Problemas con la configuración del disparador Schimtt para entradas sinusoidales variables

ingrese la descripción de la imagen aquí

Para que mi problema sea más fácil de describir, dibujé las figuras anteriores (abreviadas como Fig.).

La entrada sinusoidal proviene de un dispositivo giratorio, de un pequeño alternador (un generador de CA de imán permanente).

Mi objetivo es convertir estas entradas sinusoidales entrantes en pulsos con buenos bordes afilados como en la Fig. B. Un hardware DAQ leerá estos pulsos para obtener las frecuencias...

Como ve arriba, la Fig. A es la entrada al circuito disparador Schmitt (Fig. D). La entrada tiene algo de ruido y su frecuencia varía entre 4Hz hasta 20Hz y su amplitud varía desde 1V hasta 12V. Entonces, la entrada variará en este rango y quiero que el circuito funcione en cualquier escenario en este rango.

Mi problema es que mi circuito funciona perfectamente en la simulación, pero a veces falla en la vida real. Algunas salidas resultan como en la Fig. C al azar. No recuerdo si esto sucedía bajo determinadas entradas. Pero tanto la frecuencia como la amplitud aumentan con la velocidad de rotación de este alternador.

¿Cómo puedo solucionar este problema aquí? Hice una pregunta relacionada antes, pero como no pude proporcionar suficientes datos, no pude encontrar una solución. La única sugerencia fue elegir C2 como 10uF y conectar el extremo negativo de esta tapa a la señal de entrada, ya que según la sugerencia, la entrada provenía de un alternador.

Si utilizo otro disparador Schimtt como cascada a la salida de este los pulsos se vuelven menos ruidosos. Pero un pulso como el de la Fig. C parece muy problemático. Es porque los límites de activación superior e inferior de este circuito no están dispuestos para el rango de entrada. Realmente necesito ayuda en este momento y estaría muy contento por cualquier sugerencia de ajuste en este circuito.

Me parece que necesita filtrar su señal de paso bajo antes de enviarla a su disparador schmitt. Si la amplitud del ruido en la señal es mayor que el umbral de activación de Schmitt, obtendrá esos pequeños pulsos alrededor del punto de umbral.
filtro RC? ¿Alguna idea de elegir el valor límite típico y el lugar para insertar? gracias
¿Qué tan rápido (es decir, cuál es el ancho en segundos) de su pulso 'runt'?
Ahora mismo estoy en casa y no lo he medido, pero era más corto que en la Fig. C, tal vez 2,5 ms, pero no estoy seguro. ¿Podemos simplemente llamarlo X y dar más detalles sobre eso?

Respuestas (2)

Tienes mucha razón.

El problema básico es que el ruido es mayor que su rango de histéresis. Las soluciones obvias son reducir el componente de ruido y aumentar el rango de histéresis. En este caso, hacer ambas cosas parece apropiado.

Usted dice que la frecuencia más alta de interés es 20 Hz. Eso significa que puede eliminar con seguridad las frecuencias por encima de eso, ya que sabe que no son parte de la señal real. Su rastro muestra un ruido de alta frecuencia significativo, que un filtro RC simple debería poder atenuar muy bien.

Dado que su entrada tiene una impedancia de aproximadamente 5 kΩ, una resistencia de 1 kΩ seguida de un capacitor a tierra de 4.7 µF debería ayudar mucho. Este filtro iría a la izquierda de C2. 1 kΩ y 4,7 µF tienen una atenuación de 34 Hz, por lo que no interfiere con su señal real. Debería ver una diferencia significativa en la señal solo con esto.

El siguiente paso es ajustar la histéresis. Tiene una retroalimentación de 220 kΩ contra 2,35 kΩ, es decir, 1,06 %. La oscilación de salida es de 24 V, por lo que equivale a una histéresis de 254 mV. Dado que su amplitud mínima es de 1 V, puede duplicarla a 500 mV para obtener más inmunidad al ruido. La forma más sencilla de hacerlo es cambiar R1 de 220 kΩ a la mitad o alrededor de 110 kΩ.

Nuevamente, tuviste la idea correcta y en realidad estuviste bastante cerca. Los únicos cambios son agregar un filtro de paso bajo en la entrada y duplicar la histéresis.

Agregado

Estaba apurado anoche cuando escribí la respuesta anterior. Ahora estoy mirando tu circuito más de cerca. Lo que tienes, con los cambios descritos anteriormente, debería funcionar bien. Sin embargo:

  1. R7 y R6 no tienen sentido. Tampoco hacen mucho daño, excepto un poco de carga innecesaria en el amplificador operacional que podría no permitir que se balancee tan lejos de los rieles como podría. Deshazte de ellos.

  2. R9 y R10 parecen muy altos. ¿Está seguro de que lo que sigue a este circuito está bien con la señal que tiene una impedancia de 50 kΩ? No he buscado lo que puede manejar este opamp, pero probablemente mucho menos de 200 kΩ.

