interna de 128x escalará esta señal de manera apropiada. Esa ganancia debería convertir su señal a aproximadamente 5120 mv en el peor de los casos. Si el ADC convierte 5V a digital de escala completa, entonces usted está donde quiere estar (porque probablemente no está tratando de medir las deflexiones completas) Si el ADC tenía solo 3.3V de rango de entrada, querría hacer una modificación. Si sus cargas son tan pequeñas que sabe que hay un voltaje de trabajo menor al que el ADC puede escalar por sí solo, debe mirar un amplificador operacional diferencial para obtener el voltaje en el rango correcto para el ADC. Supongamos que no es necesario por ahora.

Lo siguiente a planear es su frecuencia de muestreo de ADC. Una regla de oro simple para el muestreo es muestrear al doble de la frecuencia más alta que podría querer medir. Esto a veces se llama el teorema de Nyquist.

Esta celda en particular no tiene una frecuencia máxima listada, pero supongamos que tiene una clasificación de 100 Hz. Esto significa que los componentes mecánicos son lo suficientemente pequeños como para que puedan oscilar a 100 Hz o menos sin ser no lineales. Sospecho que la mayoría de los medidores de tensión son más grandes y, por lo tanto, tienen una respuesta más baja.

Por lo tanto, si desea registrar información sobre señales de 100 Hz, debe muestrear a 200 Hz y debe asegurarse de que no haya contenido de señal por encima de 100 Hz. La señal por encima de 100Hz puede alias a otras frecuencias. En este caso, 150 Hz se verían como 50 Hz después del muestreo.

Por lo tanto, sería bueno diseñar un filtro que tenga una frecuencia de corte (lo que significa que se elimina la mitad de la energía, 3 dB) a 100 Hz. La página de Wikipedia en RC Constante de tiempo muestra la fórmula de frecuencia de corte Fc = 1/2 * pi R C

Así que esto dice que 100 = 1/2 * pi R C así que R * C = 1/2 * pi * 100 = 1.59e-3

Entonces, en este caso, puede elegir 0.1 uF y 15.9 kOhms. Sin embargo, debe asegurarse de que la resistencia de su serie sea inferior al 10 por ciento de su impedancia de fuente. En esta celda, la impedancia de la fuente es de solo 1000 ohmios, por lo que debe intentar mantener la impedancia en serie por debajo de los 100 ohmios. Si se baja R a 15.9 ohmios y se aumenta C a 100 uF, se mantendrán el mismo RC y la misma frecuencia de corte.

Ahora ya sabe las características ideales de las piezas y puede ir de compras :)

enlace

Estas son todas las tapas de cerámica en DigiKey que tienen una clasificación de 100 uF. Su selección será impulsada por la tensión nominal. Cuanto mayor sea la tapa, mejor será la tensión de trabajo. Necesita un voltaje de trabajo de 5 V, ya que la señal tendrá un promedio de alrededor de 2,5 V que sale de los cables del medidor, y un margen de 2x no es una mala idea. La calificación es para 6V, y como puede ver, eso lo coloca en un paquete 1210. Eso no es un mal tamaño.

Comprar resistencias es más fácil.

Puede buscar en Digikey todas las resistencias de película delgada a 16K con una tolerancia del 1%.

Estos son tan pequeños como 0402. Aquí está comprobando la disipación de energía. Estos se clasifican en hasta 1/16 W antes de quemar y abrir el circuito. Su fuente de alta impedancia probablemente esté alimentando un ADC de muy alta impedancia, por lo que sus corrientes estarán en el rango de microamperios. P = I ^ 2 * R muestra que no tienes nada de qué preocuparte aquí. Podría bajar a 0201 (con lo que es casi imposible trabajar, por lo que no lo recomiendo).

Es cierto que los elementos pasivos tienen propiedades no lineales que se manifiestan a altas frecuencias, pero si su galga extensiométrica y su ADC funcionan en el rango de 100 a 1000 de Hz, no los encontrará.

A mí me parece que puedes usar cerámicas y resistores de película delgada todo el tiempo en este caso.

Esto podría ayudarte a decidir. Estos son los tres tipos principales: -

Enaplicacionesextremas,debetenerencuentaqueloscondensadores(comocualquiercomponente)sonimpuros;tienenunaresistenciaenserieefectiva(ESR)yunainductanciaenserieefectiva.Tambiéntienenunmecanismodedescargainternoquedisipalentamentelacargaalmacenadayalgunossonmejoresqueotros.

