Zaloguj
Pasmowoprzepustowy amplifiltr m.cz. (BPF)
Pierwowzorem projektu omawianego dalej filtru pasmowoprzepustowego był filtr kształtujący (ograniczający) pasmo sygnału dźwiękowego przenoszonego w torze klasycznej telefonii analogowej (tzw. usługa POTS), przy czym należy w tym miejscu uczciwie podkreślić fakt, że w praktyce użyteczny filtr powinien mieć znacznie bardziej strome zbocza. Jakkolwiek zrezygnowano z takiego podejścia z uwagi na implikacje w postaci znacznego wzrostu złożoności urządzenia docelowego i związanych z tym potencjalnych komplikacji implementacyjnych (artykuł ma charakter przede wszystkim edukacyjny). Do projektu przyjęto pasmo przenoszenia filtru w zakresie 300...3400 Hz przy tłumieniu –3 dB na jego krańcach. W głównym oknie aplikacji projektowej (rysunek 3) wybieramy odpowiedni prototyp filtru, a w kolejnym widoku wprowadzamy kluczowe założenia do projektu (rysunek 20).
Arbitralnie przyjęto realizację filtru czwartego rzędu o charakterystyce maksymalnie płaskiej (wg aproksymacji Butterwortha), a parametry w okienkach „Stopband” oraz „Center Frequency” dobrano tak, by uzyskać wymagane pasmo przenoszenia. Następne okno aplikacji (rysunek 21, widok „Circuit”) przybliża wstępny schemat projektowanego amplifiltru.
Pozwala ono ustalić: zakres napięć zasilania wzmacniaczy operacyjnych, stopień swobody doboru elementów RC w obu stopniach filtru oraz aktywność funkcji autokompensacji przez aplikację parametru GBW wzmacniacza operacyjnego. W tym przypadku także zaingerowano w proporcje między elementami RC w pierwszym stopniu filtru „A” celem osiągnięcia odpowiednio wysokiej impedancji wejściowej układu w interesującym pasmie częstotliwości. Do implementacji ponownie wybrano topologię Sallen-Key. Rysunek 22 pokazuje okno, w którym można wprowadzić dozwolone tolerancje parametrów kluczowych elementów filtru oraz preferowane typoszeregi elementów RC wraz z charakterystyką częstotliwościową projektowanego filtru (widok: „Magnitude (dB)”) z błękitnymi polami potencjalnych odstępstw od właściwości dokładnego prototypu filtru.
Rysunek 23 obrazuje przebieg impedancji wejściowej projektowanego filtru aktywnego (widok „Input Impedance (Ω)”), który spełnia wstępne założenia co do jej minimalnej wartości.
Z kolei rysunek 24 (widok „Stages”) przybliża najważniejsze własności obu stopni amplifiltru – na użytek ewentualnej dalszej ich optymalizacji.
Rysunek 25 (widok „Circuit”) pokazuje finalny schemat układu (z wykorzystaniem elementów RC o dopuszczalnych wartościach), a rysunek 26 – pełne rozwiązanie projektowe.
Fotografia 3 prezentuje roboczy model zaprojektowanego amplifiltru na płytce stykowej.
Na ilustracji wyodrębniono układy zasilania i polaryzacji, jak również właściwą implementację amplifiltru. Dobór częstotliwości pomiarowych uwzględnia kształt charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowej prototypu układu.
Liczbowe rezultaty pomiarów ujęto w tabeli 4 oraz zobrazowano na rysunku 27. Wygładzona czerwona linia trendu dobrze pokrywa się z niebieską linią odpowiadającą rzeczywistym pomiarom. Obie krzywe również bardzo zadowalająco zgadzają się z charakterystyką prototypowego filtru, co wskazuje na poprawność opracowanego projektu oraz wykonanych pomiarów.
Wąskopasmowy amplifiltr (NBF) typu peak
Filtry wąskopasmowe (ang. narrow-band filters) charakteryzują się bardzo dużą dobrocią Q, liczoną ze wzoru:
Q=f0/B3dB, (1)
gdzie f0 jest częstotliwością środkową, a B3dB szerokością pasma przenoszenia przy spadku (w przypadku filtrów typu peak) lub wzroście (w przypadku filtrów typu notch) wzmocnienia napięciowego Ku filtru o 3 dB na krańcach tegoż pasma. Zaprezentowany dalej filtr powstał w oparciu o ogólne wytyczne projektowe zaczerpnięte z literatury [1], a bazujące na topologii wzmacniacza operacyjnego z selektywnym czwórnikiem typu „2T” w pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego. Przyjęto założenie, że filtr ma za zadanie wspierać wykrywanie obecności sygnału pilota MPX o częstotliwości fMPX=19 kHz [2] na wyjściu stereofonicznego odbiornika radiowego FM.
W projekcie fizycznego układu posiłkowano się symulatorem LTspice, uzyskując ostatecznie układ o schemacie pokazanym na rysunku 28.
