Làm thế nào để làm sạch một tín hiệu ồn ào?

Tôi đang điều khiển quạt PC 4 chân PWM từ PIC16F684 với tốc độ quạt được điều khiển từ đầu đọc ADC của cảm biến tiệm cận. Tất cả đều hoạt động tốt.

Ban đầu tôi không định sử dụng đầu ra máy đo tốc độ từ quạt, nhưng vì nó có sẵn nên tôi đã theo dõi nó với phạm vi của mình chỉ để thấy rằng ánh xạ giữa độ gần và tốc độ quạt đang hoạt động.

Bây giờ, điều tôi nhận thấy là khi PWM chạy quạt ở mức 100%, tín hiệu tach (là một cống mở được kéo lên thông qua điện trở 10K) rất hay và sạch:

Tuy nhiên, khi tôi chạy ở mức dưới 100%, nó sẽ ồn ào:

Phóng to tiếng ồn đó:

Tôi đoán nó bị ảnh hưởng bởi tín hiệu PWM nhưng tôi muốn hiểu tại sao và làm thế nào để tôi có thể dọn sạch nó nếu cần thiết trong tương lai. Thực sự tôi quan tâm đến những gì bạn nên làm khi bạn thấy tiếng ồn như thế này, cách bạn tìm ra nguyên nhân và cách bạn "khắc phục" nó. Phạm vi quản lý để kích hoạt ok, vì vậy tôi tự hỏi nếu tôi chỉ đưa nó vào chân ngắt bên ngoài trên PIC (RA2), đó là đầu vào Kích hoạt Schmitt với các mức CMOS, thì tôi sẽ không "nhìn thấy" tiếng ồn và tôi ví dụ có thể dội lại tín hiệu sạch từ một pin khác để làm mờ đèn LED hoặc thứ gì đó.

Vì vậy, ai đó có thể giải thích một cách chung chung về cách nhận biết và sửa chữa các tín hiệu nhiễu? Hoặc nếu nó quá rộng có thể chỉ là vấn đề đặc biệt này? Ngoài ra nếu có bất cứ điều gì sai với mạch của tôi, nó cũng rất tốt để biết. Trong sơ đồ bên dưới, tín hiệu tôi đang hiển thị là đầu vào TACH ở bên trái của mạch:

CẬP NHẬT
Sau những gợi ý hữu ích từ cả @MichaelKara và @techydude, tôi đã loại trừ Q2 là nguồn gốc của bất kỳ vấn đề nào bằng cách loại bỏ nó hoàn toàn khỏi mạch và nối đất trực tiếp với quạt. Không có ảnh hưởng đáng kể đến tiếng ồn.

Vì vậy, sau đó tôi đã mã hóa ngắt ngoài trên RA2 để phát tín hiệu "được làm sạch" ra khỏi pin dự phòng (RA1 trong trường hợp này), giúp ích rất nhiều nhưng vẫn nhấp nháy do ngắt sai. (Vì vậy, tôi đã đặt ngắt để bẫy cạnh tăng sau đó chuyển sang cạnh giảm khi được kích hoạt và ngược lại, cài đặt / đặt lại RA1 tương ứng).

Nhưng, sau khi thêm một tụ điện 100nF trên R3 (như một phần trong đề xuất của @ techydude), giờ đây tôi đã có được đầu ra ổn định hơn nhiều. Ảnh chụp màn hình bên dưới là tín hiệu TACH sau khi làm sạch thông qua đầu vào RA2 được kích hoạt và tái xuất trên RA1:

Về sơ đồ của bạn:

Mọi thứ có vẻ ổn, bạn có thể tăng R2 lên 10 nghìn hoặc thậm chí 100 nghìn, điện dung của MOST rất nhỏ, FAN sẽ có quán tính quay nhiều hơn so với độ trễ tắt trong MOST, thậm chí có thể chỉ với 1M. Bằng cách đó, vị trí của 100R của bạn không liên quan và trong khi bạn không lãng phí bất kỳ mA nào. Nếu bạn không bao giờ giữ de uC trong thiết lập lại thì về mặt kỹ thuật thậm chí không cần thiết, vì uC của bạn sẽ chủ động kéo nó lên cao hoặc thấp.

Đối với tín hiệu PWM, bạn có thể xem liệu biểu dữ liệu cho phép kéo lên bên ngoài lên đến 12 V, mặc dù tôi nghi ngờ rằng nó sẽ tạo ra nhiều sự khác biệt.

