Hallo Leute, ich will eine kleine Spannung per Differenzverstärker verstärken. Das Signal, das Verstärkt werden soll, kommt von einem Shunt und wird periodisch getaktet (PWM). Jetzt stellt sich mir die Frage, wie ich die Frequenz (Cut-Off) des Differenz-Eingangs-Filters vor dem Differenzverstärker auslegen soll. Mir schwebt irgendwie ein Faktor von 10x Schneller als das PWM Signal im Kopf, kann das aber irgendwie nicht belegen. Kann mir vielleicht jemand sagen, wie diese zu wählen ist? Gerne auch mit einer Referenz dazu :)
Hallo, Brauchst Du den Mittelwert (für ein Magnetventil) oder den Spitzenwert? Es gibt spezielle Meßverstärker mit hoher CMMR für diesen Zweck. z.B. AD8209 Gruß Anja
Anja schrieb: > Brauchst Du den Mittelwert (für ein Magnetventil) oder den Spitzenwert? Oder interessieren eher die Flanken? Dann wohl eher: - https://de.wikipedia.org/wiki/Schmitt-Trigger
JanP schrieb: > Jetzt stellt sich mir die Frage, wie ich die Frequenz (Cut-Off) des > Differenz-Eingangs-Filters vor dem Differenzverstärker auslegen soll. Wieso "vor"? Warum baust du keinen Hochpass in die Gegenkopplung?
Anja schrieb: > Brauchst Du den Mittelwert (für ein Magnetventil) oder den Spitzenwert? Gute Frage. Es soll der Strom für einen HF-BLDC im Servobetrieb (PWM 50-100kHz) gemessen werden. Ich denke, lasse mich da aber gerne eines besseren belehren, der Mittelwert. Aktuell habe ich einen Differenzverstärker (mit einer GBW von ~150 - und einer Verstärkung von 10) der einen ADC versorgt. Der ADC schafft bis 2MSPS (ich denke, nach dem Muxen werden so 0,5-0,3MSPS pro Kanal über bleiben) und das PWM bis zu 100kHz.
Warum hängst du keine Skizze von der Schaltung an? Dann könnte man dir genau sagen, wo du welches Bauteil hinzufügen kannst, um ein Tiefpassverhalten zu erreichen. Einen Tipp gab es ja schon: Wolfgang schrieb: > Warum baust du keinen Hochpass in die Gegenkopplung?
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HildeK schrieb: > Warum hängst du keine Skizze von der Schaltung an? Hatte ich noch nicht. - Jetzt aber - zumindest eine Skizze. Mir geht es aktuell um R1/C1/R4 Wenn ich das richtig berechnet habe, sind das aktuell eine fg von ~3,6MHz. - Aber wie gesagt, ich habe keine Ahnung, wie ich die Frequenz auslegen soll...
JanP schrieb: > nach dem Muxen werden so 0,5-0,3MSPS pro Kanal über > bleiben) und das PWM bis zu 100kHz. Demnach hast du wahrscheinlich keine Möglichkeit, die ADC-Abtastung genau mit der PWM zu synchronisieren (so dass du immer im Maximum der On-Phase abtastest). Und du hast nur 3-5 Abtastpunkte pro PWM-Periode. Bei einem niedrigem Tastgrad der PWM ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass überhaupt kein Abtastpunkt genau auf die On-Phase der PWM trifft. Dann bleibt dir wohl nur übrig, den Mittelwert zu bestimmen (nicht den Spitzenwert). Deine Filterung müsste also den Mittelwert der 100kHz PWM bilden. Bleibt die Frage, wo der Shunt sitzt. Wird der Strom über dem Shunt mit umkommutiert (d.h. ist der Spannungsabfall am Shunt PWM-förmig)? Oder sitzt er an einer Stelle, die nicht umkommutiert wird (d.h. der Spannungsabfall am Shunt sieht ist nicht rechteckförmig sondern hat nur eine leichte, dreieckförmige Moudulation im Takt der PWM). In beiden Fällen unterscheiden sich die Anforderungen an die Filterung sehr. Deshalb auch auch von mir der Hinweis: HildeK schrieb: > Warum hängst du keine Skizze von der Schaltung an? JanP schrieb: > zumindest eine Skizze. Das ist eine Skizze der angedachten Verstärkerschaltung. Wichtig wäre aber zu erkennen, wie die Treiberschaltung des Motors aussieht und wo dort der Shunt sitzt.
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Achim S. schrieb: > Das ist eine Skizze der angedachten Verstärkerschaltung. Wichtig wäre > aber zu erkennen, wie die Treiberschaltung des Motors aussieht und wo > dort der Shunt sitzt. Ah okay, habe ich auch einmal mit ein skizziert. Das ganze ist drei mal vorhanden - für jede Phase des Motors.
