Wzmocnienie sygnału z fototranzystora - OP AMP

[MaRsXzU]

Witam,
próbuję przy pomocy wzmacniacza operacyjnego wzmocnić przebieg uzyskany z fototranzystora kluczującego na nacięciach na tarczy enkodera. Wartość peak to peak przy obrocie tarczy ręką to jakieś 200 mV, przy obrocie tarczy na wkrętarce są to wartości rzędu kilku mV (wartość czytana w punkcie oznaczonym jako WE na schemacie). Potrzebne mi silne wzmocnienie, abym mógł coś podziałać z detekcją zbocza przez uC. Przy wysokich prędkościach obrotowych spodziewam się częstotliwości sygnału 30 kHz.

Kupiłem OP AMP LM4558. Podpiąłem wszystko wg schematu poniżej, w konfiguracji wzmacniacza odwracającego o wzmocnieniu równemu teoretycznie 100k/1k = 100. Sygnał wyjściowy z tego OP AMPa to tylko jakiś wysokoczęstotliwościowy szum kompletnie nie reagujący na ruch tarczą enkodera. W czym tkwi problem? W zastosowanym układzie, czy ten OP AMP nie nadaje się kompletnie do tego zastosowania? Całość zasilam z zasilacza ATX, te -12 V to w rzeczywistości coś koło -11 V.

@EDIT - czysto teoretycznie przy wzmocnieniu 100 powinienem nasycić wzmacniacz, ale tak się nie dzieje. Przy wzmocnieniu 4,7 nic się nie zmienia. Dorzuciłem foto przebiegu z wyjścia układu. 

Edytowano Wrzesień 29, 2019 przez MaRsXzU

[Sabre]

Może nie jestem ekspertem od wzmacniaczy, ale ten układ jest od początku źle zaprojektowany. Po pierwsze dałeś zbyt dużej wartości rezystor na kolektorze. Przy takiej częstotliwości powinieneś mierzyć w rezystancje rzędu maksymalnie 2-3k. Dużo zależy od użytego fototranzystora i jego czułości, dużo też zależy od prądu diody, która jest po drugiej stronie. Zamiast wzmacniacza, lepiej spisałby się tutaj komparator, który oczywiście można zrobić ze wzmacniacza, ale ja na Twoim miejscu celowałbym we wzmacniacz z pojedynczym zasilaniem i typu rail to rail jeśli miałbym już wzmacniać cokolwiek. Ale oczywiście komparator lepiej się tutaj spisze bo na wyjściu będziesz miał sygnał mniej lub bardziej prostokątny.

[MaRsXzU]

Sam nie jestem ekspertem, stąd taki układ. Rezystancje dobrałem doświadczalnie, bo fajnie przy takiej mi kluczował.
Jak puszczał mały prąd, to U=R*I dawało spory spadek napięcia. Musze sprawdzić jak to działa przy mniejszej rezystancji. Teraz mam oscyloskop, a przedtem badałem to na mierniku.
Jest to enkoder odbiciowy, o fototranzystorze nie wiem nic, pochodzi z oryginalnego układu, z którego pochodzi tarcza.  Diody były upalone. Wywaliłem je i wstawiłem duża diodę TSUS4300 i doświadczalnie tłumiłem jej moc rezystancją (coś koło 390 R), aż udział odbicia wewnątrz przesłony (metalowy element ze szczeliną) zmalał na tyle, żeby ten tranzystor mógł generować jakiś sensowny sygnał (przebieg z pierwszego foto na górze). 

Problem jest tej natury, że przy dużych prędkościach obrotowych enkodera przebieg odebrany z kolektora prawie jest płaski, stąd pomysł silnego wzmocnienia, żeby maksymalnie do granic możliwości rozciągnąć wartość napięcia peak to peak i na drodze dalszej obróbki tego sygnału móc to jakoś czytać mikrokontrolerem.

Poniżej zdjęcie fototranzystorów (te po bokach) i diody IR. Fototranzystory były zalane żywicą w przesłonie stąd powtarzalność ich pozycjonowania i chęć wykorzystania. Jeden patrzy na wskaźnik zera, drugi kluczuje na nacięciach (to właśnie z tego przebieg z fotki wyżej). Na to wszystko przychodzi element ze szczelinką. Całość jest stabilnie zmontowana w obudowie w tym momencie. Zdjęcie poglądowe tylko.

Poleci kolega jakiś konkretny model OP AMPA? Zależy mi na częstotliwości do 40kHz.

