Exponential Moving Average Filter Frequenz Antwort

UHFLI Verschlussverstärker UHFLI Übersicht Video UHFLI Applikationen Engineering RampD: Oszillatorprüfung, FFT Spektrumanalysator, Frequenzanalysegerät (FRA), Vector Network Analyzer (VNA) Industrieproduktion: Chip-Test, Fehleranalyse, RFID-Transmissions-Demodulator, Laser Voltage Prober LVP), Zerstörungsfreie Prüfung (NDT) Laserspektroskopie, konfokale Mikroskopie: Ultraschnell-Scanning, THz-Spektroskopie Medtech: Durchflusszytometrie, elektrische Impedanzspektroskopie Quantum amp Nanophysik: MRFM, Einzel-Elektronentransistoren, Quantencomputing, Rauschmessung, Graphen Rastertaster-Mikroskopie: Hochgeschwindigkeits-AFM, Scan-Nahfeldmikroskopie (SNOM) Sensoren amp Aktoren: MEMS, NEMS (zB Gyroskope, Beschleunigungssensoren, etc.) UHFI Verfügbare Optionen UHF-DIG Digitizer Die Kombination aus Lock-In Verstärker und Digitizer In einem Feld ermöglicht eine breite Palette von neuen Messmöglichkeiten durch kontinuierliche Streaming, anspruchsvolle Cross-Domain-Triggering und einen segmentierten 128 MSa-Speicher für jeden der 2 Scope-Kanäle. UHFLI-Funktionsschema Die 2 Signaleingänge und 2 Signalausgänge stellen in einem Gerät effektiv 2 Lock-In-Verstärker zur Verfügung. Jede Lock-In-Verstärkereinheit umfasst 4 Dualphasen-Demodulatoren, die gleichzeitig X, Y, R und liefern. Hochgenaue Signaleingänge Die 2 Signaleingänge des UHFLI bieten exzellente Lärmpegel und arbeiten im Single-Ended Modus. Die Eingangskopplung ist zwischen hoher Impedanz und 50 wählbar und eignet sich sowohl für Niederfrequenz - als auch für Hochgeschwindigkeitsanwendungen. Für den externen Referenzmodus und die präzise Auslösung bei externen Ereignissen verfügt das UHFLI über zusätzliche 2 Eingänge und 2 bidirektionale Anschlüsse. Dual-interne und Dual-Auto-Referenz-Modi werden ebenfalls unterstützt. Signalgeneratoren Der UHFLI erzeugt 2 verzerrungsarme Sinusausgänge, die ideal zum Ansteuern des zu testenden Gerätes oder der meisten modulierenden Geräte geeignet sind. Die UHF-MF Multi-Frequenz-Option bietet 6 zusätzliche Oszillatoren und ermöglicht die Erzeugung einer Linearkombination von bis zu 8 Sinuskurven. Zusätzliche Anschlüsse auf der Frontplatte stellen die demodulierten Amplituden-, Phasen - oder Quadratursignale, Rechteckwellenreferenzen oder Triggersignale für externe Hardware zur Verfügung. Demodulatoren und Filter Der UHFLI verfügt über 8 Dualphasen-Demodulatoren zur simultanen Messung bei 4 harmonischen Frequenzen pro Signaleingang. Jeder Demodulator hat individuell konfigurierbare Filterparameter. Die gemessenen Amplituden - und Phasendaten nach der Demodulation werden in Echtzeit in den Host-Computer übertragen. Ein Referenz - und Trigger-Netzwerk bietet leistungsstarken Betrieb: Referenz-Eingangs - und Ausgangsleistung bei einer Bandbreite von 600 MHz, Trigger-Eingangs - und Ausgangs-Reaktionszeiten bis zu 100 ns. Der UHFLI ist der erste Lock-In-Verstärker mit dedizierten Hardware - und Software-Trigger-Funktionalitäten. Hardware-Trigger ermöglichen eine schnelle Reaktion auf physikalische Bedingungen, während Software-Trigger eine Infrastruktur zur Definition komplexer Trigger-Kriterien bieten. Trigger werden verwendet, um demodulierte Abtastwerte zu bestimmten