Forsterke / filtrere puls

[petterg]

Jeg har en teori om at en brukbar måte å forsterke pulssignal på, og redusere støy, er å sende det opprinnelige signalet (evt høypass filtrert) til den ene inngangen på en opamp, og sende en lavpass filtrert versjon av det samme signalet til den andre inngangen på opampen. Tanken er da at man får ut signalet fratrukket eventuelle offset og lavfrekvent støy.

 

Men i simulering ser ikke dette ut til å gå helt som forventet. Jeg hadde ventet at det lavpassfiltrerte signalet skulle ligge omtrent på nivå med spenningen inngangen ligger på mellom pulsene. Hvorfor gjør det ikke det?

 

(Formålet med det hele er å lage en detektor som kjenner retning til en radiosender. Mottageren gir positive pulser med en negativ offsett på den ene siden, og negative pulser med positiv offsett på den andre siden. I midten gir den 0 spenning (kun støy). Dette skal mates i en MPU som så kan styre dreining av mottageren. Pulsenes amplitude vil være ca 3-5x offset. Men både styrke på offsett og puls vil variere med avstanden til sender. På lang avstand vil pulsenes amplitude kunne være mindre enn offset på kort avstand. Og på kort avstand er det en fare for at offsett spenningen (etter flere ledd med forsterkning) blir høy nok til å "mette" MPU'en slik at den ikke klarer å skille puls fra offsett. Derfor er det et mål å klare å gjøre pulsene minst 10 ganger større enn offsett. Det kan godt tenkes at andre måter enn mitt forsøk på differanse mellom opprinnelig og lavpassfiltrert signal er bedre for å oppnå dette.)

 

 

Først lagde jeg lavpassdelen i NI Multisim. Resultatet ble:

Første senario:

Signalkilden sender positive pulser med amplitude 1mV og offset -0,2mV. Signalet varierer altså fra -0,2mV til +0,8mV. Ut fra lavpassfilteret kommer da et signal som ligger på ca -0,15mV. Altså nesten perfekt for hva jeg ønsket meg, men som ikke ser særlig realistisk ut.

 

 

 

Andre senario, er det inverse av første.

Signalkilden sender pulser med amplitude -1mV og offset +0,2mV. Signalet varierer altså fra -0,8mV til +0,2mV. Ut fra lavpassfilteret kommer da fotsatt et signal som ligger på ca -0,17mV. Hvorfor ble dette signalet mer negativt enn i første senario? Her hadde jeg forventet at utsignalet skulle bli som i første senario med motsatt fortegn.

 

 

 

Tredje senario, som første med økt spenning:

Signalkilden sender positive pulser med amplitude 5mV og offset -1mV. Signalet varierer altså fra -1mV til +4mV. Ut fra lavpassfilteret kommer da et signal som ligger på ca -0,2mV. Igjen undrer jeg hvorfor skalerte ikke signalet på utgangen proporsjonalt med signalkilden?

 

 

Så lagde jeg samme krets i LT Spice - resultatet ble motsatt! Altså, første senario i LT Spice har et resultat som ligner på andre senario i Multisim - og motsatt.

 

 

Er slike resultater et varsel om at kretsen er ustabil? Hvor har jeg gjort tabben denne gangen? Hva ville en bedre metode for å oppnå det samme være?

 

Tegning og fil for LT spice, andre senario, er vedlagt.

(Det største mysteriet for disse filene er at utgangen (grønn) har høyere spenning enn max-verdien på inngangen (blå))

 

test-lavpass-aktiv.zip

[Dr_VingTor]

Hmm. Kan ikke si at jeg kan huske å ha sett en slik kobling av opamp før.

 

R1 og C1 gir et lavpass filter. Siden utgangen av opampen er koblet rett til negativ inngang, så minner dette om en "voltage follower", dvs at utgangen prøver å bli lik den positive inngangen (husk at de to inngangene på en opamp "har" samme spenning, de prøver å være lik i en slik oppkobling).

Nå vil C3 fungere som en kortslutning for høye frekvenser, så de vil bli koblet delvis rett til utgangen/negativ inngang. Litt usikker på hvordan denne vil påvirke kretsen. Jeg vil anta at opampen ikke bryr seg mye om dette og bare prøver å oppføre seg som en "voltage follower".
Dette ser du om du sammenlikner utgang og positiv inngang på opampen.

Skal du kjøre summering så vil jeg tru at du må lage de to filtrerte signalene hver for seg (med hver sin opamp), så kan du bruke utgangen fra disse to opampene og en tredje opamp til å summere sammen signalene for å få ønsket resultat. Søk på opamp adder/subtractor så finner du eksempler.

 

Husk at en opamp vil ha en output voltage offset, og denne kan ofte være i mV området, men den vil du neppe få med i simulering, men du må kanskje ta hensyn til den om du skal bygge denne kretsen.

[petterg]

Skissen over var kun lavpass-delen av kretsen. Jeg regner med å trenge minst 4 opamper for kretsen. Ideen er 1) Høyimpedans buffer 2+3) filtrere høypass (eller hele signalet) og lavpass til hver sin opamp med tilpasset gain slik at de ved 4) kan differensieres slik at signalet mellom pulsene fra utgangen blir lik virtuell jord, uavhengig av hva det var i opprinnelig signal, og evt 5) forsterkes slik at pulsene går til metning av utgangsopampen, uavhengig av hvilken amplitude den kom inn med.

 

Utfordringen ligger i 2+3 ettersom tradisjonelle frekvensfiltere flater ut brå spenningsendringer, men likevel har en spenningsendring når man ønsker det skal flate helt ut.

 

Et filter som klarer å filtrere ut de raske spenningsendringene av en puls ser jeg ikke som mulig å lage. Men et filter som klarer å filtrere bort disse pulsene og kun gi DC-komponenten burde være mulig. Og dermed burde det også være mulig å sammenligne denne DC-komponenten med det opprinnelige signalet for å tilslutt sitte igjen med kun pulsene.

 

Kan godt være helt andre metoder som gjør dette bedre. Kom gjerne med forslag. Implementeringsforsøket mitt fungerer åpenbart ikke.

[Dr_VingTor]

Trur en kan slite litt med at de forskjellige filtrene (høypass/lavpass) vil ha forskjellig fase forskyvning, og at når en kommer til summerings delen så er fasen blitt så forskjellig at summen ikke vil bli en pen puls. Bare noe jeg kom på, kan være verdt å sjekke.

[toreae]

Tror du må se på C1 som koblet til R1 og R2 på ene siden, og utgangen av U1 på andre siden.