Griezuma filtru shēmas ar detaļas dizainu

Šajā rakstā mēs veicam detalizētu diskusiju par to, kā veidot iecirtuma filtrus ar precīzu centra frekvenci un maksimālu triecienu.

Kur tiek izmantots iecirtuma filtrs

Notch filtru shēmas parasti izmanto, lai nomāktu, anulētu vai atceltu noteiktu frekvenču diapazonu, lai izvairītos no kaitinošiem vai nevēlamiem traucējumiem ķēdes konfigurācijā.

Tas jo īpaši kļūst noderīgs jutīgā audio aprīkojumā, piemēram, pastiprinātājos, radio uztvērējos, kur ar vienkāršu līdzekli ir jānovērš viens vai izvēlētais nevēlamo traucējošo frekvenču skaits.

Iepriekšējos gadu desmitos aktīvi tika izmantoti aktīvi robu filtri pastiprinātāju un audio lietojumiem, lai novērstu 50 un 60 Hz trokšņu traucējumus. Šie tīkli ir bijuši kaut arī neērti no centra iecirtuma frekvences (f0) noregulēšanas, līdzsvara un konsekvences viedokļa.

Ieviešot modernus ātrgaitas pastiprinātājus, kļuva obligāti jāizveido saderīgi ātrgaitas iecirtumu filtri, kurus varētu izmantot, lai efektīvi veiktu ātrgaitas iecirtumu frekvenču filtrēšanu.

Šeit mēs centīsimies izpētīt iespējas un ar to saistītās sarežģītības, kas saistītas ar augstas pakāpes filtru izgatavošanu.

Svarīgas īpašības

Pirms iedziļināšanās priekšmetā vispirms apkoposim svarīgās īpašības, kuras var būt nepieciešamas, izstrādājot piedāvātos ātrgaitas iecirtuma filtrus.

1) Nulles dziļuma stāvums, kas norādīts 1. attēlā, var būt praktiski neiespējams, visefektīvākie sasniedzamie rezultāti nedrīkst būt lielāki par 40 vai 50 dB.

2) Tāpēc jāsaprot, ka nozīmīgākais uzlabojamais faktors ir centra frekvence un Q, un projektētājam jākoncentrējas uz to, nevis iegriezuma dziļumu. Izgatavojot iecirtuma filtru, galvenajam mērķim jābūt nevēlamās traucējošās frekvences noraidīšanas līmenim, tam jābūt optimālam.

3) Iepriekš minēto problēmu var optimāli atrisināt, dodot priekšroku vislabākajām R un C komponentu vērtībām, kuras var ieviest, pareizi izmantojot 1. atsaucē parādīto RC kalkulatoru, ko var izmantot, lai pienācīgi identificētu R0 un C0 konkrēta iecirtuma filtra projektēšanas programma.

Šie dati izpētīs un palīdzēs izprast dažu savstarpēji saistītu iecirtumu filtru topoloģiju dizainu:

Twin-T iecirtuma filtrs

Twin-T filtra konfigurācija, kas parādīta 3. attēlā, izskatās diezgan interesanta, pateicoties tā labajai veiktspējai un tikai viena opamp iesaistei dizainā.

Shematisks

Lai gan iepriekš norādītā iecirtuma filtra ķēde ir pietiekami efektīva, tai var būt zināma neizdevīga situācija, jo tā ir ārkārtīgi vienkārša, kā norādīts zemāk:

Dizainā tā pielāgošanai tiek izmantoti 6 precīzi komponenti, no kuriem pāris ir paredzēti, lai sasniegtu pārējo attiecību. Ja ir jāizvairās no šīs komplikācijas, ķēdē var būt nepieciešami 8 papildu precizitātes komponenti, piemēram, R0 / 2 = 2nos R0 paralēli un 2 paralēli C0 = 2 nos.

Twin-T topoloģija viegli nedarbojas ar atsevišķiem barošanas avotiem un neatbilst pilnvērtīgiem diferenciālajiem pastiprinātājiem.

RQ dēļ rezistoru vērtību diapazons turpina palielināties<< R0 necessity which in turn may influence on the level of depth of the desired center frequency.

Tomēr pat tad, ja rodas iepriekš minētās grūtības, ja lietotājam izdodas optimizēt dizainu ar augstas kvalitātes precīziem komponentiem, var sagaidīt un efektīvi filtrēt konkrēto lietojumprogrammu.