Zeitpunkten auszugeben oder um Aktionen zwischen mehreren funktionalen Domänen innerhalb des UHFLI zu synchronisieren. Arithmetische Einheit Die UHF Arithmetikeinheit ermöglicht eine schnelle Berechnung auf einer Vielzahl von Messdaten. Dieser Prozessor verfügt über Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division aller Daten, die an den Hilfsausgängen verfügbar sind. Anwendungen umfassen symmetrische Erfassung, Normalisierung durch eine Referenz, oder Dual-Frequenz-Resonanz-Tracking. UHFLI-Spezifikationen Lock-In-BetriebsartenWas ist ein Filter In einem modernen Steuerungssystem ist ein Filter ein Algorithmus (oder ein Funktionsblock), der hauptsächlich zur Reduzierung von Rauschen auf einem Prozeßmeßsignal verwendet wird (Fig. 1). Aber das ist nicht seine einzige Verwendung, wie wir später sehen werden. Abbildung 1. Rauschfilter. Arten von Filtern Regelsysteme bieten im Allgemeinen Verzögerungen erster Ordnung und gleitende durchschnittliche Filter. Einige Steuerungssysteme bieten Filter höherer Ordnung. Die verschiedenen Filtertypen werden nachfolgend kurz erläutert. Filter erster Ordnung Der gebräuchlichste Filtertyp ist das Verzögerungsfilter erster Ordnung, dessen Ausgang sich dem Wert des Eingangssignals exponentiell nähert (Abbildung 2). Dies wird auch Tiefpaß genannt, da Hochfrequenzen (schnelle Änderungen) gedämpft und niedrige Frequenzen (langsame Änderungen) durchlaufen werden. Dies macht das Verzögerungsfilter erster Ordnung ideal, um die Rauschkomponente in einem Prozeßmeßsignal zu reduzieren, da Rauschen tendenziell von höherer Frequenz ist als Prozeßänderungen. Abbildung 2. Ansprechen eines Verzögerungsfilters zweiter Ordnung von 20 Sekunden auf eine Stufenänderung in seinem Eingang. Die Zeitkonstante eines Verzögerungsfilters erster Ordnung ist die Zeit, die benötigt wird, damit sein Ausgang 63.2 einer anhaltenden Änderung an seinem Eingang verändert (Fig. 2). Moving-Average Filter Ein anderer Filtertyp ist der gleitende Filter. Dieser Filtertyp speichert eine Anzahl von Abtastwerten in einem First-In-First-Out-Puffer. Bei jedem Ausführungszyklus wird ein neuer Wert aus dem Filtereingang im Puffer gespeichert und der älteste Wert wird verworfen. Der Filter berechnet dann den Mittelwert aller gespeicherten Werte, die dann zum neuen Ausgang des Filters werden, wie in Abbildung 3 dargestellt. Abbildung 3. Moving-Average Filter. Die Ausgabe eines gleitenden Durchschnittsfilters nähert sich dem Endwert linear an und kommt dann zu einem abrupten Stop, im Gegensatz zu einer Verzögerung erster Ordnung, die sich dem Endwert exponentiell nähert (Fig. 4). Fig. 4. Ausgang eines gleitenden Durchschnittsfilters im Vergleich zu dem eines Verzögerungsfilters erster Ordnung. Filter höherer Ordnung Filter höherer Ordnung bestehen aus mehreren Verzögerungen und Zuleitungen, die in einer bestimmten Art und Weise angeordnet sind, um einen steileren Abschluß zu gewährleisten oder um spezifische Frequenzen (z. B. 60 Hz) herauszufiltern. Obwohl diese Filter viel häufiger in der Elektronikindustrie sind, bieten einige Steuersysteme auch wenigstens eine Untermenge von ihnen. Filtertypen höherer Ordnung umfassen Tiefpaß, Bandpass, Kerbe und Hochpass (obwohl die letzteren bei Prozeßsteuerungsanwendungen