Về tiếng ồn:

EDIT: Tôi đã đọc sai âm mưu của bạn cho kHz, thật ngu ngốc nếu bạn nghĩ về nó, nơi nó là Hz. Một số câu chuyện của tôi sẽ thay đổi một chút (chẳng hạn như nói về việc cần MHz cho công việc kỹ thuật số), nhưng ý tưởng chung vẫn còn.

Tôi sẽ để lại toàn bộ bài viết, nhưng đối với tín hiệu 100Hz có nhiễu 30kHz, thay vì 100kHz với nhiễu> 5 MHz (cũng không thực sự có ý nghĩa, phải không?), Bạn có thể tăng các điện trở tương tác với tụ điện với hệ số 10 và cũng tăng các tụ điện lên gấp 50 đến 100. Điều đó sẽ giúp bạn có được hệ số lọc tần số lọc thấp hơn 1000 trong tất cả các ví dụ. Nhưng bạn cũng chỉ cần tăng các tụ điện lên 10 đến 20, cho các cạnh sắc nét hơn hoặc phản hồi nhanh hơn trên tín hiệu quan tâm của bạn, vì 30kHz rất xa so với 100Hz.

Vì vậy, hãy xem xét bài đăng này như được viết cho tần số cao và thu nhỏ ý tưởng, làm cho chúng dễ thực hiện hơn nhiều! (Đặc biệt là từ chối kỹ thuật số trong 3.)

Kết thúc chỉnh sửa

Vì bạn tạo ra một trường hợp sử dụng tuyệt vời như vậy để xử lý các phương pháp giảm nhiễu, tôi sẽ cố gắng tạo một trường hợp áp dụng cho tình huống của bạn.

Để bất cứ ai đọc, hãy lưu ý:

Đây chỉ là về nhiễu trên tín hiệu số

Trong tín hiệu số, bạn có thể đưa ra một giả định rằng chỉ có hai điện áp bạn quan tâm là "bật" và "tắt". Bất cứ điều gì ở giữa là vô nghĩa và thuộc về tiếng ồn hoặc sai. Trong tín hiệu tương tự, bạn cần biết về mọi cấp điện áp và bạn cần thực hiện một số bộ lọc thực tế với vô số C, L, v.v.

Một vấn đề trong tín hiệu của bạn là nhiễu âm ở mức cao và nhiễu âm ở mức thấp rất gần nhau, do đó, một bộ kích hoạt tiêu chuẩn đơn giản, ngay cả với mức có thể điều chỉnh hoàn toàn có thể đảm bảo cho bạn rằng bạn sẽ không bao giờ có được bối rối.

Lựa chọn của bạn:

1. Thay đổi xu hướng
2. Thay đổi cấp điện áp
3. Thêm độ trễ "chậm"
4. Lọc tiếng ồn

1. Thay đổi xu hướng:

Sự tích cực có mức tăng âm rất thấp, đó là vì khả năng kéo lên của bạn không thể thắng được từ tiếng ồn. Điều dễ nhất bạn có thể thử là giảm sức đề kháng đó. Có một rủi ro điều này cũng sẽ làm tăng các tín hiệu tăng đột biến, do đó có thể không phải lúc nào cũng hoạt động. Nhưng rất có thể nó sẽ cung cấp cho bạn một số khoảng trống giữa các gai để thiết lập độ trễ đơn giản.

2. Thay đổi cấp điện áp

Bạn có thể dễ dàng, nếu quạt cho phép, thay đổi Tacho thành mức điện áp cao hơn và thêm trạng thái trung gian:

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Bây giờ có thể có đủ không gian giữa các gai cao và thấp để đảm bảo MOST luôn bật, ngay cả khi có các gai âm và luôn tắt, ngay cả khi có các gai dương. Có thể phải mất một số điốt, zener hoặc điện trở để có được điểm đặt trong tình huống mới, nhưng nếu các xung trên tín hiệu tiêu cực giữ nguyên, chúng không nên kích hoạt MOSFET, miễn là bạn không kích hoạt thay thế nó bằng một cổng có ngưỡng cửa dưới 2V.

3. Thêm độ trễ "chậm":

Đây là một mẹo thường được sử dụng khi bạn biết tín hiệu nhiễu nhọn ít nhất là một cường độ lớn hơn tín hiệu bạn quan tâm. Nó sẽ làm chậm tín hiệu một chút, vì vậy nó không thể được sử dụng trong các tình huống trong thời điểm chính xác thay đổi bật / tắt là quan trọng.