Añadido 2

Alguien mencionó en un comentario que U1 es en realidad un comparador con salida de colector abierto. En ese caso, necesita un pullup, como R7, pero un pulldown como R6 todavía no tiene sentido. Un opamp o comparador con salidas push/pull sería más fácil de usar. Entonces no tiene la impedancia de salida asimétrica entre alta/baja del colector abierto, lo que facilita el ajuste de la retroalimentación de histéresis.

También se puede hacer que lo que tienes funcione, pero ahora debes pensar en estos temas por tu cuenta. Ya he dedicado suficiente tiempo a este problema.

¡Muchas gracias por las buenas sugerencias! Solo una cosa más. Es posible que necesite que Vcc sea de 12 V. ¿Qué recomendaría que sea R1 en ese caso para la inmunidad al ruido? Simplemente no sé cómo calculaste esto y tengo un poco de prisa para implementarlo. Gracias.
Como la salida del comparador es de colector abierto, la oscilación de voltaje es solo la mitad del voltaje de suministro. Para obtener un swing de salida completo, debe eliminar R6.
@Bruce Abbott ok, lo quitaré. Pero R7 es 10k, ¿debería cambiar R9 y R10 también? También me sugirió que eligiera C2 como 10uF y conectara el extremo negativo de esta tapa a la señal de entrada, ya que la entrada provenía de un alternador. Esto todavía se mantiene ¿verdad? Solo agregaré un filtro RC a la derecha de esta tapa como sugiere Olin. ¿El extremo negativo de esa tapa también debería estar conectado a la entrada?
R7, R9 y R10 están bien como están. Coloque el filtro RC de paso bajo entre la unión de C2/R2/R4 y la entrada inversora (-) del comparador. C2 aún debe tener su extremo -ve en el generador y su extremo +ve en R2/R4. Esto es necesario para polarizar el capacitor con la polaridad correcta.
@BruceAbbott Lo que no entiendo es que el alternador tiene una oscilación de hasta +-12.8V y C2 proporciona una compensación de CC como Vcc/2 tanto en la simulación como en la medición. Entonces, el voltaje a la entrada del comparador puede exceder Vcc. ¿Es eso un problema? Probé este circuito con 5V Vcc y obtuve pulsos desiguales en algunas amplitudes. ¿Debería Vcc > Valternator_max + Vcc/2? ¿Estás de acuerdo?
También probé el caso Vcc 5V con el generador de funciones s, después de algunas frecuencias veo pulsos irregulares. ¿Debe Vcc ser superior a 24V?
En su pregunta anterior dijo que las amplitudes pueden variar de 100mV a 2V. Aquí nos muestra una forma de onda de "amplitud de 1 V a 12 V" con mucho ruido pero sin escala, por lo que no sabemos qué tan grande es. ¡Ahora la amplitud es "hasta +-12.8V"! El comparador no funcionará correctamente si el voltaje de entrada excede su rango de modo común (0V a Vcc-2V). Puede limitar la amplitud de entrada con una resistencia en serie seguida de diodos Zener consecutivos del voltaje adecuado (por ejemplo, 2,4 V para 5 V CC) que van a tierra. Para un rango de entrada máximo, los voltajes de "compensación" (polarización) deben establecerse en (Vcc-2)/2.
@Olin Lathrop Sin R7, la salida del circuito es totalmente diferente, no suba al voltaje del riel. Eliminaré R6. R9 y R10 forman un divisor de voltaje para un DAQ que tiene una impedancia de entrada de 1 Gohm. La salida de U1 es demasiado alta para la entrada DAQ, por lo que quería reducir a la mitad el voltaje de salida. ¿Crees que R9 y R10 son muy altos? ¿Qué recomendarías en este caso? Por cierto, la razón por la que no puedo bajar el voltaje del riel de este circuito es porque la señal de entrada a la entrada inversora excede el voltaje del riel. También tengo problemas para bajar la señal de entrada al principio. Así que pensé que esa era la única manera.
@BruceAbbott Usted escribió: "Coloque el filtro RC de paso bajo entre la unión de C2/R2/R4 y la entrada inversora (-) del comparador". Pero Olin Lathrop escribió en su respuesta "Este filtro iría a la izquierda de C2". Estoy confundido, ¿importa dónde está y por qué?
Puede ir en cualquier posición, pero a la izquierda de C2 la impedancia es de solo 5k, por lo que necesita una R más baja y una C más alta para evitar la atenuación. Puede que esto no sea un problema ahora que ha aumentado el límite de amplitud baja de 100 mV a 1 V.
@BruceAbbott gracias por la respuesta. Solo una cosa más. En mi circuito, el voltaje de referencia a la entrada positiva y los voltajes de polarización se establecen mediante resistencias iguales. Ya que mi preocupación era no exceder el voltaje del riel. ¿Puedo usar diferentes divisores de voltaje para reducir la entrada y el voltaje de referencia? Estoy hablando de R3 R3 R4 R5. Entonces no tienen que reducir a la mitad el voltaje del riel, ¿verdad?
R2/R4 y R3/R5 establecen los voltajes de polarización para las entradas del comparador, que idealmente deberían estar en el medio de su rango de modo común. Para atenuar la entrada, necesita una resistencia en serie antes de R2/R4. Como el equivalente de Thevenin de R2/R4 es 5k, una resistencia de 5k en serie con la entrada reduciría a la mitad la oscilación de voltaje.

