ATMEGA324 i MCP3302, pomiar różnicowy i komunikacja

[qwee]

Jeszcze jedna sprawa.

Mój pomiar wymaga wstępnej filtracji dolnoprzepustowym filtrem. Stworzyłem sobie model takiego filtru w programie dostarczonym przez TI, który obliczył mi ładnie parametry elementów pasywnych. Jednak nie wiem jakiego wzmacniacza do tego użyć. Czy może to być zwykły tl082, czy polecacie coś bardziej wyrafinowanego?

Problemem jest także zasilanie. Z jednej strony potrzebuję zasilania symetrycznego dla zasilenia filtru. Początkowo planowałem ICL7660. Czy nadaje się to do zasilenia wzmacniacza?

Druga sprawa: całość chciałbym zasilić z 220DC i tutaj jest problem. Czy wystarczy do tego jakaś przetwornica impulsowa? Posiada ktoś schemat takiego układu?

[marek1707]

Najbardziej podoba mi się kondensator 682.96nF

W tym programie możesz zadawać z jakich szeregów będą dobierane wartości elementów. W rzeczywistym świecie warto dobierać oporniki z E24 a kondensatory z E12 lub nawet E6. Działanie filtra różni się wtedy nieco od osiągów teoretycznych (co program też potrafi pokazać) ale przynajmniej nie patrzą na Ciebie dziwnie w sklepie elektronicznym.

Ta konfiguracja filtra bardzo dobrze nadaje się do zasilania asymetrycznego. Przecież jeżeli na wejściu będzie składowa stała to zostanie ona przeniesiona na wyjście (filtr LowPass) polaryzując tym samym cały tor wzmacniaczy pracujących tu jako wtórniki napięciowe. Tak więc zadbaj o 2V DC na wejściu, na to nałóż sygnał i po bólu. Pamiętaj, że taki filtr przesuwa fazę więc jeśli będziesz mierzył jakieś zależności między prądem a napięciem to faza się rozjedzie i np. z liczenia mocy (mnożenie wartości chwilowych) nici. Oczywiście możesz to opóźnienie skompensować programowo robiąc FIFO dla próbek ale tylko dla pewnej częstotliwości - opóźnienie grupowe zaleźy od częstotliwości sygnału. Różne harmoniczne będą różnie przesuwane szczególnie gdy będziesz się zbliżał do f0 filtra

Nie wiem co znaczy "całość" w sensie zasilania. Robiąc urządzenie w zamkniętej obudowe możesz po prostu za 20 złotych kupić i wbudować tam zasilacz typu "open frame" specjalnie do takich celów przeznaczony, np. taki:

http://www.tme.eu/pl/details/ps-05-5/zasilacze-impulsowe-otwarte/mean-well/#

lub trochę inny:

http://www.tme.eu/pl/details/pm-10-5/zasilacze-impulsowe-przemyslowe/mean-well/#

Z resztą wybór tego jest ogromny a i tak nie wiem czego dokładnie potrzebujesz. Moce, liczba wyjść, kombinacje napięć - do wyboru do koloru.

Powiedz jakie sygnały będzie ten filtr przenosił, jakie ma tłumić, jakie amplitudy sygnału, jakie będzie zasilanie i co będzie dalej (np. ile bitów i jaki ADC). Wtedy pogadamy o wzmacniaczu.

[qwee]

Te śmieszne parametry zaokrągliłem do takich, które można dostać w sklepie i właściwości filtru nie odbiegają znacząco od tych z ułamkowymi pojemnościami, przynajmniej na symulacji.

Całość w sensie cały układ. Układ pomiarowy nad którym użalam się w tym temacie, układ obliczeniowy osadzony na atmedze324 i wyjściowo sygnalizacyjny - też mikrokontroler. Wszystko w jest w jednej obudowie jako jedno urządzenie.

Zasadniczo podawane są sygnały o częstotliwości sieciowej 50Hz z harmonicznymi. Początkowo planuję odciąć pewne częstotliwości filtrem analogowym aby pozbyć się aliasów przy próbkowaniu. Dalej filtracja cyfrowa w miarę możliwości atmegi. Amplitudy sygnałów: dla napięcia to 150 V obniżone transformatorem - dobiorę w miarę potrzeb. Prąd - tutaj spadek napięcia na 0.1Ω przy 1,5A więc 0.15 mV wartości skutecznej.

Co do fazy to nie ma znaczenia - liczą się tylko kształty sygnałów.Tak więc nie ma specjalnych wymagań.

ADC to MCP3302 13 bitowy z czego 1 bit na znak. Przy napięciu odniesienia 4,096V rozdzielczość będzie wynosiła 1mV co zadowala mnie w zupełności.

Próbkowanie zamierzam przeprowadzić jak najszybsze, lecz zadowolę się 2-4ksps w obliczu filtracji cyfrowej na atmedze, mimo, że mam do niej kwarc 20mhz. W związku z tym z twierdzenia Nyquista muszę odciąć przynajmniej połowę częstotliwości próbkowania, lecz im więcej tym lepiej ( tak myślę ).

