Selección de condensadores para filtrado de señal 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. Lo recorreremos 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.

Tome este como ejemplo: http://www.phidgets.com/documentation/Phidgets/3132_0_Datasheet.pdf

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

La sensibilidad de esta celda es de 8mv/V. Esto significa que con la desviación máxima (780 g de fuerza) debería ver 8 mv/V * 5 V = 40 mv de salida en los terminales. Lo primero que debe confirmar es que su ADC con ganancia interna de 128x escalará esta señal de manera adecuada. 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 está donde quiere estar (porque probablemente no esté tratando de medir desviaciones completas) Si el ADC tuviera solo 3.3V de rango de entrada, le gustaría hacer una modificación. Si sus cargas son tan pequeñas que sabe que hay un voltaje de trabajo más pequeño que el ADC puede escalar por sí solo, debe buscar un amplificador operacional diferencial para obtener el voltaje en el rango correcto para el ADC. Supongamos que no es necesario por ahora.

Lo siguiente que debe planificar es la frecuencia de muestreo de su ADC. Una regla general simple para el muestreo es muestrear al doble de la frecuencia más alta que desee 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 volverse 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 100 Hz puede crear un alias con 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 elimine la mitad de la energía, 3 dB) a 100 Hz. La página de Wikipedia sobre la constante de tiempo RC muestra la fórmula de frecuencia de corte Fc = 1 / 2*pi R C

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

Entonces, en este caso, podría elegir 0.1 uF y 15.9 kOhms. Sin embargo, debe asegurarse de que su resistencia en serie sea inferior al 10 por ciento de la impedancia de su 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. Reducir R a 15,9 ohmios y elevar C a 100 uF mantendrá la misma RC y frecuencia de corte.

Así que ya conoces las características ideales de las piezas y puedes ir de compras :)

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

Estas son todas las tapas de cerámica de DigiKey que tienen una clasificación de 100 uF. Su selección será impulsada por el voltaje nominal. Cuanto mayor sea la tapa, mejor será el voltaje de trabajo. Necesita un voltaje de trabajo de 5 V, ya que la señal promediará unos 2,5 V saliendo de los cables del indicador, y un margen de 2x no es una mala idea. La clasificación es para 6V y, como puede ver, eso lo ubica en un paquete de 1210. Ese no es un mal tamaño.

La compra de resistencias es más fácil.

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

Estos vienen tan pequeños como 0402. Aquí está comprobando la disipación de energía. Estos tienen una potencia de hasta 1/16 W antes de quemarse 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 tiene nada de qué preocuparse aquí. Podría bajar a 0201 (con los que es casi imposible trabajar, así que no lo recomiendo).

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

Me parece que puedes usar cerámica y resistencias de película delgada en este caso.

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

En aplicaciones extremas, debe tener en cuenta que los capacitores (como cualquier componente) son impuros; tienen una resistencia en serie efectiva (ESR) y una inductancia en serie efectiva. También tienen un mecanismo de descarga interno que disipa lentamente la carga almacenada y algunos son mejores que otros.

Otras cosas a tener en cuenta en los condensadores cerámicos, C0G/NP0 es el mejor tipo de filtros porque tienen muy buena estabilidad de temperatura. X7R están bien si no es necesario mantener el filtrado ajustado, pero X7R y X5R y otras cerámicas con constantes dieléctricas más grandes (más faradios por pulgada cúbica) tienen una tendencia a cambiar su capacitancia con el voltaje aplicado, por lo que en los filtros esto puede ser un problema. mala situación porque un voltaje de CC cambiante en la señal a filtrar podría resultar en un reajuste del filtro. Lo peor es que, para una señal grande, esta dependencia del voltaje puede distorsionar la forma de la señal.

EDITAR SECCIÓN

La opción de capacitor de poliéster metalizado agregada a la pregunta no es buena para hacer comparaciones porque tiene una clasificación de 100 voltios (por lo tanto, un paquete grande de 2220) y este circuito simplemente no necesita una tapa de esa clasificación de voltaje. Comparar esta opción con la de un 0805 cerámico genérico no es una opción real; sería una tontería no elegir el 0805 en esta aplicación porque el voltaje que ve es CC estable e incluso si la capacitancia se desvía un poco con la temperatura, no funciona. para hacer un gran negocio.