[Sabre]

Przetestuj najpierw z mniejszym rezystorem w kolektorze. Przy kilkudziesięciu kilohercach i tak na wyjściu będziesz miał sinusoidę a nie prostokąt, więc raczej powinieneś iść w komparator bo wzmocnienie sygnału nie będzie potrzebne jeśli będzie wszystko poprawnie w okolicach transoptorów.

Napisz może dokładnie albo zrób jakieś dobre zdjęcie toru optycznego. Może źle jest dobrana dioda IR pod kątem skupiania wiązki. Do czego to ma służyć? Czy nie da się zmienić tego transoptora na szczelinowy zamiast odbiciowego? Szczelinowy przepuści więcej IR niż dostaniesz z odbicia.

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[MaRsXzU]

Dowodem na poprawność działania tego układu zdaje się być pokazany przebieg na foto 1 w poście 1.
Zmniejszając rezystancję na kolektorze do 4,7k fototranzystor jest zawsze zamknięty (stałe 5V).
Poniżej zdjęcia przebiegów dla rezystancji 68k i 330k badanych układzie z 3ciego zdjęcia.

68K                                            330K

Zwiększanie rezystancji na kolektorze zdaje się ciągnąć ten przebieg bliżej 0. Zmniejsza składową stałą.
Cały układ skanujący patrzy na tarczę przez przesłonę z foto 4. Starałem się uniknąć rozproszenia światła przed tą przesłoną malując wszystko na czarny mat. Dioda IR też ma zamalowaną powierzchnię boczną. 

Fotodetektor czyta z tarczy na foto 5. Jedyne wyjście dla niej to skanowanie odbiciowe.

Elementy optoelektroniczne siedzą za tą szczelinką, stabilnie zamocowane w pokrywce. Wszystko na wcisk, przyłapane śrubkami, nic nie lata luźno. Wolałbym to potraktować jak czarną skrzynkę. Boje się uszkodzić jakoś mechanicznie tych fototranzystorów grzebiąc tam w tym momencie.

Czy tak duża rezystancja na kolektorze jest powodem, że ten OP AMP nie chce gadać? Uważam, że wzmocnienie jest konieczne, ze względu na to co się dzieje przy dużych prędkościach (mała amplituda, sygnał faluje), dopiero potem można robić z tego prostokąt.

 

Może dałoby się jakoś odbierać sygnał z emitera? W tym układzie są dwa fototranzystory i mają wspólny + na kolektorze. Aktualnie jeden ma wypięty emiter i badam tylko jeden. To problem na potem, jak coś uda się z tego uzyskać co mam.

Edytowano Wrzesień 29, 2019 przez MaRsXzU

[Sabre]

Strasznie to dziwne, nie widziałem nigdy czegoś takiego. Pewnie masz źle dobraną diodę do całości, bo z tego co wnioskuję, to podczerwień musi przejść przez szczeliny, odbić się od czegoś i wrócić przez kolejne szczeliny. Dioda powinna mieć dosyć wąski kąt świecenia żeby wystarczająco duża wiązka przechodziła przez szczeliny, aby się potem odbić. A po to są 2 fototranzystory bo to transoptor kwadraturowy, dzięki temu można określić kierunek obrotów na podstawie sygnału na obydwu fototranzystorach.

Rozumiem, że nie posiadasz oryginalnej elektroniki, która steruje tym, bądź odbiera te sygnały z fototranzystorów.

[MaRsXzU]

Co do zasady działania - to dokładnie tak. Jednak nie rozumiem, dlaczego szukamy dziury w tym układzie fotonadajnik-fotodetektor. Układ coś tam wypluwa za sygnał, który może być podstawą dalszego pomiaru - przynajmniej do jakiś wartości częstotliwości, która może okazać się graniczną. Mam wrażenie, że może się okazać, że im bardziej bym poprawił warunki tego klucza optycznego, tym by to lepiej wyglądało dla dużych prędkości. Jednak wydaje się być czymś naturalnym ta malejąca amplituda wraz z rosnącą prędkością obrotową. Czy ta rezystancja na kolektorze to problem nie do przeskoczenia na drodze dalszej obróbki tego sygnału (jestem zielony w te tematy)?

Teoretycznie dałoby się zrobić rozpoznawanie kierunku obrotów. Dolna para, oryginalnie, kluczowała na wskaźniku zerowym. Ja chciałbym go wykorzystać do określania położenia kątowego poprzez odliczanie nacięć na głównym obwodzie od tego wskaźnika (wiadomo ma to tylko sens po zatrzymaniu, albo obrocie ręką/kluczem wału, do którego ów enkoder byłby zamontowany) - zakładam stały i niezmienny kierunek obrotu wału (tylko wtedy jest to możliwe).