JanP schrieb: > Mir geht es aktuell um R1/C1/R4 Wenn ich das richtig berechnet habe, > sind das aktuell eine fg von ~3,6MHz. - Aber wie gesagt, ich habe keine > Ahnung, wie ich die Frequenz auslegen soll... Wenn du den Mittelwert willst, dann auf jeden Fall deutlich tiefer als die PWM-Frequenz. Und auch nicht mit R1/C1/R4, sondern mit C2||R3 und gleich ausgelegt mit einem C || R2. Wobei 2π·R3*C2 = 1/fg ist. Unklar bleibt mir: - in der ersten Schaltung ist die Stromquelle bipolar betrieben, - in der zweiten Schaltung mit der Treiberschaltung doch nicht?
HildeK schrieb: > - in der ersten Schaltung ist die Stromquelle bipolar betrieben, > - in der zweiten Schaltung mit der Treiberschaltung doch nicht? Während einer PWM-Periode schaltet der Strom durch den Shunt tatsächlich "unipolar". Aber je nach Drehung des Motors wechselt die Stromrichtung durch die Phase. JanP schrieb: > Ah okay, habe ich auch einmal mit ein skizziert. Danke. Dann passt die Filterung vom Ansatz her. Aber da du nicht synchron zur PWM abtastest (immer, wenn M1 grade leitet) sondern den Mittelwert sehen willst, musst du es so dimensionieren, dass die Dämpfung bei der PWM-Frequenz schon hoch ist (also Grenzfrequenz unter der PWM-Frequenz, und eine Filterung höherer Ordnung). Die Grenzfrequenzen deiner Skizze sind dafür deutlich zu hoch angesetzt. (Wurde ja auch schon von HildeK gesagt). Da du die Skizze eh in LTSpice zeichnest wäre es naheliegend, das ganze auch gleich zu simulieren - wie viel Rechteck siehst du noch am Verstärkerausgang, wie viel Mittelung hat stattgefunden? JanP schrieb: > Aktuell habe ich einen Differenzverstärker Man kann in der Skizze den Baustein (OPV) nicht erkennen. Bei dieser Versorgung (3,3V unipolar) musst du darauf achten, dass der Verstärker nicht den erlaubten Gleichtaktbereich verlässt.
Leute, Ihr seit spitze! :) Achim S. schrieb: > also Grenzfrequenz unter der PWM-Frequenz, und eine Filterung höherer Ordnung Wie viel den darunter - und an welcher Stelle? Theoretisch kann ich den Filter ja verteilen auf R1/C1/R4 auf R3/C2 und sogar auf den RC-Filter (R5/C1 (wenn angebunden)) Ausgang.
Achim S. schrieb: > Man kann in der Skizze den Baustein (OPV) nicht erkennen. Bei dieser > Versorgung (3,3V unipolar) musst du darauf achten, dass der Verstärker > nicht den erlaubten Gleichtaktbereich verlässt. Ja, jetzt wo du es sagst... aber ich glaube, mein Ansatz da einen möglichst schnellen einzusetzen mit über 100MHz ist da mit Kanonen auf Spatzen geschossen. Ich denke, da tut es auch ein genereller mit weniger Offset 10MHz-20MHz OP wie ein MCP6021(10MHz) oder MCP631(20MHz) mit Rain-to-Rail I/Os. Oder?
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JanP schrieb: > Wie viel den darunter - und an welcher Stelle? Theoretisch kann ich den > Filter ja verteilen auf R1/C1/R4 auf R3/C2 und sogar auf den RC-Filter > (R5/C1 (wenn angebunden)) Ausgang. Wie viel darunter ist davon abhängig, wie oft du messen und wie schnelle Änderungen du noch mitbekommen willst. Deine PWM-Frequenz ist offenbar 100kHz und die musst du möglichst kräftig dämpfen. Das heißt, entweder höhere Ordnung beim Filter oder relativ tiefe Grenzfrequenz. Ich habe die Schaltung mal simuliert und muss gestehen, dass ich den Einfluss des C1 (in deiner Skizze) nicht gleich erkannt hatte. Jedenfalls sieht das Ergebnis meiner Dimensionierung so aus, dass sich durch den eine Nullstelle mit meiner Dimensionierung bei ≈100kHz ergibt. Das ist natürlich schön! Die Grenzfrequenz des Filters liegt insgesamt unter 1kHz, was heißt, dass du schnellere Änderungen nicht mitbekommst. Ich habe ich mit einem idealisierten OPA gearbeitet, real kann sich da noch was ändern. Im Anhang der File, dann kannst du das mal nachvollziehen. (Die Referenzen sind nicht identisch mit denen in deiner Zeichnung, also Vorsicht beim drüber diskutieren 😀 ...)