También señalaré que las resistencias que se muestran (R1 y R2) probablemente no sean necesarias si el "puente" está a unas pocas pulgadas del ADC porque el puente en sí tendrá un valor efectivo de resistencia en serie debido a las resistencias del puente. Cualquier punto de filtrado de baja frecuencia está dictado por la resistencia del puente y las resistencias en serie adicionales, entonces, ¿por qué molestarse con R1 y R2?

Una galga extensométrica suele ser una señal de baja frecuencia del orden de unos pocos cientos de hercios como máximo (hay, como siempre, 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 la cerámica X7R probablemente estará bien suponiendo que la temperatura local no varíe mucho. Si la temperatura local va a variar significativamente, probablemente sea mejor usar un tipo C0G (NPO) que tenga un coeficiente de temperatura cero.

Cuando utilice X7R (que tiene un dieléctrico de clase 2; consulte el enlace anterior), debe asegurarse de que el voltaje nominal del dispositivo sea al menos el doble del voltaje que esperaría ver a través de él. Esto evita problemas debido a los efectos de la polarización de CC que cambia la capacitancia (hacia abajo) con una mayor polarización de CC.

Tenga en cuenta que las cerámicas también pueden exhibir efectos microfónicos, pero siempre que la frecuencia de excitación sea baja, no deberían interferir significativamente con la señal. Recientemente hice una interfaz de galgas extensométricas 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) en el voltaje muy pequeño producido por el medidor de tensión.

En este caso particular, donde hay poca ondulación y bajas frecuencias, podría considerar un dispositivo de tantalio o niobio . 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 una función de suavizado .

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

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

¿Está utilizando una potencia excesivamente alta o necesita una capacidad excesivamente alta?

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

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

¿Le preocupa el estrés mecánico (vibraciones) que puede causar que se introduzca un voltaje (generalmente muy pequeño) en el capacitor o necesita una respuesta de frecuencia súper lineal?

Luego considere los condensadores de película. (Parece que su rango de frecuencia es lo suficientemente bajo como para que ninguno de estos sea un problema).

Condensador de cerámica vs. película: ¿cuál es el preferido en los circuitos de audio?

De lo contrario, quédese con la cerámica, son de uso general por una razón.

Me parece que esto es más una aplicación de CC, como medir la tensión que cambia lentamente en un haz o para una escala, en lugar de oscilaciones (debido a la disposición del condensador que está proponiendo).

Si ese es el caso, y está tratando de reducir el ruido o el potencial de EMI en el circuito, entonces no agregaría R1, R2 porque los valores podrían ser diferentes y podrían cambiar de manera diferente con la temperatura y la humedad, y tampoco agregaría C1 y C2, ya que podrían introducir ruido de las huellas del suelo, y simplemente ir con C3. C3 debe ser un condensador de muy baja fuga 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 cerámica de alrededor de 500M ohmios, lo que puede ser muy bueno para su aplicación. (Considérelo como una resistencia y vea si los valores extremos, por ejemplo, 1 Mohm oscilando hasta 1000 Mohm, de la resistencia contribuyen en absoluto a la medición). Si un cambio extremo en la resistencia de fuga no afecta su salida, entonces la cerámica es una buena opción, siempre que no vibre.

Película metalizada: resistencias de fuga de alrededor de 15 000 M ohmios http://www.kemet.com/Lists/ProductCatalog/Attachments/109/F3301_R82.pdf

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 demás, y el blindaje con cintas o jaulas de metal/lisado es bueno para la protección de PCB. El suministro de 5 V es probablemente su mayor fuente de ruido, por lo que es importante caracterizar y reducir ese ruido.

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

Por último, debe considerar la resolución que obtendrá de su ADC, ya que ese puede ser el mayor factor limitante 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 para el puente), entonces no podrá comparar las mediciones tomadas en diferentes momentos.

Su ganancia en el ADC es 128, por lo que 5V/128 = oscilación de entrada de 39mV 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 produce una oscilación mayor para el rango de fuerzas que desea medir, es posible que deba reducir la ganancia y, en consecuencia, la precisión.

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

Salud

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

Sin embargo, no existen en tamaños grandes, que es su principal limitación. Sin embargo, para filtrar señales de sensores de baja corriente, esto a menudo no es un problema (supongo que sus señales de bajo voltaje también son de baja corriente).

Probablemente sea prudente elegir tapas clasificadas más altas que su voltaje nominal con cierto margen.