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Thema: Tiefpass - ungefähre Dimensionierung der Bauteile?

  1. #1
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie Avatar von Willa
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    Tiefpass - ungefähre Dimensionierung der Bauteile?

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    Hallo!
    Für den Beschleunigungsmesser (ACC) meines Tricopters brauche ich einen Tiefpassfilter. Das Signal des ACCs rauscht schon ohne laufende Motoren etwas, wenn die Motoren erst mal laufen rauscht es sicherlich noch mehr. Ich finde nirgends Faustregeln für die Dimensionierung von Widerstand und Kondensator... Im Moment nutze ich 20kOhm und 100nF, das sollte eine Grenzfrequenz von 79 Hz ergeben. 4.7µF und 425 Ohm würden auch eine Grenzfrequenz von 79 Hz ergeben.... Was ist denn nun besser? Und was für einen Kondensatorentyp würdet ihr empfehlen?

    Was für eine Grenzfrequenz ist für mich überhaupt sinnvoll....? Der ADC wird ca. mit 200 Hz abgefragt, es reicht aber wenn der ACC "mit 50 Hz auf Änderungen reagiert"... (mir ist klar dass das sich so einfach nicht sagen lässt)

    P.S.: Gibt es eine Möglichkeit die Ausgangsspannung eines Spannungsreglers (7805) extrem zu stabilisieren? Die üblichen 2 Kondensatoren sind dran, kann man da irgendwie noch mehr erreichen?

    Vielen Dank für eure Hilfe!
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    Viele Grüße, William
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  2. #2
    Erfahrener Benutzer Roboter-Spezialist
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    Hm, ich bin zwar nicht der elektro-profi, aber ich hab mir folgendes überlegt (bin mal gespannt ob ich damit richtig liege):
    1.) Bei hohen Freq wird C leitend, d.h. es fliesst ein Strom in ihn rein (und wieder raus). DIeser Strom wird ja nur durch R begrenzt und daher ist ein grösserer R sinvoll zwecks Effizienz. Frage: Ist der Strom in dem Fall egal, weil er ja hin und her fließt (Blindleistung oder so?)? Oder kann er das Signal verfälschen (zusätzlich zum Filter) , wenn die Quelle nicht genug Strom liefern kann, so dass die Spannung einbricht?).

    2. Widerstand erhöht das Rauschen, also sollte der R möglichst niedrig sein. Aber fällt das bei 20kOhm schon ins Gewicht?

    Fazit: Ich schliesse mich der Frage an. Gibts da irgendwelche Faustregeln?

    Gruß

    GErald

  3. #3
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein Avatar von wkrug
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    Du kannst den Tiefpaß nicht für sich alleine betrachten.
    Das Signal kommt ja aus einer Quelle, die einen maximalen Strom liefern kann und einen Innenwiderstand hat.
    Am Ausgang ist ja wieder eine Last, die einen Eingangswiderstand hat.

    Der Widerstand des RC Gliedes muß so gewählt werden, das die Quelle nicht überlastet wird und der Eingangswiderstand der folgeschaltung möglichst wenig Einfluß auf auf die Ausgangsspannung des Tiefpasses hat.

    Üblicherweise liegen gute Werte für den Widerstand um die 1...10kOhm.
    Es kommt aber, wie oben schon geschrieben, auf die Eingangs und Ausgangswiderstände der vorherigen / nachfolgenden Schaltung an.

    Als Kondensatoren würde ich Folienkondensatoren verwenden.
    Keramische Kondensatoren rauschen, haben Mikrofonie und ändern ihre Werte mit der Temperatur. Das sind alles Effekte, die man in einer Messschaltung nicht wirklich haben will.
    Für Entstörzwecke nimmt man Keramikkondensatoren, weil die kleiner bauen, günstig sind und an sich gute Filtereigenschaften haben.

  4. #4
    Moderator Roboter Genie
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    Hi!
    Welchen Beschleunigungssensor verwendest du denn genau?
    Im Datenblatt meines ADXL322 steht das mit dem Tiefpass im Kapitel "Setting the bandwidth using Cx and Cy". Dabei ist zu beachten, dass der Sensor einen Innenwiderstand von etwa 32kOhm hat und man somit nur noch eine passende Kapazität braucht.
    Zur Orientierung ist da zusätzlich zur genauen Formel zur Berechnung, noch eine kleine Tabelle mit Kapazität und Bandbreite. Verwendet man am Ausgang z.B. einen 100nF Kondensator, so hat man noch eine Bandbreite von 50Hz. Bei 27nF sind es 200Hz.

    Wie gesagt: Poste mal die genaue Bezeichnung oder schau selber im Datenblatt nach.

    MfG
    Basti

    P.S.: Die genaue Berechnungsformel (die Universell einsetzbar sein sollte) lautet: Bandbreite = 1/(2*Pi*(Widerstand)*Kapazität)