Otrascosasatenerencuentaenloscondensadoresdecerámica,C0G/NP0eselmejortipoparafiltrosporquetienenunamuybuenaestabilidaddetemperatura.X7Restábiensielfiltradonoesnecesarioparamantenerloapretado,peroX7RyX5Ryotrascerámicasconconstantesdieléctricasmásgrandes(másfaradiosporpulgadacúbica)tienenunatenenciaparacambiarsucapacitanciaconelvoltajeaplicado,porloqueenlosfiltrosestopuedeserunmalasituacióndebidoaqueuncambiodevoltajedeCCenlaseñalquesefiltrapuederesultarenunreajustedelfiltro.Lopeoresque,paraunaseñalgrande,estadependenciadelvoltajepuededistorsionarlaformadelaseñal.

EDITARSECCIÓN

Laopcióndecondensadordepoliéstermetalizadoqueseagregaalapreguntanoesbuenaparahacercomparaciones,yaquetieneunacapacidadnominalde100voltios(porlotanto,unpaquetegrandede2220)yestecircuitosimplementenonecesitaunlímitedeesaclasificacióndevoltaje.Compararestaopciónconladeun0805decerámicagenéricanoesunaopciónrealenabsoluto.Seríaunatonteríanoelegirel0805enestaaplicaciónporquelatensiónqueveesdcestableeinclusosilacapacitanciafluctuaraunpococonlatemperaturaparahacerungrannegocio.

Tambiénseñalaréquelasresistenciasmostradas(R1yR2)probablementenoseannecesariassiel"puente" está a unas pocas pulgadas del ADC porque el puente en sí tendrá un valor efectivo de resistencia en serie debido al puente resistencias Cualquier punto de filtrado de baja frecuencia viene dictado por la resistencia del puente y los resistores de serie adicionales, ¿por qué molestarse con R1 y R2?

Un medidor de tensión es generalmente una señal de baja frecuencia en el orden de unos pocos cientos de hertz (como siempre, hay excepciones, pero esto es cierto para la mayoría de las interfaces).

Para un filtro de baja frecuencia, las características de corte probablemente no sean críticas, por lo que X7R cerámica probablemente estará bien Suponiendo que su temperatura local no va a variar mucho. Si la temperatura local variará significativamente, probablemente sería mejor usar un tipo C0G (NPO) que tenga un coeficiente de temperatura efectivo de cero.

Al usar X7R (que tiene un dieléctrico de clase 2; consulte el enlace anterior), debe asegurarse de que la tensión nominal del dispositivo sea al menos el doble de la tensión que esperaría ver a través de él. Esto evita problemas debido a los efectos del sesgo de DC que cambian la capacitancia (baja) con un aumento de DC sesgo.

Tenga en cuenta que la cerámica también puede exhibir efectos microfónicos, pero siempre que la frecuencia de excitación sea baja, no deben interferir significativamente con la señal. Hace poco hice una interfaz de medidor de tensión en filtros activos con cerámica C0G y no tuve ningún problema.

Si la ubicación de su circuito se encuentra en un entorno de alta vibración, entonces un dispositivo de tipo polímero puede ser más adecuado, ya que la vibración puede hacer que la cerámica induzca una señal (ruido, efectivamente) a la muy pequeña tensión producida por la tensión. calibre.

En este caso particular, donde hay poca ondulación y bajas frecuencias, puede considerar un tantalum o niobium dispositivo. Estos tienen altas densidades capacitivas y, aunque tienen sus peculiaridades, esta aplicación parece casi perfecta.

Sin conocer los detalles de su ADC, no puedo comentar si este filtro debe proporcionar un antialiasing función.

El ADS1230 es un convertidor Delta-Sigma con un extenso filtro, por lo que su filtro es simplemente la eliminación de artefactos no deseados como el ruido no esencial, y no necesita proporcionar suavizado. La hoja de datos recomienda el uso de un condensador a través de pines específicos para lograr el suavizado (consulte la página 10, figura 18 de la hoja de datos).

En general, para filtrar su pregunta, ¿por qué no debería usar tapas de cerámica? (Como son la solución barata, confiable y pequeña).

¿Está utilizando un poder excesivamente alto o necesita capcitance excesivamente alto?