Na początku rozważany był pomiar wraz z składową stałą, lecz przecież ten przetwornik toleruje napięcia ujemne w pomiarach single ended ( też tak myślę ) i zasadniczo wykorzystując do zasilania 7660 mógłbym operować na sygnałach przemiennych bez składowej stałej. Mam dwa wyjścia: albo 7660 i pomiar bipolarny, albo kilka rezystorów i pomiar unipolarny. Nie wiem które rozwiązanie będzie bardziej odpowiednie ze względów praktycznych i bardziej "eleganckie". Obawiam się, że w przypadku pomiarów bipolarnych obliczenia będą bardziej zasobożerne ze względu na znak ujemny.

Ale.. o ile sygnał napięciowy może zostać tak dopasowany aby wypełnił cały zakres przetwornika - musi zostać osłabiony i składowa stała dobrana na wspomniane 2 V czyli połowę zakresu pomiarowego, to spadek napięcia na rezystorze pomiarowym musi zostać wzmocniony. Gdy dodam składową stałą o wartości połowy zakresu pomiarowego to ona też zostanie wzmocniona. Musiałaby być tak dobrana aby była równa amplitudzie i sinusoida w punkcie minimalnym stykałaby się z osią X. Wówczas można to wzmocnić w układzie niesymetrycznym. W innym wypadku składowa stała będzie również wzmacniana i praktycznie od razu wzmacniacz się nasyci. Chyba, że źle myślę

edit: opanowałem to ustawiając masę wzmacniacza na wartość składowej stałej mam nadzieje, że to dobry ruch.

Mam obecny tlc274, nawet dwie sztuki i zastanawiam się czy nada się to do tej aplikacji zakładając zasilanie asymetryczne i wtrącenie składowej stałej?

[marek1707]

Nie bierz tych uwag o dziwnych liczbach do siebie. Zawsze gdy widzę schemat z czterema lub pięcioma cyframi znaczącymi przy elementach, które jesteśmy w stanie kupić i/lub zmierzyć z dokładnością kilku procent - nie mogę się powstrzymać, wybacz.

Pytając o całość chciałem wiedzieć co tam jeszcze będzie w środku, bo czasem układ pomiarowy jest tylko jakimś frontem systemu a potem trzeba wysterować jakiś potężny stycznik albo silnik czy serwo napęd a zasilacz musi to łyknąć. W Twoim przypadku potrzeby mocowe są niewielkie, na pewno coś sobie - choćby i w TME - dobierzesz. Robienie przetwornicy sieciowej jest oczywiście możliwe ale dla pojedynczej sztuki urządzenia zupełnie nie ma sensu. Kupujesz gotowy klocek i przynajmniej ten kłopot masz z głowy. Jeżeli potrzebujesz super stałości, czystości itp bierzesz zasilacz z o kilka woltów większym napięciem i zjeżdżasz w dół odpowiednio dobrym stabilizatorem liniowym. Moim zdaniem w Twoim przypadku wystarczy pojedyncze 5V odfiltrowane przez LC dla części analogowej i przez podobny filtr dla części cyfrowej.

Zrobiłeś filtr na jakieś 100Hz i to jest bardzo dobry wybór jeśli chodzi o planowane przetwarzanie w AVR. Nie wiem co chcesz robić w części cyfrowej, bo filtrowanie to jednak szerokie pojęcie, ale jeśli uzyskasz kilka kHz sampling rate to i tak będzie sukces. Te procesory kompletnie się do tego nie nadają. Przede wszystkim brakuje im długiego (16x16) mnożenia ze znakiem i oczywiście MACa czyli mnożenia-akumulacji. W przetwarzaniu sygnałów bardzo rzadko spotyka się algorytmy mogące pracować na liczbach bez znaku (np. filtr o średniej kroczącej) ale już każdy FIR będzie miał współczynniki ze znakiem. Nie ma znaczenia co naprawdę dochodzi do przetwornika. Nawet w przypadku pomiarów single-ended (nie wiem, chyba jednoprzewodowych) ustalasz jakąś kalibrację na poziom składowej stałej, która zwykle będzie gdzieś w okolicach połowy zakresu przetwarzania a potem i tak odejmujesz to od każdego pomiaru tak, by dostać signed int. Napisz dokładniej co chcesz robić po stronie cyfrowej albo jakie paramtery sygnału Cię interesują, to łatwiej będzie coś pisać.

100Hz jest dobre także dlatego, że jak słusznie zauważyłeś wstępne etapy przetwarzania cyfrowego powinieneś zrobić na jak największym oversamplingu a dopiero po odfiltrowaniu i decymacji możesz przejść na niższą częstotliwość. Inaczej musiałbyś zrobić monstrualny filtr anyaliasingowy co jest niepraktyczne. Twój 12-bitowy ADC ma teoretycznie SNR na poziomie ok -70dB co oznacza, że dopiero powyżej 700Hz filtr 4-rzędu zacznie sensownie tłumić i nie będzie widać aliasingów. Wszystko co poniżej będzie przychodziło do przetwornika i będzie widoczne jako coś więcej niż LSB. Tak więc sample rate na poziomie 2kHz to minimum przy tym filtrze i tym przetworniku.