sehr selten sind). Es gibt wahrscheinlich Situationen, in denen die Verwendung von Filtern höherer Ordnung vorzuziehen wäre Einfache Verzögerungsfilter erster Ordnung, aber für die meisten Fälle in der allgemeinen Prozeßsteuerung eignen sich Verzögerungsfilter erster Ordnung, um verrauschte Prozeßmeßsignale zu glätten. Da Filter von höherer Ordnung selten in Regelkreisen verwendet werden, werde ich nicht tiefer in ihr Design eingehen Sollte ich einen First-Order oder einen Moving-Average Filter verwenden, verwenden Sie nicht einen gleitenden Mittelwertfilter, um eine verrauschte Prozessmessung zu glätten. Ein erstklassiger Verzögerungsfilter eignet sich besser zum Glätten Der Grund hierfür ist wie folgt: Mit einem Verzögerungsfilter erster Ordnung tragen neu abgetastete Werte mehr zum Ausgang bei als ältere Abtastwerte, der neueste Wert trägt am meisten dazu bei und der Anteil älterer Abtastwerte sinkt im Zeitablauf exponentiell mit einem gleitenden Mittelwertfilter , Tragen alle Werte im Puffer gleichermaßen zum Ausgang bei. Liegt am Eingang eines gleitenden Durchschnittsfilters ein Spike an, bleibt sein Beitrag unverändert, bis er plötzlich verschwindet, wenn der Wert vom Puffer abfällt. Mit einem Lag-Filter wird der Beitrag der Spike im Laufe der Zeit abnehmen. Filteranwendungen Es gibt drei Hauptanwendungen für Filter in Steuerungssystemen. Diese werden nachfolgend diskutiert. Rauschfilter Auch Rauschfilter werden verwendet, um hochfrequentes Rauschen aus einem Prozeßmeßsignal, wie in Fig. 1 dargestellt, zu glätten. Diese Filter werden üblicherweise auf Durchflußmeßsignale angewendet, und zwar aufgrund der Tendenz dieser Signale, Erhebliche Geräuschkomponente. Für eine Durchflußregelschleife ist normalerweise ein Verzögerungsfilter erster Ordnung mit einer Zeitkonstante von zwei bis drei Sekunden ausreichend. Längere Zeitkonstanten können bei Bedarf verwendet werden, aber seien Sie vorsichtig, dass der Filter nicht die dominierende Verzögerung in der Schleife wird. Einige Pegelmessungen können auch eine große Rauschkomponente haben, z. B. Wo die Siede - oder Flüssiggasabscheidung das Niveau beeinflusst. Niveauregler (außer bei Dampftrommeln und Schwalltanks) erfordern oft eine hohe Reglerverstärkung, wodurch die Reglerausgangsleistung sehr empfindlich gegenüber Rauschen ist. In diesen Fällen können Filter mit längeren Zeitkonstanten (z. B. 10 bis 20 Sekunden) erforderlich sein. Eine geeignete Filterzeitkonstante (Tf) kann wie folgt berechnet werden: Tf (Amplitude des Rauschens) (gewünschte Amplitude nach dem Filtern) (Periodendauer des Rauschens) (2 · PI) wobei PI 3.14 und die Periodendauer des Rauschens durch Zählen bestimmt werden können Die Anzahl der Peaks in einem Signal über eine Minute und dann Invertieren dieser Zahl, dh Verwendung von 1x. Die obige Gleichung gibt Ihnen dann die Filterzeit in Minuten. Konvertieren Sie diese Zahl in Sekunden (multipliziert mit 60), wenn Ihr Steuerungssystem Sekunden als Zeiteinheit für Filter verwendet. Beachten Sie, dass das Hinzufügen eines Filters in einen Regelkreis oder das Ändern der Filterzeitkonstante das dynamische Verhalten des Regelkreises ändert. Dies erfordert eine erneute Überprüfung des Reglers, um den Schleifen neue Dynamiken anzupassen. Verwenden