Добрый день.
Проектируется двухкаскадный активный ФНЧ 4-ого порядка (Саллена-Кея) вход которого подключен к повторителю на ОУ, выход - к 24-битному АЦП. Частота среза по уровню -3дБ равна 3Гц. Пример фильтра приведён на рисунке. В качестве ОУ выбран LTC2051.
На входе фильтра присутствует смещение (~2-3В) для псевдодифференциального режима работы АЦП, на фоне этого смещения необходимо различать единицы микровольт DC, т.е. сигнал может быть очень слабый (и требуется большой динамический диапазон). Без фильтра схема в данный момент работает, метрология устраивает. Интересует, можно ли применять в активном ФНЧ керамические конденсаторы, как скажутся их утечки и пьезоэффект?

Если в области ультразвука, никак, при комнатной температуре. (имхо).
Если фильтр звукового диапазона, с керамикой страшные искажения. У керамики ярко выраженная зависимость ёмкости от напряжения, конечно и от типа сильно зависит.

Мой полезный сигнал, как я указал - напряжение постоянного тока. Фильтр на 3Гц. Диапазон температур печатной платы: 0..70 градусов Цельсия. Калибровка смещения входных цепей может производиться лишь раз в час. Долговременный уход ёмкости на +-20% не страшен, после активного фильтра будет ещё и цифровая фильтрация, но активный не должен ухудшать метрологию

Если метрология устраивает, тогда можешь не волноваться фильтром схему не испортишь. Другое дело если требуется выжать из АЦП и датчика максимум, тогда данное решение не подходит т.к. фильтр это второстепенная вещь, он конечно выполняет важную функцию, но главное это вход и выход аналоговой схемы (оффтоп).

На счет конденсаторов, и пьезоэффекта: он проявляется только на низких частотах вследствие приличной массы, и резонансной частоты всей конструкции прибора. Самое главное чтобы во время работы на конденсаторе (любого типа) не висело постоянное напряжение (опора), иначе получиться неплохой акселерометр (был в моей практике случай когда коллега спаял схему в надежде получить удароустойчивый регистратор, а получил - акселерометр , я потом это все переделывал).

Если нелинейность устраивает то можешь ставить керамику.

Если бы ПОЛНОСТЬЮ устраивала метрология... Преследуются три цели:
1. Выжать максимум из АЦП
2. Получить приличный антиальясинговый фильтр, т.к. перерабатываю схему под последующую цифровую фильтрацию с полосой 0,05-0,5Гц (используется АЦП той же серии, но с управляемой скоростью выборки и проц потолще)
3. Избавиться от помех, которые пролазиют до АЦП с объекта измерения

В данный момент рассматриваю C0G. Вроде, до 0,1мкФ у мураты найти можно. Как пишут в статье http://my.execpc.com/~endlr/ceramic.html , у этого типа диэлектрика самый низкий микрофонный эффект из всей керамики. Я же остановился на керамике ввиду отсутствия свободного места на ПП. Под весь фильтр (а таких надо два) выделено максимум 100мм^2, ну чуточку может ещё выбью.

Что у Вас там за АЦП ? Скорее всмего Вы таким фильтром ситуацию по низким састотам только ухудшите, за счет 1/f шумов и дрейфов. Обычно для сигма-дельта достаточно пассивного фильтра первого порядка.

http://www.electroclub.info/other/conders1.htm
Вот интересная статеечка про керамику.

Практика такая:

В устройстве по входу был сделан ФВЧ 1-го порядка (RC цепочка) с частотой среза 1 Гц (надо было отсечь постоянную составляющую). R = 1 МОм, С = 1 мкФ.
При использовании керамики 1206 X7R или X5R наблюдалось плаванье постоянного уровня на выходе.
Картина была следующей: в течении суток после пайки плаванья не наблюдалось.
По истечении суток конденсаторы начинали генерить постояную составляющую при малейшем дуновении ветерка.
Прогревали их горячим воздухом(до оплавления припоя) - и опять сутки рабтало нормально.
Так и не поняли природы этого эффекта (скорее всего механичские напряжения внутри керамики, т.к. фактор влажности исключили залив лаком(уже после обнаружения этого эффекта)).