Jak należało się spodziewać, realizacja fizyczna amplifiltru RC o sporej dobroci Q i wysokiej (jak na pasmo m.cz.) częstotliwości środkowej f0 była obarczona dużymi ryzykiem konstruktorskim, z którego najistotniejsze jest niedokładność kluczowych parametrów zastosowanych elementów RC i wzmacniacza operacyjnego, a także mało zwarta i niezbyt stabilna mechanicznie konstrukcja na płytce stykowej.
Z tego powodu, o ile teoretycznie (na drodze symulacji) udało się uzyskać układ o pożądanych charakterystykach (rysunek 30), to zbudowany układ rzeczywisty nie spełniał minimalnych wymogów związanych z dokładnością odtworzenia oraz stabilnością czasową i temperaturową kluczowych parametrów (f0, Ku, Q).
Aby pogłębić świadomość Czytelników w tym zakresie, na rysunku 29 zaprezentowano schemat opracowany na potrzeby symulacji Monte Carlo, której celem było pokazanie wpływu statystycznego rozrzutu wartości elementów RC, w zakresie tolerancji równej ±1%, na charakterystyki zaprojektowanego uprzednio filtru (rysunek 31).
Wnioski narzucają się same (ogromny rozrzut uzyskanych charakterystyk) i skłaniają do wyboru innego rozwiązania technicznego. Chcąc uniknąć zastosowania dużych i/lub drogich (a na pewno nieco kłopotliwych w strojeniu) komponentów LC, autor publikacji podjął decyzję o ponownej realizacji (i pomiarach charakterystyk) filtru, ale już w technologii cyfrowego przetwarzania sygnałów DSP (ang. Digital Signal Processing).
Wąskopasmowy amplifiltr (NBF) typu notch
Topologia tytułowego filtru z zastosowaniem czwórnika typu „2T” została zaczerpnięta z materiałów technicznych firmy Texas Instruments [3], a jego praktyczną implementację, mającą na celu eliminację sygnału pilota MPX (fMPX=19 kHz) ze stereofonicznego sygnału na wyjściu odbiornika FM [2], pokazano na schemacie na rysunku 32 (układ do symulacji w programie LTspice).
Stosowne charakterystyki częstotliwościowe w wyniku analizy Monte Carlo zobrazowano na rysunku 33. Autorzy publikacji [3] podkreślają znaczną wrażliwość parametrów tego amplifiltru na rozrzut wartości parametrów zastosowanych elementów i dlatego, podobnie jak w przypadku omówionego wcześniej filtru peak z czwórnikiem „2T”, zrezygnowano z budowy prototypu analogowego.
Filtracja sygnałów analogowych za pomocą technik DSP
Cyfrowe przetwarzanie sygnałów (DSP) jest ogromną dziedziną technologii elektronicznych oraz informatycznych i programistycznych. Dlatego autor tej skromnej publikacji postanowił skupić się wyłącznie na wybiórczej prezentacji zagadnień, których zrozumienie jest absolutnie niezbędne do poprawnej implementacji i pomiarów podstawowych filtrów cyfrowych. W następnym odcinku zmierzymy się z DSP w wykonaniu skromnej płytki STM32 NUCLEO (fotografia 4).
Podsumowanie i wnioski
W zaprezentowanym materiale skupiono się przede wszystkim na zagadnieniach realizacji i pomiarów filtrów wąskopasmowych m.cz. o znacznej dobroci Q. W toku przeprowadzonych eksperymentów praktycznych oraz symulacji komputerowych jednoznacznie stwierdzono, że realizacja takich filtrów w klasycznej (czysto analogowej) technologii nastręcza licznych trudności implementacyjnych, których konsekwencje mogą bardzo negatywnie wpływać na jakość uzyskanych tą drogą filtrów. Jako pożądane rozwiązanie nakreślonych problemów projektowych zaproponowano zastosowanie filtrów cyfrowych, realizowanych technikami DSP, czyli tzw. cyfrowego przetwarzania sygnałów analogowych (ciągłych i nieziarnistych).
Adam Sobczyk, EP
Literatura:
- Podstawy elektroniki, A. Chwaleba, B. Moeschke, G. Płoszajski, P. Majdak, P. Świstak, Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2021, Wydanie 1
- MPX filter, https://en.wikipedia.org/wiki/MPX_filter
- High-speed notch filters, https://www.ti.com/lit/pdf/slyt235, Texas Instruments, Technical document – Analog Applications Journal, 1Q2006
- Cyfrowe przetwarzanie sygnałów w telekomunikacji. Podstawy. Multimedia. Transmisja, Praca zbiorowa pod redakcją naukową: Tomasz P. Zieliński oraz Przemysław Korohoda i Roman Rumian, Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2014, Wydanie 1
- Wprowadzenie do cyfrowego przetwarzania sygnałów, Richard G. Lyons, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności sp. z o.o., Warszawa 1999, Wydanie 1