Su histéresis es demasiado baja: la resistencia de 220 kΩ es demasiado alta.

Hay una buena calculadora en Random Science Tools y la captura de pantalla a continuación muestra los resultados para la histéresis de 0,6 V.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Figura 1. Captura de pantalla de Random Science Tools.

Actualizar

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Figura 2. Protección contra sobrevoltaje de entrada con opción de filtro de paso bajo (C2).

¿Cómo explica eso a los enanos? El comparador debería terminar en el mismo valor cada vez.
Si la histéresis es demasiado baja, activará el ruido de forma intermitente. ¿Crees que me estoy perdiendo algo más?
@ laptop2d ¿También está de acuerdo en que el extremo negativo C2 debe conectarse a la entrada como en mi circuito? Esto fue sugerido por otro usuario en otra pregunta. El autor de la sugerencia afirmó que, dado que la entrada proviene del alternador, esa es la razón por la que conecté el C2 de esa manera. ¿También estás de acuerdo con esto? La razón por la que pregunto es que quiero eliminar otros posibles factores.
Debe verificar su Vcc\vref si aún no lo ha hecho. Y obtenga un multímetro y vea si la corriente CA a través de R10 está cerca de 0
@user16307: C2 no introducirá ruido, pero es un capacitor polarizado y podría dañarse si se inserta con la polaridad incorrecta. Simplemente verifique el voltaje de CC a través de él e inviértalo si es necesario.
@ laptop2d: Tu consejo es confuso. (1) No hay ningún punto "Vref" en el esquema. (2) No puede medir la corriente a través de R10. Puede medir el voltaje o la corriente a través de R10, pero tampoco será CA ya que el amplificador operacional no tiene fuente de alimentación de riel dividido. ¿Qué se supone que el usuario debe aprender de la medición?
El alternador tiene una oscilación de hasta +-12,8 V y C2 proporciona una compensación de CC de Vcc/2 tanto en la simulación como en la medición. Entonces el voltaje a la entrada del comparador ¨se convierte en Vcc/2 + V_alternador y esto puede exceder Vcc en altas velocidades de rotación. ¿Es eso un problema? Probé este circuito con 5V Vcc y obtuve pulsos desiguales en algunas amplitudes. ¿Debería Vcc > Valternator_max + Vcc/2? ¿Estás de acuerdo?
Creo que esos pulsos gemelos ocurren cuando el voltaje del riel es más bajo que la entrada
@transistor Lo siento cuando dije Vref, me refería al voltaje en la figura 1. Cuando digo corriente, quise decir voltaje, pero estaba pensando en corriente. V/R10 = yo
@transistor ¿Es esta calculadora para entradas conocidas? Mis entradas no son las mismas, pueden estar entre 1 V CA hasta 12,8 V CA.
@user16307: Es para umbrales específicos. Usted decide en qué niveles desea que cambie el gatillo, póngalos en la calculadora y presione Calcular . Como indicó una señal de 1 V pp, elegí 0,3 V por encima y por debajo de su punto medio. Eso fue todo lo que calculé que podrías alcanzar con un poco de margen.
@transistor Lo siento, no entiendo esto. ¿Funcionaría bien 110k para entradas de CA de 1 V y 12 V para 24 Vcc?
Si funciona para 1 V, funcionará para 12 V siempre que el ruido no aumente con la señal. es decir, si hay 100 mV de ruido constante, probablemente estará bien. Pregunta: ¿De dónde viene el ruido? Si pudieras deshacerte de él, tus problemas se reducirían considerablemente. Si proviene del anemómetro en su otra pregunta, responda mis preguntas sobre la resistencia de la bobina, etc. Un pequeño condensador en los terminales de salida puede ayudar.
¿Puedo medir la resistencia de la bobina con un ohmímetro conectando un ohmímetro en los terminales de salida del PMG? Y si es X ohm, ¿cuál sería ese valor límite en términos de X?
Sí. La resistencia de la bobina se convierte en la 'R' de un filtro de paso bajo de primer orden RC. Un montón de calculadoras en línea.
@transistor ¿para qué son esos diodos?
Protegen la entrada del amplificador operacional. Cualquier alto voltaje se desvía al riel de alimentación Vcc. Cualquier voltaje negativo se sujeta al riel negativo.
Problemas con la configuración del disparador Schimtt para entradas sinusoidales variables
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v