Проблема была решена заменой керамики на пленочные конденсаторы EPCOS.

Для Вашей задачи я бы всё-таки задействовал цифровые фильтры. Говорят, они не так чувтвительны к сквознякам и влаге

А можно поподробнее, пожалуйста?
Я использовал LTC2498, перехожу на LTC2449 с потерей двух бит, но использованием цифрового фильтра с кормлением его на частоте ~220-440Гц. Пассивный слабенький П-образный фильтр присутствует перед активным, но помехи на частотах >1Гц просто кошмарные (объект в окружении промышленных помех). Габариты пассивного фильтра тоже ограничены. Для справки - C1=C2=0.022мкФ, L = 15мГн. Планирую выкинуть L и заменить на R~50кОм. Если повезёт и удастся найти кондёры в данном форм-факторе на 0,1мкФ, то будет просто счастье. Не хотелось бы в АЦП вести помеху, если её значительно можно ослабить средствами активного фильтра.

Источником сигнала что является ?
Для условий промышленных помех наиболее значимым является грамотная передача сигнала от датчика к прибору и всякие там земли-экранировки. Особенно, есл Вы собираетесь высокую точность получать. Неиспользование дифференциальной схемы сразу ставит под вопрос наличие хоть какой точности при наличии помех.

К сожалению, не могу раскрыть. Одно - всё самое ужасное, что может только быть в измерительной технике: высокоомный, с ОЧЕНЬ длинной линией до измерителя, подверженной наведённым напряжениям (значительные ЭМ-наводки), линия недифференциальная... и т.д. Короче, весь кошмар для схемотехника-диагноста-программиста. Если что и можно изменять, то только уже после прихода проводов в измеритель-схему. И то - габариты и бюджет последнего крайне ограничены.
Прошу вернуться к теме вопроса, касаемо утечек керамики и пьезо- сегнето- эффекта. Не могу найти значений этих утечек для тех же murata и tdk.

В статейке не учитывается нелинейность зависимости ёмкости от напряжения.
Y5V
На первом рисунке, 2В*дел, на втором 5В*дел, напряжение снимается с конденсатора, генератор подключен через резистор, импеданс конденсатора соизмерим с импедансом резистора.

Вы бы прокомментировали снимки, куда осциллограф подключен. Какой частот?

По вопросу слабо. Y5V неактуально. Вот бы X7R, но лучше C0G. На днях мегомметром и феном проведу эксперименты на постоянном токе с обоими типами емкостей. Нашёл очень старый даташит на epcos-овские кондёры C0G http://www.epcos.com/inf/20/10/db/cc_07/C0G_CC.pdf Даташит 2006-ого года, ещё до формирования совместной компании TDK-EPC, так что сегодняшний материал C0G и сами кондёры могут сильно отличаться. Надеюсь, сейчас в лучшую сторону. В даташите показан на графике порядок около 2МОм для моего температурного диапазона, этого маловато будет, т.к. в фильтрах стоят резисторы этого же порядка, что на постоянном токе даст ослабление. Где искать такие же доки на мурату и современную TDK-EPC???

P.S. Нашёл ещё у кемета неплохие доки:
http://www.kemet.com/kemet/web/homepage/ke..._CerPerChar.pdf
http://www.kemet.com/kemet/web/homepage/ke...HighVoltCap.pdf
http://www.kemet.com/kemet/web/homepage/ke...ile/GR900CE.pdf

Получается, что X7R и C0G по утечкам (в доках) не отличаются. Как на деле - не известно. Типовые значения:
25єC IR - 100 GΩ or 1000 MΩ-μF, whichever is less
125єC IR - 10 GΩ or 100 MΩ-μF, whichever is less
Это уже гораздо лучше и очень даже допустимо. Получаем, что на постоянном токе и максимальной температуре 0,1мкФ даёт сопротивление утечки порядка 1ГОм. Если конечно, соблюдать термопрофиль при пайке.

P.P.S. Посмотрел кондёры от Vishay. Параметры утечки один-в-один с кеметом. Разницы между X7R и C0G по даташитам в части утечек нет.
P.P.P.S. При более детальном анализе даташитов мураты выяснил (явной формулы не приведено, но прослеживается чётко), что сопротвление утечки у X7R и C0G у них равно 500МОм*1мкФ

Это засада полная. смещение на конденсаторе и его утечка даже при 1 ГОм даст плавающую неопределенность 2mV при Rвых порядка 1МОм . А Вы хотели микровольты. К тому же надеяться на 1 ГОм у керамики слишком оптимистично.

