Filtravimas: kada, kur, kodėl ir kaip?
Šį vedamąjį testą papildantį vaizdo įrašą ir jį lydintį PSDATA failą rasite šio puslapio apačioje.
Šiame straipsnyje susipažinsite su keliomis PicoScope funkcijomis ir metodais, kurie atskleis signalą, slypintį po paviršiumi. Šiame tipiniame pavyzdyje naudojame siaurajuostį cirkonio deguonies jutiklį (lambda).
Tiek šios signalo formos užfiksavimo procedūra, tiek laukiamas tokio komponento matavimo rezultatas jau seniai gerai aprašyti. Būdinga sinusinė signalo forma persijungia nuo 0,1 V iki 0,9 V 1 Hz dažniu (žr. vedamųjų testų meniu savo PicoScope programinėje įrangoje: Automotive > Sensors > Lambda > Zirconia).
Kur kas mažiau aprašytas dalykas – kokie pažeidžiami tokie signalai atšiaurioje variklio skyriaus aplinkoje, kur dideliu dažniu perjunginėjantys komponentai spinduliuoja EMI (elektromagnetinius trikdžius). Aukščiau esančiame paveikslėlyje matomas tipinis pavyzdys, kai į deguonies jutiklio signalą įsivelia triukšmas – jis matomas kaip ilgi kylantys ir krintantys smailėjimai bei „šiurkštumas“ aplink po jais slypinčią sinusoidę.
Nuo deguonies jutiklio signalui fiksuoti naudojamo prietaiso kokybės priklauso, kiek to triukšmo apskritai bus matoma. Daugelis pigių prietaisų turi siaurą dažnių juostą, todėl aukštadažnio triukšmo tiesiog nepagauna. Paradoksalu, bet tokiems signalams kaip deguonies jutiklio ši savybė net naudinga, tačiau ji visiškai netinka tokiems signalams kaip CAN, įpurškimo ar uždegimo. Tokie prietaisai technikui parodo vadovėlinį dirbtinai apdorotą signalą, atskleisdami tik pusę tiesos!
Ar triukšmas iš tiesų galėtų būti deguonies jutiklio gedimo kodo arba nepavykusio emisijų patikrinimo priežastis? Pačiame triukšme gali slypėti uždegimo ar įpurškimo smailių, susidėvėjusių komponentų kibirkščiavimo, gretimų laidų pratrynimo arba vidinio trumpojo jungimo deguonies jutiklio kaitinimo elemente ar variklio masėje požymių.
Kaip mes tai sužinosime, jei ekrane nematysime tikrojo signalo?
Iš esmės nemaitinami jutikliai, tokie kaip lambda, pasižymi didele išėjimo varža, todėl tiek pats jutiklis, tiek laidai lengvai „pagauna“ triukšmą. PCM viduje signalas bus išfiltruotas, tačiau labai svarbu matyti tiek nefiltruotą, tiek filtruotą versijas, nes palyginimas padės atskirti, kas yra įprastas triukšmas, o kas iš tikrųjų veikia signalą taip, kaip jį mato PCM.
Čia, Pico, apie bet kokį duomenų rinkimą sakoma: „catch it dirty“ („užfiksuok nešvarų“). Tai reiškia, kad ekrane matomas signalas yra tikras faktinio signalo atvaizdas be jokio apdorojimo. Turėdamas tokius duomenis technikas gali įvertinti triukšmą ir tik tada pritaikyti kurią nors iš PicoScope siūlomų funkcijų, kad išvalytų ir išfiltruotų signalą iki tinkamo naudoti.
Prieš imdamiesi filtravimo (signalo triukšmo mažinimo) turime įsitikinti, kad PicoScope prie kompiuterio ar nešiojamojo kompiuterio prijungtas mėlynuoju Pico USB kabeliu, o NE įprastu USB kabeliu. Mėlynasis Pico USB kabelis turi kokybės patikrą praėjusias jungčių galūnes, geresnį įžeminimą ir aukštesnės kokybės laido gyslą, todėl užtikrinami minimalūs galios nuostoliai, puikus duomenų perdavimas ir tikras įžeminimas. Saugokitės prastos kokybės neoriginalių nešiojamųjų kompiuterių kroviklių – jie gali įnešti triukšmo.