Nhưng đối với một tín hiệu mà bạn chỉ muốn biết hình dạng hoặc tần số của nó, đây là một phương pháp rất mạnh mẽ. Về cơ bản, nó bắt đầu kích hoạt khi có điện áp vượt ngưỡng, nhưng chỉ hoàn thành hành động đó khi nó ở đó. Có nhiều cách để xây dựng một.

Bạn có thể thực hiện điều đó trong bộ điều khiển (dễ nhất trong số thành phần): Bạn có thể kích hoạt trên sườn, sau đó lấy mẫu một số giá trị khác ở tốc độ đủ để thấy mức cao giữa các xung nhiễu, nhưng không nhầm lẫn về việc thiếu toàn bộ thời gian thấp. Sau đó, bạn đưa ra một phán đoán được xác định trước dựa trên kiến ​​thức về tín hiệu và tiếng ồn của bạn. Ví dụ: nếu bạn có thể lấy mẫu ở tần số 10 MHz, bạn có thể chụp 50 mẫu và chắc chắn rằng tần số cao nhất 100kHz sẽ không bị bỏ qua nếu bạn đi theo quy tắc đa số. Tức là: ít nhất 25 cần phải thấp để nó thực sự thấp. Các gai của bạn chỉ rất mỏng và hầu hết thời gian là tín hiệu ban đầu, do đó có thể hoạt động, nhưng số lượng đa số có thể được điều chỉnh. Điều này cũng sẽ hoạt động với các mẫu 1MHz và 6 hoặc 7, nhưng nó sẽ ít chiếm đa số thực tế, do đó có thể có một số rủi ro một lần nữa ở đó.

Bạn cũng có thể thực hiện bên ngoài: Nhưng nó phức tạp hơn nhiều so với việc thêm một bộ lọc đơn giản, đặc biệt là khi bạn nhìn vào kết quả với một uC có một độ trễ trong đầu vào của nó. Nhưng thật vui khi nghĩ về điều đó, vì vậy hãy:

^{mô phỏng mạch này}

U1 là bất kỳ Op-Amp hoặc Comperator phù hợp. Trình biên dịch là các trình chuyển đổi tốt hơn, thường có chuyển động tốt hơn, nhưng đối với tần số phụ, một OpAmp có chuyển động đường ray / đường ray tốt sẽ dễ dàng thực hiện.

Mặc dù loại trễ này có thể được chế tạo với ít nhất một điện trở ít hơn, nhưng loại này dễ giải thích hơn và như vậy dễ sửa đổi hơn.

Đầu tiên hãy tưởng tượng nó mà không cần tụ điện:

Đầu tiên, hãy xem rằng bộ chia điện trở bị ảnh hưởng bởi đầu ra của U1, nó sẽ kéo nó xuống thấp hơn một chút thông qua điện trở rõ ràng 20kOhm. Giả sử đầu vào tích cực của U1 là điện áp 1.1V được làm tròn xuống khi đầu ra của nó là 0 và 3.9V được làm tròn lên khi đầu ra của nó là 5V.

Nếu Đầu vào Tacho khởi động ở trạng thái ổn định cao, đầu ra của U1 sẽ thấp, do tính chất đảo ngược của đầu vào với Tacho. Vì vậy, đầu vào tiêu cực sẽ, một lần nữa do điện trở kéo lên thêm, khoảng 2,3V. Vì đầu vào dương chỉ là 1.1V, đầu vào cần giảm xuống dưới 2.2V để làm cho đầu vào âm thấy điện áp thấp hơn và làm cho đầu ra lật lên.

Khi đầu ra lật, đầu vào âm sẽ thấy 3.6V (vì tại thời điểm này tín hiệu đầu vào là 2.2V, đầu ra của U1 là 5V, do đó, giữa của chúng, được tạo bởi các điện trở 10k là khoảng 3.6V), nhưng dương đầu vào sẽ được chuyển từ 1.1V sang 3.9V, do đó âm vẫn ở dưới đầu vào dương và đầu ra sẽ ở mức 5V.

Nếu tín hiệu bây giờ nhanh chóng "hủy bỏ" và bật lại, đầu ra của U1 sẽ nhanh chóng quay trở lại, nhưng sau đó mức tăng đột biến đã phải giảm xuống dưới 2.2V, vì vậy điều đó tốt hơn là không có gì.

Nếu tín hiệu giảm xuống 0, tình trạng ổn định sẽ chỉ mạnh hơn, đầu vào âm sẽ giảm xuống 2,5V (vì chúng tôi cho rằng tacho của FAN đủ mạnh để kéo xuống) và cực dương sẽ dừng ở khoảng 3,9 V.