А почему Вы в керамические упёрлись?
У дешевых пленочных больше 30ГОм

Объясняю в третий раз - свободного места на ПП под два таких фильтра всего 100-120мм^2, может ещё наскребу. С плёнкой нереально разместить, да и на другой стороне печатки место занято. Минимальных габаритов 8 кондёров (не самая лучшая плёнка - полифенилен или полиэстер, pitch 5мм), поставленных впритык, съест уже ~165мм^2, а ещё оперы и резисторы... Полипропиленовая плёнка ещё больших габаритов, но имеет самый низкий ток утечки.

тау
Единственный человек, который привёл весомый аргумент и полностью перечеркнул применение керамики в таком фильтре. Очень грустно Как быть? В сторону smd-плёнки не пинайте, уже прорабатывал. В габаритах нисколько не выигрываю. Если даже допустить чудо по части места на плате и то, что можно использовать плёнку, то вопрос утечек и в этом случае будет актуален, если это не полипропилен.

Я просто непонятно объяснил.

Выбираем частоту на которой R = импедансу C, это режим самых заметных искажений.

Извиняюсь, пропустил.

Если первый каскад упростить до первого порядка, то нужно только два пленочных конденсатора на оба канала.
Если такие поставить вторым ярусом - то влезет.
Для вторых каскадов можно и низкоомные фильтры использовать с керамическими конденсаторами и даже без ОУ, например с такими или такими конденсаторами.

Вторым ярусом... Утечки у них высокие для плёнки что-то. Использование низкоомных фильтров, но с повышением значения ёмкости особого выигрыша не даст (как и устранение ОУ), т.к. постоянная времени та же, а сопротивление утечки кондёра связана формулой R*C, что полностью нивелирует низкоомность фильтра. Вариант уменьшения порядка - да, думал. Но отличается ли расчёт антиальясингового фильтра для сигма-дельта АЦП от АЦП другого типа, например, последовательного приближения?

Если хотите вдвое уменьшить шум необходимо использовать Дифференциальный вход АЦП а не single-ended. Защитить выход ОУ от импульсов с АЦП. Далее для того чтобы качественно оцифровать (оптимальное соотношение между погрешностью и затраченными ресурсами) частота дискретизации должна быть больше в 4 раза полосы пропускания канала а не в 2 как по Найквисту.
При большом коэффициенте передискретизации у сигмадельта АЦП (больше 256-ти), крутой антиалайзонговый фильтр не нужен достаточно 2-ого порядка. ну и самое главное внимание должно быть уделено входу и его защите от синфазной наводки (т.к. вход как вы сказали высокоомный) что опять сводится к применению дифференциальных или квазидифференциальных схем, экранированию и применением ВЧ фильтов на входе. Ну и самое главное если хотите писать практически чистую постоянку то попробуйте НЧ усилители фирмы Cirrus logig, либо DC-усилители с модуляцией.

Из всего этого вытекает что фильтр с керамикой уходит на задний план.

Наверно автор хочет принять сигнал от пирометрического thermopile сенсора...
Тогда может можно ограничиться конденсатором и внутренним сопротивлением датчика.
Зачем ФНЧ ?

Да и сейчас не лучше.
Вот у Вас:

На первом снимке сигнал без искажений, но амплитудой гораздо ниже второго, который с искажениями. Первый - это сигнал генератора? Хорошо, допустим. Если второй - снят с конденсатора, то откуда рост амплитуды? Последовательный резонанс в RC-контуре?

Зачем обсуждать левую (не лучше X7R) керамику ?
В магазине полно 0.1 мкФ NP0 - я купил мешок.
Обсудим X7R на постоянном токе или NP0 на переменном.

Давайте делиться! А Вас не обманули?! Я таких в магазинах пока не встречал, да ещё чтоб и мешками...

В Микронике, в розницу, по 4 рубля.
хочу их опробовать, сравнив с этим http://fotkidepo.ru/?id=photo:537067

А тип/производителя не помните?
Может, это всё-таки, 0.01мкф?