Fly Notch filtrs

4. attēlā parādīts Fliege Notch filtra dizains, kas identificē dažas atšķirīgas priekšrocības, salīdzinot ar Twin-T kolēģi, kā aprakstīts zemāk:

1) Tajā ir iekļauti tikai pāris precizitātes komponenti R un Cs formā, lai izpildītu precīzu centrālās frekvences regulēšanu.

2) Viens ievērojams šī dizaina aspekts ir tas, ka tas pieļauj nelielas detaļu un iestatījumu neprecizitātes, neietekmējot iegriezuma punkta dziļumu, lai gan centra frekvence varētu attiecīgi nedaudz mainīties.

3) Jūs atradīsit dažus rezistorus, kas atbild par centra frekvences diskrētu noteikšanu, kuru vērtības var nebūt ārkārtīgi kritiskas

4) Konfigurācija ļauj iestatīt centra frekvenci ar samērā šauru diapazonu, neietekmējot iegriezuma dziļumu līdz būtiskam līmenim.

Tomēr negatīvā lieta šajā topogrāfijā ir divu opampu izmantošana, un tomēr tā nekļūst izmantojama ar diferenciālajiem pastiprinātājiem.

Simulāciju rezultāti

Sākotnēji simulācijas tika veiktas ar vispiemērotākajām opamp versijām. Drīz pēc tam tika izmantotas patiesas dzīves opamp versijas, kuru rezultāti bija salīdzināmi ar laboratorijā atklātajiem rezultātiem.

1. tabulā ir parādītas komponentu vērtības, kuras tika izmantotas 4. attēlā redzamajai shēmai. Šķita, ka nav jēgas veikt simulācijas ar frekvenci 10 MHz vai vairāk, galvenokārt tāpēc, ka laboratorijas testi galvenokārt tika veikti kā sākums, un 1 MHz bija vadošā frekvence, kur bija jāpiemēro iecirtuma filtrs.

Vārds attiecībā uz kondensatoriem : Neskatoties uz to, ka kapacitāte ir tikai simulāciju “skaitlis”, reālie kondensatori ir veidoti no unikāliem dielektriskiem elementiem.

10 kHz rezistora vērtības izstiepšanās uzlika kondensatoram vērtību 10 nF. Neskatoties uz to, ka demonstrācijā tas pareizi izdarīja triku, tas aicināja laboratorijā pielāgot NPO dielektriku uz X7R dielektriku, kā rezultātā iecirtuma filtrs pilnībā pazeminājās ar savu funkciju.

Pielietoto 10-nF kondensatoru specifikācijas bija tuvu vērtībai, kā rezultātā iegriezuma dziļuma samazināšanās galvenokārt bija saistīta ar sliktu dielektriku. Ķēde bija spiesta atgriezties pie Q = 10, un R0 tika izmantots 3-MΩ.

Reālajām ķēdēm ieteicams ievērot NPO kondensatorus. Prasību vērtības 1. tabulā tika uzskatītas par labu izvēli gan simulācijās, gan laboratorijas izstrādē.

Sākumā simulācijas tika veiktas bez 1-kΩ potenciometra (divi 1-kΩ fiksētie rezistori bija saistīti īpaši sinhronizācijā un ar apakšējā opamp neinvertējošo ieeju).

Demonstrācijas rezultāti ir parādīti 5. attēlā. Jūs atradīsit 9 rezultātus 5. attēlā, tomēr jūs varat atrast viļņu formas uz Q vērtību, kas pārklājas ar citām frekvencēm.

Aprēķina centra frekvenci

Centrālā frekvence jebkurā gadījumā ir mēreni augstāka par struktūras mērķi 10 kHz, 100 kHz vai 1 MHz. Tas var būt tik tuvu, cik attīstītājs var iegūt ar pieņemtu E96 rezistoru un E12 kondensatoru.

Padomājiet par situāciju, izmantojot 100 kHz iecirtumu:

f = 1 / 2πR0C0 = 1 / 2π x 1,58k x 1nF = 100,731 kHz

Kā redzams, rezultāts izskatās nedaudz līdzīgs atzīmei, to var vēl vairāk racionalizēt un padarīt tuvāku vajadzīgajai vērtībai, ja 1nF kondensators tiek modificēts ar standarta E24 vērtības kondensatoru, kā parādīts zemāk:

f = 1 / 2π
x 4,42 k x 360 pF = 100,022 kHz, izskatās daudz labāk

E24 versijas kondensatoru izmantošana lielāko daļu laika var radīt ievērojami precīzākas centrālās frekvences, tomēr kaut kā E24 sērijas daudzuma iegūšana var būt dārga (un nepamatota) pieskaitāmā summa daudzās laboratorijās.