Entonces considera usar condensadores electrolíticos de aluminio. (No parece que estés, así que deberías estar bien).

enlace

¿Le preocupa la tensión mecánica (vibraciones) que puede causar que se introduzca voltaje (generalmente muy pequeño) a través del capacitor o necesita una respuesta de frecuencia súper lineal?

Entonces considera los condensadores de película. (Parece que su rango de frecuencia es lo suficientemente bajo como para que ninguno de estos deba ser un problema).

Ceramic vs. Film Capacitor : ¿Cuál es el preferido en los circuitos de audio?

De lo contrario se adhieren a la cerámica, son un propósito general por una razón.

Me parece que se trata más de una aplicación de CC, como medir la tensión cambiando lentamente en un haz o en una escala, en lugar de las oscilaciones (debido a la disposición de condensadores que está proponiendo).

Si ese es el caso, y está intentando reducir el ruido o el potencial de EMI en el circuito, no agregaría R1, R2 porque los valores podrían ser diferentes y podrían cambiar de manera diferente con la temperatura y la humedad, y también no agregue C1 y C2, ya que podrían introducir ruido de las trazas del terreno, y simplemente ir con C3. C3 debe ser un capacitor de fuga muy bajo porque la fuga aparece como una resistencia a través del puente, y si eso cambia puede afectar la medición. Un capacitor como PTFE, película de poliéster metalizado, pero esto puede ser excesivo para su aplicación.

Murata proporciona resistencias de fuga para cerámicas de alrededor de 500M ohms, lo que puede ser bastante bueno para su aplicación. (Considérelo como una resistencia y vea si los valores extremos, por ejemplo, 1 Mohm que oscila hasta 1000Mohm, de la resistencia contribuyen en absoluto a la medición). Si un cambio extremo en la resistencia a las fugas no afecta su salida, entonces la cerámica es una buena opción, siempre y cuando todo no esté vibrando.

Película metalizada: resistencias de fuga alrededor de 15000M ohmios enlace

Las malas elecciones para C3 serían condensadores polarizados como electrolíticos o tantalio, porque la polaridad vista por C3 podría cambiar.

Las perlas de ferrita son una buena manera de reducir la entrada de EMI en los cables, y el blindaje con cintas o jaulas de metal / lizado es bueno para la protección de PCB. El suministro de 5 V es probablemente su mayor fuente de ruido, por lo que caracterizar y reducir ese ruido es importante.

Si tiene el lujo de medir el valor muchas veces, entonces puede eliminar el efecto del ruido a través del promedio, o técnicas de filtrado digital más sofisticadas que le permitirán elegir la frecuencia de la esquina a través del software y, por supuesto, la frecuencia. se limita a la frecuencia de Nyquist del ADC, por lo que la mitad de la frecuencia de muestreo. Si muestrea un 1kHz, entonces solo puede resolver oscilaciones de 500Hz en la señal, las cantidades de interferencia de RF menos que excesivas pueden no ser significativas.

Por último, debe considerar la resolución que obtendrá de su ADC, ya que puede ser el factor limitante más importante para la precisión de la medición. Debe tener una referencia de voltaje para el ADC, y si eso varía con el tiempo (en relación con el suministro del puente), no podrá comparar las mediciones tomadas en diferentes momentos.

Su ganancia en el ADC es 128, por lo que 5V / 128 = 39mV de giro de entrada antes de golpear el riel superior. Suponiendo que tiene un ADC de 10 bits, entonces puede resolver 5V / 1024 = 4.88mV por paso, lo que se traducirá en una precisión en términos de tensión o fuerza. Si su medidor de tensión hace un swing más grande para el rango de fuerzas que está buscando medir, es posible que tenga que reducir la ganancia y, en consecuencia, la precisión.

También puede considerar el uso de un amplificador operacional de instrumentación con un integrador como etapa de entrada primaria, y dejar que haga el levantamiento y el ADC simplemente mida la salida del integrador.

Saludos

Utilice tapas de cerámica. Son muy baratos, no se desgastan ni envejecen (si se usan dentro de las especificaciones) y no tienen propiedades malas obvias.

Sin embargo, no existen en tamaños grandes, que es su principal limitación. Sin embargo, para filtrar las señales de los sensores de baja corriente, esto no suele ser un problema (supongo que las señales de baja tensión también son de baja corriente).

Probablemente sea prudente elegir límites con un margen superior a su voltaje nominal.