Starą elektronikę (foto1) posiadam, jednak została uszkodzona przy demontażu. Zalano ją jakimś tworzywem i połączono z pokrywką (z której to tworzywo na tokarce mi usunięto). W zasadzie z jakiegoś powodu ten enkoder nie działał skoro został rozebrany. Foto 2 to orygialny wygląd tej kostki przed moją ingerencją. Dzięki tej formie z żywicy idealnie się spasowują w element przesłaniający.

Foto 3 to wycięta kostka z tymi fototranzystorami, już przerobiona, tj wywierciłem otwór w ich miejscu i wsadziłem tą swoją diodę IR. Foto 4 to oryginalny układ tej kostki, aktualnie dioda IR jest zasilana z zewnątrz. Tzn na bazie starego układu dorobiłem sobie podstawkę w druku 3D, w której osadziłem przesłonę wraz z fototranzystorami i diodą IR. Wyprowadziłem sobie wszystkie przewody (tj + na kolektory f-t, emiter na ft 1. emiter na ft2, + na diodę, - na diodę) poza obudowę, w której wszystko zostało zmontowane tak jak miało to być w oryginale.

Aktualnie badam tylko fototranzystor na głównym obwodzie z nacięciami. Nieunikniona jest konfrontacja z przejściem na kluczowanie z emitera, albo przerwanie ścieżki na kolektorach i zrobienie wspólnej masy na emiterach. Oryginalnie chyba te f-t kluczowały z emiterów skoro wyprowadzono je osobno.

Edytowano Wrzesień 29, 2019 przez MaRsXzU

[Sabre]

A widzisz, trochę rozjaśniłeś zdjęciem oryginalnego modułu. Dlaczego to drążę, ano dlatego, że próbowałeś wzmocnić sygnał kiepskiej jakości. Zanim zaczniesz wzmacniać ten kiepski sygnał, zrób wszystko co możesz, aby ten sygnał był jak najlepszej jakości, jak najwyższej amplitudy. W oryginale były dwie pary nadajnik IR - odbiornik. Te diody nadawcze były nie dość że pod kątem, to jeszcze miały soczewkę i pewnie dosyć wąski kąt świecenia dzięki temu.

Jeśli nie potrzebujesz wykrywania kierunku obrotu to zmień kąt nachylenia Twojej diody IR tak jak było w oryginale.  Ta dioda musi być nachylona w stronę jednego z dwóch fototranzystorów i musisz są cofnąć, tak aby jej czoło było mniej więcej na tej samej głębokości co fototranzystor.

Dlatego w tej chwili masz tak małą amplitudę sygnału bo zbyt mała ilość IR dociera do fototranzystora. Według mnie nie ma się co bawić na razie we wzmacnianie tego sygnału. Trzeba go doprowadzić do odpowiedniej postaci przez odpowiednie ustawienie diody IR.

[MaRsXzU]

Przetestowałem kilka kombinacji.
Ze zmniejszaniem rezystancji na kolektorze musiałem zmniejszać rezystancję na diodzie (sprawić by świeciła jaśniej).
Doszedłem do momentu, gdy przy 33k na kolektorze na diodzie mam 47 R. Nie będę chyba próbował zejść niżej, ze względu na dobro diody IR.

Sygnał zdaje się być o wiele lepsze, mniej zaszumiony, o większej wartości napięcia peak to peak. Co sądzisz? Na filmie cały czas obracam tarczą enkodera. 

 

 

Tu obracam tarczą na wkrętarce (max obroty podobno 600 /min). Wygląda to o wiele lepiej niż poprzednio.
 

 

Edytowano Wrzesień 30, 2019 przez MaRsXzU

[Sabre]

Wygląda to lepiej, ale nie jest tak jak być powinno ze względu na złe umiejscowienie/dobranie diody IR. Aczkolwiek już pewnie dałoby się to przepuścić przez komparator, który powinien poprawnie to odciąć, pytanie co będzie przy maksymalnych obrotach, bo wtedy na pewno amplituda spadnie.

Edytowano Wrzesień 30, 2019 przez Sabre

[MaRsXzU]

Z tego powodu podejmę najpierw próbę wzmocnienia tego sygnału i obserwowania co to da. Interesują mnie prędkości z zakresu 1000-6000 (max). Gdy będę wstanie rozpędzić enkoder do takich prędkości zastanowię się nad wartością tego wzmocnienia. Zastosowaniem ma być pomiar prędkości silnika spalinowego.