Kaut arī hipotēzē varētu būt ērti novērtēt E24 kondensatora vērtības, reālajā pasaulē lielākā daļa no tām gandrīz nekad netiek ieviestas, kā arī ir pagarinātas darbības reizes. Jūs atklāsiet mazāk sarežģītas izvēles iespējas iegādāties E24 kondensatora vērtības.

Rūpīgi novērtējot 5. attēlu, tiek noteikts, ka iecirtums garām centrālajai frekvencei pieticīgi. Pie mazākām Q vērtībām jūs joprojām varat ievērojami atcelt norādīto iecirtuma frekvenci.

Gadījumā, ja noraidījums nav apmierinošs, iespējams, vēlēsities pielāgot robu filtru.

Apskatot 100 kHz scenāriju, mēs atkal novērojam, ka reakcija ap 100 kHz ir pagarināta 6. attēlā.

Viļņu formas savākšana pa kreisi un pa labi no centrālās frekvences (100,731 kHz) atbilst filtra reakcijām, tiklīdz 1 kΩ potenciometrs ir novietots un pielāgots ar 1% soli.

Katru reizi, kad potenciometrs tiek noregulēts līdz pusei, iecirtuma filtrs noraida frekvences ar precīzu kodola frekvenci.

Imitētās iecirtuma pakāpe faktiski ir aptuveni 95 dB, tomēr tas vienkārši nav paredzēts fiziskajā vienībā.

1% potenciometra noregulējums liek iecirtumu, kas parasti pārsniedz 40 dB taisni uz vēlamo frekvenci.

Atkal šis scenārijs var būt labākais scenārijs, ja to veic ar ideāliem komponentiem, tomēr laboratorijas dati ir precīzāki zemākās frekvencēs (10 un 100 kHz).

6. attēlā ir noteikts, ka pašā sākumā jums jāsasniedz daudz tuvāk precīzai frekvencei ar R0 un C0. Tā kā potenciometrs var iztaisnot frekvences plašā spektrā, iegriezuma dziļums varētu pasliktināties.

Pieticīgā diapazonā (± 1%) var panākt sliktas frekvences noraidījumu 100: 1, tomēr palielinātā diapazonā (± 10%), tikai 10: 1 noraidījums ir iespējams.

Laboratorijas rezultāti

Lai izveidotu shēmu 4. attēlā, tika izveidota THS4032 novērtēšanas plāksne.

Tā faktiski ir vispārējas nozīmes struktūra, kurā ķēdes pabeigšanai izmanto tikai 3 džemperus kopā ar traceto.

Tika izmantoti 1. tabulā norādītie komponentu daudzumi, sākot ar tiem, kas, iespējams, izjauc 1 MHz frekvenci.

Motīvs bija medīt frekvenču joslas platuma / ātruma noteikšanas ātrumu pie 1 MHz un pēc vajadzības pārbaudīt ar pieejamākām vai augstākām frekvencēm.

Rezultāti pie 1 MHz

7. attēls norāda, ka pie 1 MHz jūs varat iegūt vairākas specifiskas joslas platuma un / vai ātruma reakcijas. Reakcijas viļņa forma pie Q 100 ir tikai pulsācija, kurā var būt iecirtums.

Pie Q 10 ir tikai 10 dB iegriezums un 30 dB iegriezums pie Q 1.

Šķiet, ka robu filtri nespēj sasniegt tik augstu frekvenci, kā mēs to varētu paredzēt, tomēr THS4032 ir vienkārši 100 MHz ierīce.

Ir dabiski paredzēt izcilu funkcionalitāti no komponentiem ar uzlabotu vienības palielināšanas joslas platumu. Vienotības iegūšanas stabilitāte ir kritiska tāpēc, ka Fliege topoloģija nes fiksētu vienotības pieaugumu.

Kad radītājs cer precīzi noteikt, kāds joslas platums ir būtisks iecirtumam noteiktā frekvencē, pareiza vieta, kur iet, ir pastiprinājuma / joslas platuma kombinācija, kā parādīts datu lapā, kurai simtkārtīgi vajadzētu būt iecirtuma centrālajai frekvencei.

Iespējams, ka palielinātajām Q vērtībām var sagaidīt papildu joslas platumu. Mainot Q, jūs varat atrast iecirtuma centra frekvences novirzes pakāpi.

Tas ir tieši tāds pats kā frekvenču pāreja, kas pamanīta joslas filtriem.