Tiek pats PicoScope, tiek mūsų tiekiami matavimo laidai yra gerai ekranuoti, kad nepagautų triukšmo, tačiau to negalima pasakyti apie automobilio laidų pynę. Vidutiniame automobilyje ekranuojama nedaug signalų (siekiant sumažinti sąnaudas), o jautrūs signaliniai laidai dažnai vedami šalia laidų, kuriais eina triukšmą spinduliuojantys signalai, pavyzdžiui, purkštukų.
Neekranuoti laidai variklio skyriuje gali pagauti triukšmą ir iš kitų triukšmingų šaltinių: kai kurių lubinių šviestuvų, elektrinių keltuvų variklių, suvirinimo aparatų, virš galvos einančių elektros kabelių ir pan. Automobilių gamintojams pigiau naudoti neekranuotus laidus, o triukšmą išfiltruoti PCM viduje, nei įrengti tvarkingai ekranuotus kabelius! Dėl to mūsų darbas tampa sunkesnis, nes turime patys išsiaiškinti, kas yra normalus triukšmas, o kas – nenormalus.
Darant prielaidą, kad visa tai apsvarstyta ir sutvarkyta, dabar turime daugybę galimybių filtruoti tokius pagarsėjusius signalus kaip deguonies jutiklių.
Pradėkime nuo pradžių – dar prieš fiksavimą!
Matavimas masės atžvilgiu
Matavimo laido masės kabelis turi būti prijungtas prie akumuliatoriaus neigiamo gnybto. Taip yra todėl, kad, naudodami PicoScope su bendros masės BNC jungtimis (kur visų BNC gnybtų masės sujungtos tarpusavyje, pavyzdžiui, PicoScope 4423, 4223, 3423 ir 3223), signalus matuojame automobilio masės atžvilgiu.
Diferencialinis matavimas
Matuojant jutiklių (pavyzdžiui, lambda) signalus naujuoju PicoScope 4425 arba PicoScope 4225, atsiranda galimybė matavimo laido masės kabelį prijungti prie deguonies jutiklio masės laido – tai dažnai padeda sumažinti triukšmą signale. Čia turime diferencialinį matavimą, kuriame naudojama deguonies jutiklio masė, iš dalies apsaugota nuo tokių EMI (per PCM), todėl gaunamas švaresnis signalas.
Aparatinis filtras
Tiems, kuriems pasisekė naudotis naujaisiais PicoScope 4225 ir 4425 modeliais, yra ir papildoma gynybos linija nuo aukštadažnio triukšmo – aparatinis filtras (dažnių juostos ribotuvas), kuris nustatomas dar prieš fiksavimą.
Šis filtras atmes visą virš 20 kHz esantį triukšmą dar prieš tai, kai signalas pateks į osciloskopą apdoroti. Iš esmės pasirinkto osciloskopo kanalo dažnių juostą iš 20 MHz paverčiame 20 kHz.
Aparatinio filtro privalumas tas, kad jis leidžia signalą fiksuoti pasirinkus mažesnę įėjimo ribą.
Pagalvokite apie deguonies jutiklį, kurio dominanti signalo įtampa yra nuo 0,1 V iki 0,9 V, o esantis triukšmas gali viršyti 50 V. Pasirinkus 50 V skalę, kad tilptų triukšmas, mūsų 0,1–0,9 V signalo skiriamoji geba bus prasta. Įjungus dažnių juostos ribotuvą sutelkiame dėmesį tik į tą signalo ruožą, kuris mus domina.
Yra rimtas argumentas daugumai automobilinių signalų aparatinį filtrą palikti įjungtą visam laikui (išskyrus tuos atvejus, kai reikia matuoti aukštadažnius reiškinius, pavyzdžiui, CAN, FlexRay ir kai kuriuos uždegimo ar įpurškimo signalus). Ypač tai galioja srovės replėms, nes jos nefiksuoja signalų virš 20 kHz – toks dažnis yra per aukštas, kad jame slėptųsi rūpimos problemos (didžiausia srovės replių dažnių juosta yra 20 kHz).
Aparatinio filtro įjungimas
Prijungę PicoScope 4225 arba 4425, pasirinkite Tools > Preferences > Options > ir pažymėkite langelį Show Analog Options, tada spauskite OK. Tai leis aparatinį filtrą įjungti Channel options meniu ir apriboti pasirinkto kanalo visų įeinančių signalų dažnių juostą iki 20 kHz.