Bây giờ tín hiệu cần tăng trên 2,7V để đầu ra lật theo cách khác. Rất có khả năng 95% số gai của bạn sẽ bị bỏ qua.

Thêm tụ điện:

Với tụ điện, tín hiệu đến cần cung cấp đủ năng lượng cho đủ thời gian để sạc hoặc xả tụ. Trong thực tế đó đã là một bộ lọc RC. Bất kỳ đột biến nào nhanh chóng giảm xuống và sau đó phục hồi sẽ không thể xả tụ điện.

Giá trị của C tất nhiên phụ thuộc vào tín hiệu nguồn và tín hiệu nhiễu. Tôi đã sử dụng 510pF bóng cho tín hiệu nguồn 100kHz so với thời lượng tăng đột biến tối đa 1us, nhưng tôi không thực sự làm được nhiều toán học, đó chỉ là cảm giác ruột dựa trên thời gian RC rằng nó có thể gần với những gì sẽ hoạt động.

4. Lọc tiếng ồn

Điều này giống như chỉ lọc một tín hiệu tương tự. Bạn có thể sử dụng mạng RC đơn giản, như đã thảo luận trong phần trước:

^{mô phỏng mạch này}

Vì các nhiễu nhiễu ở mức hoặc nhỏ hơn 1us, chúng không thể tạo ra sự thay đổi đáng kể về điện áp trên tụ điện, vì thời gian RC của nó là 5us. Điều này có nghĩa là năng lượng trong các gai được làm phẳng xuống mức trung bình. Vì bạn nhìn thấy đỉnh cao và điểm thấp trên gai, thậm chí có thể trung bình sẽ rất gần với 0V và 5V, nhưng điều đó chỉ có thể nói với những bức ảnh đẹp hơn, hoặc chỉ là một thử nghiệm. Vì bạn đưa nó vào chân uC, thời gian RC có thể sẽ đủ để thấy nó là cao hay thấp. Điều này sẽ cho một biến dạng nhỏ do sạc chậm hơn so với xả, gây ra bởi điện trở kéo lên. Một số điều chỉnh các giá trị có thể mang lại một kết quả không đáng kể.

Nếu không đủ, bạn có thể thêm một số thành phần, nhưng bạn sẽ nhanh chóng làm quá mức khi tiếng ồn chủ đạo của bạn nhanh hơn "tín hiệu" ít nhất 10 lần so với tín hiệu của bạn.

Bạn có thể thêm một cuộn cảm 4,7uH nối tiếp với điện trở để làm phẳng một số sườn tần số cao hơn, thậm chí có thể là 10uH.

Nhưng thành thật mà nói, trong trường hợp "cho nó ăn uC", lý do duy nhất để thử nghiệm L trong tín hiệu của bạn là tìm sự cân bằng trong đó R lớn, C nhỏ và L chỉ giúp làm mịn một số sườn, do đó R2 / R1 sẽ đủ nhỏ để bỏ qua sự khác biệt về thời gian tăng và giảm. chẳng hạn như một R1 là 33k, C là 150pF và một L nối tiếp với R1 là 56uH. Hoặc có thể là một hạt ferrite thay cho cuộn cảm, phụ thuộc một chút vào độ sắc nét của gai của bạn.

Nhưng tôi đã nghĩ quá nhiều rồi, tôi sẽ nói.

Tiếng ồn như thế này từ một tacho quạt là phổ biến, bởi vì mạch điện (thường bao gồm cảm biến Hiệu ứng Hall) trong quạt tạo ra đầu ra tacho tự nó bị cắt / tắt ở tần số PWM của bạn (khi đầu ra PWM của bạn ở bất cứ thứ gì khác hơn 100% -On), không chỉ cung cấp cho chính động cơ. Chắc chắn rằng họ sẽ có một số điện dung để làm mịn nguồn cung cấp cho mạch đó, nhưng được cho là, một nguồn cung cấp quạt 12 V, miễn là có đủ điện dung để duy trì vài volt giữa các khoảng thời gian tắt tối thiểu, đủ để điều khiển cả Hall- Cảm biến hiệu ứng & kéo lên đầu ra tacho (nếu quạt bao gồm cả kéo lên trên đầu ra tacho), để cung cấp tín hiệu đầu ra có thể phục hồi. Vâng, người hâm mộ đang lộn xộn khi bạn cung cấp cho họ. Một số quạt cung cấp đầu vào tốc độ PWM tách biệt với nguồn cung cấp + 12V của chúng.