Я че-то пропустил или неужели эти http://search.digikey.com/scripts/DkSearch...me=PCF1208TR-ND так велики, а тем более эти http://search.digikey.com/scripts/DkSearch...me=PCF1126TR-ND

ledum
Не особо большие. Смотрел плёночные SMD у evox-rifa. Полифенилен сульфид. Габариты те же, но сопротивление утечки нормировано значением не менее 3ГОм, никаких зависимостей температурных не дано. Не знаю, откуда вы привели график, но по утечкам данный диэлектрик очень грустный, хоть и лучше керамики будет.

НЕХ
Нет

nbooker
Спасибо. Советы, безусловно, ценные, но:
1. я написал, что использую АЦП с диф. включением каналов
2. Выход ОУ защищён, используются буферы через MUXOUT линии
3. Если б было АЦП в том же ценовом диапазоне, но с большей частотой дискретизации, я б его применил. Пока работаю с минимальными изменениями в элементной базе при формировании новой аппаратной ревизии измерителя.
4. диф. включение датчика-объекта измерения не возможно в принципе (ни физически, ни теоретически). Есть уже подвод линий, можно менять (в рамках габаритов и существующей идеологии) только сам измеритель и его схему.
5. Cirrus - интересно. Гляну. Спасибо.

В данный момент пытаюсь пересмотреть идеологию применения активного фильтра. Используя схемотехнические ресурсы измерителя и свободное место можно построить 3-каскадный пассивный RC-ФНЧ (ранее был RLC, описал выше) со значением резисторов - 23, 51, 51кОм, емкостей - 0,1мкФ. При оцифровке на частоте 440Гц (нужно между каналами ещё переключаться) и цифровом фильтре 0,5Гц теоретически получаю порядка -120дБ соотношение сигнал-шум и разрешение в ~20бит

За что мне нравится диджики, что старается давать ссылки на даташиты. В частности по приведенным позициям http://industrial.panasonic.com/www-cgi/jv...HU1C104JX5+7+WW и http://industrial.panasonic.com/www-cgi/jv...PU1C104MA5+7+WW где есть строчка с пдф-ками Temperature characteristics, Permissible Current and others , а именно http://industrial.panasonic.com/www-data/p...ABD0000PE67.pdf и http://industrial.panasonic.com/www-data/p...ABD0000PE98.pdf . У Кемета SMD пленочных на этот номинал характеристики приводятся вообще 1ГОм, хуже, чем rifa. Но в древние времена конца прошлого тысячелетия сульфидные позиционировались где-то посередке между лавсаном и полипропиленом.
Да, еще, из тех медицинских девайсов (не наших), что я видел, в том же прошлом тысячелетии, гигОмный монтаж уже делался в воздухе навесным монтажом в герметизированной камерке. Резисторы - остеклованные подушки бурого цвета, конденсаторы - фторопласт, такие же остеклованные.

ledum
Да, неплохо, но тау объяснил, что в данном случае лучше не связываться с активным фильтром в такой реализации. Даже если сопротивления утечки будут 100ГОм, то, как я понимаю, уровень неопределённости станет порядка 20мкВ при шумах АЦП и повторителя в районе 2,5мкВ. Около трёх бит потерь, однако.

Тут, скорее всего, большую роль уже начинают играть токи утечки ПП, её загрязнение

[/quote]
4. диф. включение датчика-объекта измерения не возможно в принципе (ни физически, ни теоретически). Есть уже подвод линий, можно менять (в рамках габаритов и существующей идеологии) только сам измеритель и его схему.
irrus - интересно. Гляну. Спасибо.

[/quote]


Never say never
Я работаю с пьезоакселерометрами, которые в 99,9% случаев имеют синфазный выход и гигантское выходное сопротивление (кабель - центральная жила + оплетка). При этом применяю квазидифференциальные схемы, иначе даже дуновение ветерка в канал прёт со страшной силой. Подавление удается сделать -60 дБ. Минус дифференциальных схем состоит в том, что элементы нужно подбирать (для резисторов 0,1%, если использовать при этом активную фильтрацию 2ой порядок то на конденсаторы допуск 0,2%). Таких конденсаторов в природе нет так что работаем ручками.