Mógłby ktoś mnie naprowadzić o co tu chodzi, że ten wzmacniacz mi tego nie wzmacnia? Od 3ch dni próbuję różnych konfiguracji, odwracający/nieodwracający, zasilanie symetryczne/asymetryczne, LM4558/TL074. Popełniam jakiś fundamentalny błąd czy o co chodzi? Odbieram stały sygnał ~3,5 V. Kompletny brak reakcji na sygnał z kolektora.

Edytowano Wrzesień 30, 2019 przez MaRsXzU

[Sabre]

Tutaj już Ci nie pomogę, nie mam zbyt dużej wiedzy jeśli chodzi o wzmacniacze. Spróbuj może najpierw z komparatorem. Odetniesz sobie dzięki temu część sygnału i uzyskasz bardziej prostokątny wygląd, co będzie porównywalne ze wzmocnieniem.

[Sabre]

@MaRsXzU tak jak pisałem wcześniej, nie za bardzo znam się na wzmacniaczach, elektronika analogowa to nie mój konik. Ty chcesz wzmocnić sygnał który ma małą amplitudę ale dosyć dużą składową stałą. Tu jest chyba pies pogrzebany, nie wzmocnisz tego sygnału bo on ma dosyć wysokie napięcie stałe w okolicach 3,2V. Różnica na tej sinusoidzie pomiędzy napięciem maksymalnym a minimalnym wynosi tylko 312mV. Więc jeśli chcesz to wzmocnić to wzmacniasz również składową stałą i ta sinusoida tylko unosi się wyżej a różnica pomiędzy minimum i maksimum nie rośnie prawie wcale. Do tego używasz wzmacniaczy zwykłych, nie typu rail to rail. 

Zwykły wzmacniacz ma górną granicę powyżej której nie wzmocni bardziej sygnału z wejścia. Może to być np Vcc-1,2V rzucam z głowy. Np widzę w dokumentacji, że dla zasilania symetrycznego +-5V ten wzmacniacz da na wyjściu sygnał maksymalnie około +-3V. Dla tak niskiego zasilania nie wzmocnisz więc już swojego sygnału wcale. 

Gdybyś użył wzmacniacza rail to rail, to jego wyjście może być prawie równe napięciu zasilającemu. Ale to tyle jeśli chodzi o moją wiedzę na ten temat.

Gdybyś użył komparatora to wtedy ustalisz napięcie minimalne na troszkę wyższe niż minimum Twojego sygnału i wtedy ta składowa stała zostanie odcięta. Dla napięć poniżej 3,2V będziesz miał 0V a dla napięć powyżej będziesz miał Vcc.

Edytowano Październik 1, 2019 przez Sabre

[MaRsXzU]

Faktycznie, może to być to. Muszę spróbować jeszcze raz, ale z 12 V. Bo miałem wrażenie, że ten układ coś w ogóle nie działa.

Przydałoby się w jakiś sposób odfiltrować tą składową stałą, ale tylko ją. Nie chciał bym stracić możliwości odczytu przy niskich prędkościach (obrót kluczem - określanie położenia kątowego). 

Albo
Skoro wzmacniacz operacyjny wzmacnia różnicę sygnałów na swoich wejściach to zamiast odnosić się do masy, odniósłbym rejestrowany przebieg do 3,3 V z zasilacza. I miałbym teoretycznie prawie symetryczną sinusoidę. Ale nie wiem czy to nie są jakieś elektroniczne herezje, bo się nie znam za bardzo na tym.

Zacznę od jakiegoś prostego filtra RC i dam znać co to z tego wychodzi.

[Sabre]

2 minuty temu, MaRsXzU napisał:

Skoro wzmacniacz operacyjny wzmacnia różnicę sygnałów na swoich wejściach to zamiast odnosić się do masy, odniósłbym rejestrowany przebieg do 3,3 V z zasilacza. I miałbym teoretycznie prawie symetryczną sinusoidę. Ale nie wiem czy to nie są jakieś elektroniczne herezje, bo się nie znam za bardzo na tym.

Ale to będzie właśnie działało jak komparator. Porównasz wejście ze znanym napięciem 3,2-3,3V z napięciem sinusoidalnym i wszystko powyżej tej granicy będzie Vcc, a poniżej komparator zrobi z tego GND. Z tym, że komparator właśnie ma od razu wyjście zbliżone bardziej do Vcc i GND, ale tego nie jestem w 100% pewny.

Dla +-12V zasilania na wyjściu TL074 będziesz miał +-9V więc celuj we wzmocnienie jakieś 2,5 raza maksymalnie.