  5. #5
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie Avatar von Willa
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    Hi!
    Okay, also zählt das R des Accs mit... Das wusste ich nicht. Ich nutze einen lis3l02as4, im Anhang ein Auszug aus dem Datenblatt. Demnach wäre meine Bandbreite im Moment 13 Hz... (1/(2*PI*120000*100nF)) Kann ich mir nicht so richtig vorstellen da meine ADC Werte ziemlich schnell schwanken. Oder liegt der Fehler ganz woanders? Fließt der Widerstand des ADC dann etwa auch noch irgendwo ein?
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    Viele Grüße, William
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  6. #6
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie Avatar von Willa
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    Okay, es gibt wieder ein Problem.... diesmal mit einem HOCHpass für die Gyro's.... Damit möchte ich gerne den Drift verringern/ ganz wegmachen. Im Moment habe ich R=10K und C=4.7µF, damit komme ich auf eine Grenzfrequenz von 3,4 Hz. Das scheint viiiiiel zu hoch zu sein. Das Gyro hat zwar keinen Drift mehr, reagiert aber nur noch auf geweltsame Drehungen. Leider habe ich keine anderen Kondensatoren da. Ich brauche wohl nur einen ganz schwachen Hochpass. D.h. es sollen nur sehr niedrige Frequenzen abgeschwächt werden...
    Scheinbar müsste ich ca. 100µF Tantal und 100k nehmen (fg=0.016Hz). Macht das Sinn?
    Hmmmm... bei Conrad gibts auch 1000µF MKS Folienkondensatoren.... Was ist wohl besser? Ganz billig ist das ganze auch nicht, schließlich brauche ich alles drei mal und eigentlich auch verschiedene Kondensatoren um zu gucken welcher am besten passt.... Wieder mal gibt Google keine Anhaltswerte für die Dimensionierung von Kondensator und Widerstand........

    edit: ich sehe grad, die MKS Kondensatoren haben Maße von 7.2 x 5 x 10 mm... Das ist ein bisschen extrem groß! Was tun? Ist 100k als Widerstand in Ordnung zusammen mit nem 100 µF Tantal? Wie groß der ist steht da leider nicht.
    Viele Grüße, William
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  7. #7
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    So, Tantalkondensatoren sind auch bei 100µF nicht groß. So einen verwende ich grad für den Hochpass. Meine Grenzfrequenz ist damit 0.16 Hz, Murata empfiehlt im Datenblatt 0.3 Hz, sollte also hinhauen.
    Macht es eigentlich einen Unterschied ob man vor oder nach der Verstärkung filtert...? Mir fallen für beide Varianten Begründungen ein..... Am Ende ist es total egal?
    Viele Grüße, William
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  8. #8
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    Die Drift des Gyros kriegt man mit dem Hochpass nicht weg, man sieht sie nur nicht mehr. Der einfachste Weg wäre wahrscheinlich den DC Fehler des Gyros in der software zu berücksichtinge. Ein Filter für so niedrige Freqwunezen läßt sich recht gut in Software relalisieren.

    Wenn man es unbedingt in Hardware machen will, kann man den Widerstand auch größer machen. Wenn der Kondensator am Eingang des ADs vom AVR großer als etwa 22 nF ist, kann der Widerstand auch größer als 10 K sein. Selbst 1 M sollte noch kein Problem sein, wenn man nicht gerade hohe Temperaturen hat. Ich würde 1 M und 10 µF tantal wählen. Das es da 1000µF als MKS gibt kann ich kaum glauben. Da würde ich eine Klotz von rund 100g - 1 kg Gewicht erwarten.

    Ob man den Filter vor oder hinter den Verstärker macht, hängt von der Schaltung ab. Wenn der DC Fehler des Gyros groß ist, wird man den Filter vor dden Verstärker machen müssen, sonst wäre eher dahinter besser.

  9. #9
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    Die Drift des Gyros kriegt man mit dem Hochpass nicht weg, man sieht sie nur nicht mehr
    d.h. sie werden rausgefiltert....? Oder nicht? Ein Drift ist doch eine gaaaanz langsame Änderung des Signals. Sollte das nicht mit einem Hochpass verschwinden? Ziel ist ja nur dass mein I-Anteil nicht so schnell wegläuft wie ohne Filter. Wenn er trotzdem noch leicht wegläuft ists egal, dafür habe ich ja nun den ACC der dem Gyro sagt "DAS ist der Wahrheit!".
    Der einfachste Weg wäre wahrscheinlich den DC Fehler des Gyros in der software zu berücksichtinge. Ein Filter für so niedrige Freqwunezen läßt sich recht gut in Software relalisieren.
    Wie würdest du das machen? Meine Idee:
    Code:
    if Gyro_I > ACC then
       Gyro_I = Gyro_I - 5
    end if
    if Gyro_I < ACC then
       Gyro_I = Gyro_I + 5
    end if
    Da ich nun ein Steckbrett habe kann ich versch. C/R Kombinationen für den Hochpass schnell austesten:
    Das Gyroboard wird senkrecht hingestellt und dann lasse ich es umkippen. Es fällt dabei nicht auf die harte Tischplatte (also keine Sprungantwort) sondern auf etwas weiches. Deswegen schwingt das Signal auch um null. Mann kann erkennen dass zu hohe Grenzfrequenzen die Amplitude des Signals abschwächen und nach dem "Sprung" lange brauchen um wieder auf null zu kommen. Ich denke eine Grenzfrequenz von 0.025Hz ist ganz gut für meine Zwecke... Eben ein seeehr schwacher Filter.


    (Die Werte sind Mittelwerte aus drei Messungen)

    p.s.: was mir grad auffällt: Wenn ich nen starken Hochpass nehme, dann habe ich kein P-Signal mehr sonder direkt den D-Anteil, oder...? Hmmm... vielleicht gar nicht so blöd.
    Viele Grüße, William
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  10. #10
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    Ein typischer Hochpassfilter wäre so:
    drift = 0.999 * drift + ADC
    adc = adc - drift

    So wie es aussieht werden die Werte des gyros ja ohnehin für einen Regler gebraucht. Da könnt man theoretisch den Filer auch gleich mit integrieren. Einfach nur das Integralglied wieder zurückzusetzen wenn Grnzen ereicht werden ist nicht so gut. Besser wäre es da das Integral gleid ähnlich wie im Filter oben, unabhängig von der Größe mit einem Faktor von fast 1 zu multiplizieren.

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