PWM của bạn có vẻ là khoảng 27kHz. Vì vậy, điều tốt trong tình huống cụ thể này là đầu ra tacho @ 100% đầu ra của bạn có vẻ là khoảng 800Hz, tức là <1/30 tần số của PWM, do đó, việc lọc đầu ra tacho này để loại bỏ hầu hết tiếng ồn của PWM là dễ dàng và đáng làm Ở đây đã muộn nên CBF sẽ làm việc thông qua các calcs, nhưng vì nó thoát nước và đó là điện áp cung cấp kéo lên của bạn (trong quạt) bị làm mờ bởi PWM, một nắp giữa đường ray tacho & + 12V (không phải là PWM đầu ra từ mạch ổ quạt của bạn) có thể sẽ là một lựa chọn tốt hơn so với nắp trên tacho xuống đất. Hãy thử cả hai và xem. Bắt đầu với nắp gốm 100n điện áp phù hợp & xem nó trông như thế nào.

Với đầu vào Schmigger trên PIC, bạn thậm chí có thể thoát ra mà không cần thực hiện bất kỳ bộ lọc nào của đầu ra tacho này trước khi đưa nó vào PIC của bạn, nhưng bạn có vi sai freq đó sẽ dễ dàng cho phép bạn đi một chặng đường dài để làm sạch nó lên.

Một vấn đề có thể xảy ra với việc bạn xử lý tín hiệu tacho từ quạt tho: nếu quạt kéo nó lên tới +12 với 10k bên trong (một số thì không, một số thì không) & bạn cũng đang kéo tín hiệu tacho lên cho bạn + Đường ray 5V, sau đó bạn thực sự kéo nó xuống! Có nhiều cấu hình mạch khác nhau để giải quyết vấn đề này, tùy thuộc vào điện áp cung cấp quạt, độ kéo mạnh như thế nào, v.v ... Hãy thử đo nó bằng đồng hồ vạn năng của bạn và cho chúng tôi biết.

Nguồn nhiễu có thể có trên tín hiệu TACH có thể là do IRF150 FET không phải là trở kháng ON đủ thấp. Điều này có thể là do FET RdsON khá cao hoặc FET không được BẬT hoàn toàn ở điện áp ổ đĩa cổng được cung cấp.

Khi dòng điện FAN bật và tắt với tín hiệu PWM, sẽ có sự sụt giảm trên điện trở FET, khiến cho tham chiếu "GND" của quạt bị bật lên và chuyển sang tiếng ồn nhìn thấy trên tín hiệu TACH.

Bạn có thể kiểm tra điều này để xem hiệu ứng tôi mô tả có phải là trường hợp hay không bằng cách đặt phạm vi dẫn GND phạm vi vào cống FET và sau đó xem tín hiệu TACH. Các tín hiệu sẽ trông sạch sẽ hơn rất nhiều.

Giải pháp sẽ là chọn một FET có RdsON thấp hơn nhiều khi được cung cấp ổ đĩa cổng mà hệ thống của bạn cung cấp.

Một ý tưởng khác có thể là sử dụng P-FET để chuyển đổi chì + 12V của quạt thay vì dẫn GND.

Xin lưu ý rằng sự sắp xếp điện trở cổng bạn đang sử dụng sẽ khiến bạn mất một số ổ đĩa cổng tiềm năng. Di chuyển điện trở 1K sang phía bên kia của 100ohm.

Điều này có vẻ như một công việc cho một bộ lọc thông thấp. Bạn cần giữ tín hiệu hữu ích với f ₁ khoảng 1 kHz và loại bỏ tín hiệu vi phạm với f ₂ gần 25 kHz. Tần số cắt có thể được chọn làm giá trị trung bình hình học của f ₁ và f ₂ (tối ưu nhưng đơn giản):

f _c = sqrt (1 * 25) = 5 kHz.

Giả sử bộ lọc RC đơn giản sẽ đủ và bạn đã có điện trở trong mạch TACH (R ₃ = 10 kOhm), giá trị tụ điện thích hợp phải được tính toán để phù hợp với chi phí thời gian 5 kHz :

C = 1 / (2 * pi * fc * R) = 1 / (6.28 * 5000 * 10000) = 3.2 * 10 ^-9 F.

Vì vậy, tất cả những gì bạn cần làm là hàn một tụ điện 3nF giữa đường TACH và mặt đất. Nó sẽ làm giảm nhiễu tần số cao theo hệ số từ 20 trở lên, đủ cho ứng dụng của bạn.