Išmintingas patarimas apie aparatinio filtro naudojimą:
Aparatinio filtro po fiksavimo išjungti negalima, kad būtų atkurtas pirminis signalas. Kitaip nei programinius filtrus, tokius kaip žemų dažnių (low pass) filtras ir matematiniai kanalai, kuriuos galima pritaikyti arba pašalinti jau po fiksavimo.
Toliau pateikti pavyzdžiai užfiksuoti naudojant Zirconia Lambda Sensor vedamąjį testą:
Čia iš karto numalšinome dalį aukštadažnio triukšmo (virš 20 kHz) dar prieš jam patenkant į PicoScope. Atminkite: aparatinis filtras aktualus tik naujųjų PicoScope 4225 ir 4425 modelių naudotojams, todėl viskas, kas rašoma toliau, galioja visiems PicoScope.
Programiniai filtrai (žemų dažnių filtras per Channel options arba žemų dažnių filtras per matematinius kanalus)
Kaip ir atliekant bet kokį matavimą, būtina užtikrinti teisingus nustatymus: įtampos ribą, laiko skalę ir reikiamą atskaitų skaičių ekrane (mažiausiai 500 kS).
Gali kilti pagunda signalui nuo 0,1 iki 0,9 V pasirinkti ±1 V skalę, tačiau triukšmo lygis greičiausiai viršys šią ribotą įtampos ribą (įtampos smailės neretai viršija 20 V!). Todėl rinkitės ±20 V įtampos skalę.
Svarbu, kad PicoScope išlaikytų visą mūsų signale esantį triukšmą osciloskopo įtampos ribose – tik taip vėliau pavyks sėkmingai pritaikyti filtruojantį matematinį kanalą. Mūsų matematinio kanalo filtro parinktis veikia imdama įtampos reikšmes tūkstančiuose taškų per visą signalo formą ir jomis remdamasi atlieka skaičiavimus. Jei įvyktų ribos viršijimas (kai ant ±1 V skalės atsiranda 20 V smailė), matematinis kanalas bandytų filtrą pritaikyti begalinei reikšmei (viršytai ribai) ir sukurtų klaidingą signalo formą.
Kadangi 1 V signalui iš esmės pasirinkome ±20 V skalę, pakoreguokite vertikalaus mastelio (vertical zoom) funkciją 5 kartus (x5), kad gautumėte ±4 V ribą. Dabar turime geriausia iš abiejų pusių: geresnę savo 1 V signalo skiriamąją gebą ir kartu apsaugą nuo ribos viršijimo dėl įtampos smailių.
Įjunkite žemų dažnių filtravimo parinktį kanalo nustatymų meniu
Šio tipo filtro privalumas – greitas ir paprastas naudojimas, leidžiantis pritaikyti įvairaus lygio žemų dažnių filtravimą ir tuo pat metu stebėti filtro poveikį užfiksuotai signalo formai. Saugokitės perfiltravimo – pirminė signalo forma gali tapti nebeatpažįstama!
Atminkite: žemų dažnių filtravimą (per kanalo nustatymų meniu) galima pritaikyti jau po fiksavimo, todėl jis tinka ne tik diagnozuojant, bet ir peržiūrint išsaugotas signalo formas toli nuo dirbtuvių šurmulio.
Spustelėkite atitinkamą Channel options (1) mygtuką, kad atsivertų LowPass Filtering žymimasis langelis. Pažymėkite langelį (2) ir įsitikinkite, kad įėjimo signalui pritaikytas 100 Hz žemų dažnių filtras.
Toliau mūsų pavyzdiniam deguonies jutikliui pasirinktas 100 Hz žemų dažnių filtravimo lygis.
Šio filtro trūkumas tas, kad, priešingai nei su aparatiniu filtru, negalime filtruoti gyvai esant lėtoms laiko skalėms (srautinio perdavimo režimu), todėl privalome sustabdyti fiksavimą ir filtruotą signalo formą peržiūrėti slinkdami per signalų formų buferį.
Įjunkite paslėptą funkciją Display Last Waveform, kuri leis filtruotai signalo formai likti ekrane, kol PicoScope šalia braižo naują signalo formą. Taip technikas galės nuolat stebėti jutiklio veikimą ekrane, užuot laukęs, kol bus nubraižyta gyva signalo forma ir osciloskopas akimirkai parodys filtruotą signalą. Dabar technikas matys filtruotą signalą nepertraukiamai ir jam nereikės stabdyti fiksavimo bei slinkti per signalų formų buferį.
Pasirinkite Tools > Preferences > Sampling > ir pažymėkite langelį Display previous Waveform Buffer.