Sie außerdem die minimale Filterung, da ein Filter eine Verzögerung einführt, die wahrscheinlich zu einer langsameren Regelschleife führt und Prozessprobleme verbergen kann. Anti-Aliasing-Filter Bei der Prozesssteuerung werden Anti-Aliasing-Filter an analogen Eingangssignalen verwendet, um hochfrequente Komponenten aus den Signalen zu entfernen, bevor sie von der digitalen Steuerung abgetastet werden. Dies wird getan, um Aliasing-Probleme zu verhindern, bei denen hochfrequente Komponenten in dem ursprünglichen Signal als niederfrequente Aliase nach der Abtastung durch das Steuersystem auftreten. YouTube hat einige schöne Videos demonstriert Aliasing. Eine Anti-Alias-Filterung muß im Sender erfolgen, d. h. bevor das analoge Signal durch den A / D-Wandler in dem Steuersystemeingabemodul abgetastet wird. Der Anti-Aliasing-Filter sollte ein Minimum von -12 dB Dämpfung bei der Nyquist-Frequenz bereitstellen, jedoch vorzugsweise mehr, wie in einem Papier von EnTech von 1994 erläutert. Dies kann durch einen Tiefpaß erster Ordnung mit einer Zeitkonstanten erreicht werden, die auf mindestens das 1,3-fache der langsamsten Abtastperiode eingestellt ist. Wenn beispielsweise die Eingangskarte die analogen Eingänge mit einer Rate von 1 Abtastung pro 500 Millisekunden abtastet und das Ausführungsintervall der Steuerung 1 Sekunde beträgt, sollte eine minimale Filterzeitkonstante von 1,3 Sekunden verwendet werden. Sollwertfilter Ein Sollwertfilter übergibt den Regelkreis-Sollwert durch einen Verzögerungsfilter erster Ordnung, bevor der Regler das Signal empfängt. Ein Sollwertfilter kann verwendet werden, um Überschwingungen auf Regelkreisen zu reduzieren oder zu eliminieren, die vom Anwender vorgegebene Sollwertänderungen empfangen. Dies gilt vor allem für lagerdominante Prozesse, die auf eine schnelle Störungsunterdrückung abgestimmt wurden. Es kann auch verwendet werden, um den Betrag der abrupten Steuerungsaktion infolge der Sollwertänderung zu reduzieren. (Allerdings ist meine bevorzugte Lösung in beiden Fällen, die Proportional - und Ableitungsmodi nur auf die Prozeßvariable anstatt auf den Fehler anzuwenden, wenn der Regelalgorithmus dies unterstützt.) Abbildung 5. Effekt einer Standard-Sollwertänderung gegenüber Sollwertfilterung. Der Kontrollguru Greg McMillan empfiehlt, dass die Zeitkonstante des Sollwertfilters gleich der Integralzeit im Regler oder der 1,5-fachen Integralzeit eingestellt wird, wenn der Regler für eine minimale Einschwingzeit aggressiver abgestimmt ist. Sollwertfilter sollten niemals in Regelkreisen verwendet werden, die erforderlich sind, um ihre Sollwerte (wie z. B. Kaskade, Vorsteuerung und Verhältnisregelung) genau verfolgen zu können, da sie die Reaktion der Regler auf Sollwertänderungen verlangsamt. Abschließende Wörter Filter sind handliche Vorrichtungen in Steuersystemen und haben mehrfache Verwendungen, wobei die Hauptsache darin besteht, die Rauschkomponente auf Meßsignalen zu reduzieren. Verwenden Sie nur Filter, wenn nötig, und dann so wenig Filterung wie möglich. Und denken Sie daran, dass ein Filter die dynamische Reaktion der Schleife (außer bei den Sollwertfiltern) verändert, so dass der Regler nach einer Änderung der Filterzeitkonstanten neu eingestellt werden muss.