Такое подавление действует только на НЧ помеху, от ВЧ помехи спасаемся фильтрацией на входе изм. канала.

Если не сделаешь подавление синфазной в схеме, спастись можно только механической изоляцией датчика от корпуса - разорвать земляной контур.
Я бы настоятельно советовал не пренебрегать подавлением синфазной, иначе может оказаться что из-за наводки вся работа насмарку.
Наводка как правило бывает намного больше любых шумов в схеме.

P/S На НЧ подавление можно сделать и больше (-90 вполне реально), только здесь уже идут измерительные прецизионные НЧ ОУ.

Вопрос к коллегам, кто пользовал пленку, как у нее с микрофонным эффектом? Интерес представляет пленка в СМД исполнении.

И чет я не понял, если фильтр будет в закрытой коробочке, т.е никаких сквозняков не будет, неопределенность в токе утечки останется такаяже (т.е равная току утечки)?

А можно я наивный вопрос задам автору...
Может, проще попробовать... сделать кусочек на макетке...
И еще... Совсем не могу понять, как это на уровне 3 вольт измерять микровольты. И зачем.
Это какая должна быть стабильность у опоры... Только если это та же самая, что для ацп... Но все равно, ее колебания в одном случае проходят через фильтр, а в другом - не проходят.
И совсем уже наивно - почему нельзя без ОУ - просто RC-фильтр на электролите даже.
Тут как-то измеряла. За сутки - процентов 10 всего. Точно не помню.

Tanya
Объясняю в третий раз - АЦП в псевдодиф. режиме, оттуда и смещение, оттуда и "зачем". Как и почему - долго объяснять, вопрос у меня был не в этом. Стабильность этого смещения не оказывет значительного влияния в моём случае на измерения. Колебания в фильтр от смещения не проходят, либо они значительно ниже полезного сигнала. Электролит нельзя - утечки-с...

Сильно подозреваю, что некоторое проявление этого эффекта Вы бы могли увидеть в одной из микросхемок моего бывшего завода, в условиях ее эксплуатации (ПТУРС, стойкость после 3000же, проверка на КПИ - выстрел из орудия снарядом с ней в приспособе в бетонную стенку, после этого она должна соответствовать ТУ), но в реальной жизни врядли. Аудиофилы ИМХО не в счет.

Здесь я уже не понял о чем вопрос. Хотя. Предположим ситуацию, когда наш уважаемый модератор отмыла плату до степени возможности подсчета отдельных электронов http://electronix.ru/forum/index.php?showt...st&p=785774 , что бы Вы сделали, чтобы зафиксировать это событие? Правильно - в коробочку и загерметизировать, как минимум в атмосфере сухого азота. Чтобы грязь этого мира оседая и конденсируясь на плате не свела на нет труды. У нас шли целые серии гибридок на тонких пленках, где только таким способом можно было обеспечить долговременную (15 лет гарантий - военка) стабильность параметров по токам утечки и напряжениям смещения. С1.155-е и С1.157-е типы корпусов. Микробы и соляной туман - гадость редкостная.

А Вы попробуйте. Есть даже такой вариант - рисовать нет времени...
С выхода два резистора (верхний и нижний). Нижний - на порядок больше по сопротивлению.
Два последовательных конденсатора. Пусть одинаковые. Нижний конец нижнего на земле.
Верхний резистор идет на верхний конденсатор, нижний - на среднюю точку конденсаторов. Таким образом, верхний конденсатор живет при очень малом напряжении, и его утечка убивается.

И это не то же самое (примерно), что "только нижний резистор с только нижним конденсатором"?

Конечно нет, говорю Вам как продавец пассивных комплектующих. Емкость даже в два раза меньше. Вы не заметили? Этим живем...

Заметил, потому и написал "примерно". Я правильно проиллюстрировал Вашу мысль?
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Хотелось бы увидеть объяснение принципа работы в приведенной Герцем схеме. Если не трудно и есть время.