Žemiau matome Display Previous Waveform Buffer funkciją veikiant: matomas ir filtruotas, ir nefiltruotas signalas. Nauja „gyva“ nefiltruota signalo forma (kairėje) ir šalia jos filtruota ankstesnė signalo forma (dešinėje).
Alternatyva žemų dažnių filtravimui, prieinamam Channel options meniu, yra matematinio kanalo parinktis.
Žemų dažnių filtravimo įgyvendinimas naudojant matematinį kanalą
Nors tokį filtrą iš pradžių nustatyti užtruks ilgiau, jis turi akivaizdų privalumą – leidžia vienu metu matyti ir filtruotą, ir nefiltruotą signalo formą, o kartą sukurtas jis liks jūsų matematinių kanalų bibliotekoje ir bus paruoštas naudoti bet kada (sukuriama tik vieną kartą).
Prieš kurdami žemų dažnių filtro matematinį kanalą, išjunkite aukščiau aprašytas žemų dažnių filtro ir ankstesnės signalų formų buferio rodymo funkcijas. Dabar turėtumėte matyti nefiltruotą deguonies jutiklio signalą
(20 V skalė, x5 vertikalus mastelis, 500 ms/dal., be filtro, ankstesnio signalų formų buferio rodymas išjungtas).
Sukūrę matematinį kanalą su 100 Hz žemų dažnių filtru, gausite savo jutiklio signalo atkartojimą, tik be viso aukštadažnio triukšmo (virš 100 Hz). Bus praleidžiami tik žemesni nei 100 Hz dažniai.
Tai labai paprastas procesas, o kartą sukurtą kanalą galima išsaugoti matematinių kanalų bibliotekoje ir naudoti būsimiems matavimams, pavyzdžiui, lambda jutiklio.
Pasirinkite Tools > Math channels > Create > Next > Advanced > Filters > ir spustelėkite žemų dažnių filtro (Low Pass) simbolį.
Formulės laukelyje atsiras užrašas „LowPass ()“. Spustelėjus reikiamo kanalo raidę, kanalas bus įtrauktas į formulę, o formulę užbaigsite skliaustuose šalia kanalo raidės įrašę „,100“. Visa matematinio kanalo formulė turėtų atrodyti taip: „LowPass(A,100)“ – kad A kanalui būtų pritaikytas 100 Hz žemų dažnių filtras.
Pasirinkus Next galima parinkti matematinio kanalo spalvą ir pavadinimą; spauskite Next ir pažymėkite langelį Override automatic range selection. Įveskite savo matematinio kanalo įtampos ribą „-2 V iki +2 V“, spauskite Next ir Finish. Pažymėkite naujai sukurto matematinio kanalo langelį, kad būtų rodomas filtruotas jūsų pirminio matavimo signalas.
Dabar nustatymai baigti ir galima fiksuoti pirminį deguonies jutiklio signalą kartu su pridėtu filtruotu matematiniu kanalu – taip technikas gali stebėti ir filtruotą, ir nefiltruotą signalą.
Ir vėl: žemų dažnių filtravimą (naudojant matematinį kanalą) galima pritaikyti jau po fiksavimo, todėl jis tinka ne tik diagnozuojant, bet ir peržiūrint išsaugotas signalo formas toli nuo dirbtuvių šurmulio. Nors matematinis kanalas yra alternatyvus filtras deguonies jutiklio signalams, jo nauda kur kas labiau juntama dirbant su aukštesnio dažnio jutikliais, pavyzdžiui, alkūninio veleno jutikliais, kai norima pašalinti aukštadažnį uždegimo triukšmą. Tipinis formulės pavyzdys būtų LowPass(A,5000) – 5 kHz žemų dažnių filtras, taikomas alkūninio veleno signalui A kanale.
Aukščiau aprašytas testavimo procesas ir informacija tėra gairės ir nėra būtini kiekvienam jutikliui. Kaupdami patirtį su PicoScope galite pastebėti, kad tiesiog įjungti Lowpass Filtering (per kanalo nustatymus) su ±2 V riba visiškai pakanka tam, ko jums reikia iš užfiksuoto signalo.
Vaizdo įrašas
Atsisiųsti pridedamą PSDATA failą
Straipsnis išverstas iš Pico Technology bibliotekos su gamintojo leidimu. Originalas: picoauto.com. PicoScope įrangą rasite mūsų kataloge.