|
Soms zit er op een te meten spanning een vervelende rimpelspanning. Als u deze rimpel uit het signaal wilt verwijderen kunt u gebruik maken van de laatste schakeling die wij in deze op-amp cursus bespreken: het rimpelfilter. |
Rimpels op sensorspanningen
Waar het over gaat
Als u met een logger de uitgangsspanning van een sensor wilt registreren kunnen er problemen ontstaan als gevolg van de rimpel die op de uitgang van de sensor staat. Dat kan het geval zijn als de sensor met een lange kabel is verbonden met uw logger. Rimpelspanningen op de loggerspanning kunnen bijvoorbeeld ontstaan door de aanwezigheid van in deze kabel geïntroduceerde stoorspanningen van de 230 V netspanning.
Loggers werken steeds volgens de sample-methode. Bij dit systeem, voorgesteld in de onderstaande figuur, wordt er gedurende een kleine tijd ∆t een monstertje van het sensorsignaal Ua genomen. Door middel van een analoog naar digitaal omzetter wordt de grootte van dit monster omgezet in een aantal pulsen, dat wordt geteld door de logger en opgeslagen in het geheugen van de logger. Door nadien deze samples weer uit te lezen of om te zetten in een grafiek krijgt u een mooie representatie van het verloop van de gemeten sensorspanning.
 |
| Door een rimpel wordt het bemonsteren van de uitgangsspanning van een sensor verstoord. (© 2019 Jos Verstraten) |
Als er echter rimpel op de sensorspanning aanwezig is kan er een spreiding van tientallen millivolt ontstaan op de gemeten samples. Een verschijnsel, bekend onder de naam 'amplitude-jitter'.
Monster 2 wordt genomen op het moment dat de uitgangsspanning van de sensor vrijwel maximaal is. Monster 3 wordt echter genomen op het moment dat de uitgangsspanning minimaal is. Tussen beide metingen zit een spanningsverschil, gelijk aan de grootte van de rimpelspanning.
Nu kunt u proberen de rimpel zo klein mogelijk te maken door het vergroten van de waarden van de onderdelen R en C. De onderdrukking van het rimpelsignaal wordt dan beter, maar het duurt veel langer alvorens de condensator tot de waarde van een nieuwe sensorspanning is gestegen of gedaald. Met andere woorden: het systeem wordt trager.
Een rimpelspanning genereren
Door middel van een simpel op-amp schakelingetje kunt u een ideaal rimpelfilter maken, niet geplaagd door enige traagheid van betekenis. Alvorens u echter met deze schakeling kunt experimenteren, moet u uiteraard eerst een spanning mét rimpel opwekken. Ook dat kan met een op-amp'je volgens het schema van de onderstaande figuur. Dat is niets anders dan een inverterende mengversterker, beschreven in:
Op-amp cursus 07: mengversterker.
Eén ingang wordt aangesloten op een gelijkspanning van -5 V, de andere gaat naar de uitgang van een op driehoek geschakelde functiegenerator met een top-tot-top waarde van 2 V. De schakeling mengt beide spanningen, zodat u op de uitgang een gelijkspanning van +5 V aantreft voorzien van een rimpel van 2 V. De uitgangsspanning van de schakeling varieert tussen +6 V en +4 V, hetgeen een zeer grote rimpel voorstelt. Zet de frequentie van de driehoek wel op de maximale waarde!
 |
| Door middel van een mengertje simuleert u een gelijkspanning met rimpel. (© 2019 Jos Verstraten) |
Experimenteer mee met deze cursus!
U kunt de experimenten die in deze cursus worden beschreven zélf uitvoeren.
Daarvoor moet u echter eerst onze 'analoge trainer' nabouwen.
De uitgebreide beschrijving van de zelfbouw van dit apparaat treft u aan op de onderstaande link:
Hobby-lab: bouw een analoge trainer
De schakeling op uw experimenteerprint
Aan de hand van de onderstaande figuur kunt u deze eerste schakeling van dit artikel op uw experimenteerprint opbouwen.
 |
| De schakeling van de rimpelspanningsgenerator op uw experimenteerprint. (© 2019 Jos Verstraten) |
En nu het rimpelfilter
De schakeling
Het schema is getekend in de onderstaande figuur. U herkent de in:
Op-amp cursus 08: verschilversterker
beschreven verschilversterker. Vier even grote weerstanden (R3, R4, R2 en R5 + R6), op de voor verschilversterkers specifieke manier geschakeld rond de op-amp. Wél zijn er twee verschilpunten: beide ingangen worden gestuurd door één spanning en tussen de ingang en een van de ingangen van de verschilversterker staat een RC-kring. De componenten van deze RC-kring, C1 en R1, moeten zo worden berekend dat zij de rimpelspanning onverzwakt doorlaten. Als u met onze analoge trainer experimenteert werkt u met een maximale frequentie van ongeveer 1 Hz en moet u die condensator erg groot kiezen, 470 μF. Bij normale schakelingen kan de waarde van de condensator veel lager zijn.
Als tweede eis wordt gesteld dat de waarde van R1, vergeleken met de weerstanden van de verschilversterker, zo klein mogelijk moet zijn. In het getekende voorbeeld wordt een verhouding van 1 tot 100 aangehouden.
 |
| De schakeling van het rimpelfilter. (© 2019 Jos Verstraten) |
In de onderstaande figuur is de praktische uitvoering van deze schakeling voorgesteld als u werkt met onze analoge trainer. U moet weliswaar een paar onderdelen op ongebruikelijke plaatsen solderen, maar het kan wél. U kunt de ingang van deze tweede experimenteerprint verbinden met de uitgang van de eerste.
 |
| Het rimpelfilter op uw experimenteerprint. (© 2019 Jos Verstraten) |
Hoe werkt deze schakeling? Simpel! De ingangsspanning is opgebouwd uit twee componenten, een gelijkspanning van +5 V en een daarop gesuperponeerde wisselspanning met een top-tot-top waarde van 2 V. Deze laatste spanning verschijnt op beide ingangen van de verschilversterker. De gelijkspanning, echter, staat alleen op de positieve ingang. Het RC-netwerk spert immers iedere gelijkspanning. In:
Op-amp cursus 08: verschilversterker
hebt u geleerd dat de uitgangsspanning van een verschilversterker gelijk is aan:
Uuit = [U+] - [U-]
Op de positieve ingang van het anti-rimpel filter staat de gelijkspanning Udc en de rimpelspanning Uac. Op de negatieve ingang staat alleen de rimpelspanning Uac. De uitgangsspanning van de schakeling is dus gelijk aan:
Uuit = [Udc + Uac] - Uac
Uuit = Udc
De rimpelspanning is uit de uitgangsspanning verdwenen!
Zélf experimenteren
Sluit de uitgang van de rimpelspanningsgenerator aan op de ingang van het rimpelfilter. Vergelijk de spanningen op testpunt M2 (ingangsspanning) en testpunt M1 (uitgangsspanning). Verdraai de instelpotentiometer R6 tot de rimpelspanning uit de uitgang is gefilterd.
Varieer de grootte van de rimpel en van de gelijkspanning. De uitgang volgt (met enige traagheid, te wijten aan de grote elco) de gelijkspanning maar reageert niet op de rimpel.
|
|