Z drugiej strony napisałeś, że interesują Cię kształty przebiegów. Po filtrze 100Hz nie dostaniesz innego kształtu niż sinusoida, no może lekko skoszona i przypłaszczona 2 i 3 harmoniczną ale musiałyby być naprawdę silne. Czy coś użytecznego z tego wyciągniesz?

TLC274 to wybór.. tak na 50/50. Po pierwsze jest specyfikowany dla 5V niesymetrycznego zasilania więc w ogóle wiesz czego możesz się spodziewać - nie zawsze tak jest. Po drugie ma mały dryf wejściowego napięcia niezrównoważenia co przy wzmacniaczu sprzężonym DC ma duże znaczenie ale w Twoim przypadku wcale nie jestem przekonany czy tak to trzeba zrobić. Wejście nie jest R-R więc pamiętaj, żeby składową stałą ustawić odpowiednio. Z wad to najważniejszą może być lekko małe pasmo. 2MHz dla małych sygnałów - to niewiele przy filtrze aktywnym a pasmo dla full-swing to tylko 200kHz. Filtr może mieć problemy z tłumieniem szybkich zakłóceń impulsowych leżących nawet daleko poza pasmem przepustowym. Wypadałoby dać jeszcze pasywny RC np. na 1-2 kHz przed filtrem aktywnym. Acha, zaletą TLC274 jest technologia MOS - małe wejściowe prądy polaryzacji umożliwiają pójście w duże oporniki i małe kondensatory (choć lepiej nie przeginać) co czasem pozwala oszczędzić miejsce, bo 1M nie jest większy od 1k ale 10uF od 1nF już bywa. Na pewno mając taki układ pod ręką możesz go w prototypie użyć i pomierzyć. Działać będzie.

Fajnie byłoby, gdybyś jakiś schemat blokowy toru przetwarzania wrzucił. Począwszy od stopni wejściowych, poprzez wzmacniacze i filtry analogowe, ADC i dalej całe DSP. Wystarczą bloczki z nazwami funkcji bez szczegółów schematu ideowego, a gdybyś jeszcze opisał to spodziewanymi poziomami sygnałów to taki obraz znacznie by pomógł w zrozumieniu działania tego urządzenia. Jakoś nie czuję co chcesz z sygnału wyciągać a przede wszystkim czy ma to być układ do ciągłego pomiaru pewnych wielkości i oceny jakichś subtelnych cech, czy też do wykrywania pewnych anomalii, które odbiegają np. sytuacji typowej o jeden czy dwa rzędy wielkości ale wtedy niczego nie musimy mierzyć - tylko to wykryć i alarmować, czy co tam, nie wiem. Czy masz taką naprawdę klarowną ideę co chcesz robić w procesorze? Pytam, bo za chwilę może się okazać, że oczekujesz zbyt wiele i najlepiej już teraz pomyśleć o czymś szybszym zanim zmiana będzie naprawdę bolesna.

[qwee]

Schemat blokowy:

Zdaję sobie sprawę, że jest to przerost formy nad treścią, lecz takie są założenia i chcę je zrealizować najlepiej jak się da.

Wspomniana przeze mnie filtracja cyfrowa ma być tylko namiastką filtracji. Nic bardzo wymagającego i skomplikowanego, a nawet jeśli będzie możliwość to ominę tę część. Na razie chciałbym tylko dostarczyć do ADC sygnał sinusoidalny, który będzie zawierał możliwie najmniej harmonicznych.

Dalej obliczane będzie RMS i realizowany algorytm zabezpieczenia w zależności od potrzeb i w zależności od tego jakie sygnały będą dostarczone. To ma tylko mierzyć. Zasadniczo do wejść analogowych dostarczone mają być składowe zerowe prądu i napięcia, ale również można podłączyć bezpośrednio przekładniki lub zabezpieczenie różnicowe etc. Mój układ pomiarowy ma jak na razie tylko mierzyć sygnały a algorytm działania na podstawie tych pomiarów będzie realizowany później. Jednak odpuszczę pomiar kąta fazowego ze względu na przesunięcie filtru. \

Szeroko pojęty algorytm sprowadzi się do porównania pomiarów z wartościami nastawczymi oraz reakcji w postaci odpowiedniego sterowania łącznikami i sygnalizacją. Łączniki to przekaźniki 12 V a sygnalizacja w postaci diod.

Jak na razie chciałbym dobrać wzmacniacz operacyjny do zastosowania go w filtrze. Mój przykład tl274 to tylko rzuciłem tak luźno, gdyż taki mam obecny. Mogę zaopatrzyć się w bardziej odpowiedni jeśli będzie on dostępny za rozsądne pieniądze. Jednak szczerze powiem, że nie jest tu wymagana aptekarska precyzja. Tych zakłóceń też nie będzie specjalnie dużo. Składowa podstawowa + kilka harmonicznych i uzyskać należy tylko tą 50Hz.

Czy mógłbym prosić o propozycję wzmacniacza nadającego się do tego celu?