JanP schrieb: > Theoretisch kann ich den > Filter ja verteilen auf R1/C1/R4 auf R3/C2 und sogar auf den RC-Filter > (R5/C1 (wenn angebunden)) Ausgang. Verteilt ist ok. Was optimal ist, hängt von der Zielsetzung ab. Wenn du einfach nur einen "möglichst stabilen" Messwert sehen willst, nimmst du lächerlich niedrige Grenzfrequenzen. Aber möglicherweise willst du ja nicht nur messen sondern mit dem Strom was regeln. Und wenn du von einem "HF-BLDC im Servobetrieb" schreibst wäre ggf. ein Filter, dass immer erst nach Ewigkeiten auf Stromänderungen reagiert, sehr ungünstig. Dann würdest du wahrscheinlich viel besser damit fahren, doch eine synchrone Abtastung umzusetzen (Spitzentrom durch Shunt immer dann messen, wenn M1 gerade leitet). Dein vorhandener ADC ist dafür wahrscheinlich nicht geeignet. Und die einzelnen Messwerte würden dabei wahrscheinlich viel "zappeliger" als bei der Mittelwertbildung. Aber eine darauf basierende Regelung wäre ggf. trotzdem besser, als eine mit gemittelten (und dadurch zeitverzögerten) Stromwerten. JanP schrieb: > Ich denke, da tut es auch ein genereller mit weniger > Offset 10MHz-20MHz OP wie ein MCP6021(10MHz) oder MCP631(20MHz) mit > Rain-to-Rail I/Os. Oder? Wenn es nur ums Verstärken geht, reicht ein langsamerer OPV. Aber vielleicht wird es am Ende auf ein aktives Filter höherer Ordnung rauslaufen. Das soll nicht nur die niedrigen Frequenzanteile verstärken. Sondern es soll auch die hohen Frequenzanteile aktiv wegdämpfen. Das funktioniert nur dann richtig, wenn bei diesen hohen Frequenzen noch genügend Schleifenverstärkung vorhanden ist. Die Verstärkung soll bei hohen Frequenzen in den Keller gehen, weil du es durch deine Filterauslegung so festgelegt hast - nicht weil der OPV bei den Frequenzen nicht mehr nachkommt.
Achim S. schrieb: > Dann würdest du wahrscheinlich viel besser damit fahren, doch eine > synchrone Abtastung umzusetzen (Spitzentrom durch Shunt immer dann > messen, wenn M1 gerade leitet). Dein vorhandener ADC ist dafür > wahrscheinlich nicht geeignet. Und die einzelnen Messwerte würden dabei > wahrscheinlich viel "zappeliger" als bei der Mittelwertbildung. Doch, das geht. PWM-Generator und ADC sitzen im selben µC und dieser bietet die Möglichkeit den ADC zielgenau zum PWM-Takt zum sampeln zu Überreden. :) Ich kann es nur noch einmal wiederholen! Ihr seit spitze! Ich habe schon wieder so viel Wissen bei euch abgreifen können. Vielen Dank :)
JanP schrieb: > Doch, das geht. PWM-Generator und ADC sitzen im selben µC und dieser > bietet die Möglichkeit den ADC zielgenau zum PWM-Takt zum sampeln zu > Überreden. :) Dann musst du es nur noch auf die Reihe kriegen, dass die PWM der drei Phasen entsprechend koordiniert laufen muss, damit sich die Messzeitpunkte auf den drei Kanälen nicht in die Quere kommen. Wenn es wirklich um eine schnelle Regelung (im µC) geht, dann würde ich diesen Ansatz wählen. Was du dann noch an (digitalen) Filterungen nachschaltest, ist Sache deines digitalen Reglers.
Da kann ich nur zustimmen. Es ist mehr oder wenig eine Grundregel in der einfachen Regelungstechnik, dass man Phasenverschiebungen in der Rückkopplung unbedingt vermeidet. Wenn das Messsignal stark rauscht oder gestört ist, legt man lieber den Regler so aus, dass er diese Störungen unterdrückt. Synchrone Abtastung ist eine super Lösung, um immer den tatsächlichen Mittelwert des Stroms zu messen und damit alle Oberschwingungen effektiv zu unterdrücken. Filtern darf man dann in der Messkette eigentlich gar nicht, damit man wirklich den richtigen Zeitpunkt erwischt. Ab hier nur noch Vermutung: Man kann höchstens noch entsprechend
filtern, wenn man Rauschen und Droop durch den Abtastvorgang noch etwas reduzieren möchte. Dann ändert sich mit dem Modulationsindex aber kontinuierlich die Phasenlage zwischen Mittelwert und Schaltzeitpunkt, da die Oberschwingungen unterschiedliche Phasenverschiebungen und Dämpfungen erfahren. Nicht?
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