Сей прием описан в Analog_Devices Аналого-цифровое преобразование->Схемы поддержки преобразователей данных стр.530
На обкладках С1 напряжение 0(или почти 0) следовательно, если нет напряжения значит нет тока утечки через С1. Это хорошо работает с источником у которого низкое выходное сопротивление. Не плывет делитель R1-C1 по постоянке. При высокоомном источнике такой прием не работает(сохраняется утечка R2-C2)

По первому. Ну а те, что Вы писали из дижика, не пробовали в деле?
Я тут сегодня как раз наблюдал живьем "акселерометр" на основе керамики Х7R. Но это не самое поганое, хуже то, что в шуме усилителя явственно проглядываются выбросы чтото среднее между попкорн и фликкер шумом, т.е довольно низкочастотные, но возникают только иногда- нужно ждать секунд 30 чтобы увидеть. Эффект появился когда заменил керамику 6800 на 68н в фильтре (резисторы уменьшил соответственно в 10 раз, т.е полоса пропускания фильтра не изменилась).
А еще видел интересный эффект. Конденсатор по входу, который хорошо реагирует на вибрацию и если подуть на него- сигнал аж зашкаливает! Так вот, если его заклеить маленьким кусочком изоленты, то рекция на подув полностью исчезает
По второму. Мне кажется что обеспечить 15 лет стабильной работы системы (так чтобы погрешности оставались на прежнем уровне) очень сложно, но я не рассматриваю такие длительные перспективы
Вот если время непрерывной работы составляет к примеру неделю, можно ли рассчитывать, что изменение тока утечки за это время будет хотябы на порядок ниже самой величины утечки?

А утечка через С2 сохраняется в любом случае. Просто предполагается, видимо, что при высокоомном выходе и номиналы резисторов приходится брать намного выше. Тогда и утечки заметнее. Нет?


Так с керамикой это известные вещи. Даже оченно хорошо известные... У меня обдув феном X7R конденсаторы хорошо чувствовали, даже будучи заклеенными толстым слоем пластилина.
На то она и керамика - природа такая. С плёнками всё принципиально иначе.

Такая схема применяется для построения стабильных фильтров на электролитах, для керамики она бесполезна. Там другие мешающие факторы.

Может лучше для этой задачи поставить преобразователь ток->напряжение (пусть датчик работает на 0)и затем обработать сигнал?

После озвучивания условий измерения очевидно, что тема бредовая. Можно конечно и дальше рассуждать, как влияет активный фильтр на 24 битную точность при измерении на очень низких частотах, только все остальные факторы будут на много-много порядков больше влиять, нежели утечки конденсаторов.

смд исполнение с большой постоянной времени без осушения и герметизации-анрил..
про керамику вообще промолчим..

Про тепловое расширение да, правда мне сам фокус со скотчем понравился
А вот про шумы- просветите пожалуйста, откуда это берется или ссылочку на литературу.
p.s. Замеры делал в герметичном корпусе, с питанием от аккумулятора.

DS
Конечно, если нечего предложить, то тема так и клеймится. Общие слова - не в счёт. Без обиняков.
Данным измерителем занимался 3 года, имеется огромная статистика по помехоустойчивости прибора. Хотелось улучшить, т.к. появился ресурс и времени и средств. 20-24 бит используются для получения большого динамического диапазона. Все ваши замечания учёл, насколько это было возможно. За критику керамики и общего подхода всем спасибо. Отдельное спасибо - ledum и тау.
А по поводу условий измерений - не я придумывал сверхвысокоомный источник сигнала, синфазное включение и не один километр до него. Таковы реалии и это у всех в данном классе измерений. А наведёнка - таковы условия нашего постсоветского пространства, зажравшиеся чиновники и глупые вешестоящие руководители, не понимающие ни физики измерительных процессов, и ничего вообще, кроме распила бабла.

..По мне, так тема очень интересная, даже безотносительно цифр, заданных автором.
Сам я использую фильтры 4-го порядка, Саллена-Кея или подобные, для АЦП, с керамикой X7R, поскольку, где же взять NPO на емкости больше 10 nF. Про микрофонный эффект не то что наслышан, но, практически, видел его..
Тем не менее, что-то, применительно к моим схемам фильтров, для 10-битного АЦП, ничего особенного, в поведении керамики, отметить не могу.
Может быть, просто, пока, не заметил. Чем больше тут будет сообщений, тем лучше для меня, например. Тема хорошая!