Frekvences pāreja ir mazāka iecirtuma filtriem, kas tiek izmantoti darbam ar 100 kHz un 10 kHz, kā noteikts 8. attēlā un galu galā 10. attēlā.

Dati pie 100 kHz

Daļu daudzumi no 1. tabulas vēlāk tika izmantoti, lai izveidotu 100 kHz iecirtuma filtrus ar dažādiem Q.

Dati ir parādīti 8. attēlā. Tūlīt šķiet pilnīgi skaidrs, ka darbspējīgi robu filtri parasti tiek izstrādāti ar 100 kHz centrālo frekvenci, neskatoties uz to, ka iecirtuma dziļums pie lielākām Q vērtībām ir ievērojami mazāks.

Tomēr paturiet prātā, ka šeit uzskaitītais konfigurācijas mērķis ir 100 kHz, nevis 97 kHz iecirtums.

Vēlamās detaļu vērtības bija tieši tādas pašas kā simulācijai, tāpēc iecirtuma centra frekvencei tehniski jābūt 100,731 kHz, tomēr triecienu izskaidro laboratorijas projektā iekļautie komponenti.

1000-pF kondensatora sortimenta vidējā vērtība bija 1030 pF, un 1,58-kΩ rezistoru sortimenta vērtība bija 1,583 kΩ.

Jebkurā laikā, kad tiek izmantota centrālā frekvence, izmantojot šīs vērtības, tā sasniedz 97,14 kHz. Neskatoties uz to, konkrētās daļas diez vai varēja noteikt (dēlis bija ārkārtīgi jūtīgs).

Ar nosacījumu, ka kondensatori ir līdzvērtīgi, var būt viegli paaugstināties, izmantojot dažas parastās E96 rezistora vērtības, lai sasniegtu stingrākus rezultātus līdz 100 kHz.

Lieki piebilst, ka, visticamāk, tā varētu nebūt alternatīva liela apjoma ražošanā, kur 10% kondensatoru varētu būt praktiski no jebkura iepakojuma un, iespējams, no dažādiem ražotājiem.

Centrālo frekvenču izvēle notiks saskaņā ar R0 un C0 pielaidēm, kas ir slikta ziņa gadījumā, ja būs nepieciešama augsta Q pakāpe.

Ir 3 metodes, kā tikt galā ar to:

Pērciet augstas precizitātes rezistorus un kondensatorus

samazināt Q specifikāciju un samierināties ar mazāku nevēlamās frekvences noraidīšanu vai

precīzi noregulējiet ķēdi (kas tika apsvērta vēlāk).

Pašlaik šķiet, ka shēma ir personalizēta, lai saņemtu Q no 10 un 1 kΩ potenciometru, kas integrēts centrālās frekvences noregulēšanai (kā parādīts 4. attēlā).

Reālajā izkārtojumā vēlamajam potenciometra vērtībai vajadzētu būt nedaudz lielākai par nepieciešamo, lai maksimāli aptvertu visu centrālo frekvenču diapazonu pat ar sliktāko R0 un C0 pielaides gadījumu.

Šajā brīdī tas netika paveikts, jo tas bija piemērs, analizējot potenciālu, un 1 kΩ bija viskonkurētspējīgākā potenciometra kvalitāte, kas pieejama laboratorijā.

Kad ķēde tika noregulēta un noregulēta uz 100 kHz centrālo frekvenci, kā norādīts 9. attēlā, iecirtuma līmenis pasliktinājās no 32 dB līdz 14 dB.

Paturiet prātā, ka šo iecirtuma dziļumu, iespējams, varētu dramatiski uzlabot, nodrošinot sākotnējo f0 stingrāku līdz vislabākajai vērtībai.

Potenciometru paredzēts pielāgot tikai pieticīgā centra frekvenču apgabalā.

Tomēr 5: 1 nevēlamās frekvences noraidīšana ir vērtējama un ļoti labi varētu būt piemērota daudziem lietojumiem. Daudz svarīgākas programmas nenoliedzami var pieprasīt precīzākas detaļas.

Op amp joslas platuma ierobežojumi, kas spēj papildus pasliktināt noregulētās iecirtuma lielumu, var būt arī atbildīgi par to, lai apturētu iecirtuma pakāpi pēc iespējas mazāku. Paturot to prātā, ķēde atkal tika pielāgota centrālajai frekvencei 10 kHz.

Rezultāti pie 10 kHz

10. attēlā ir noteikts, ka Q ielejas ieleja 10 ir palielinājusies līdz 32 dB, kas varētu būt tas, ko jūs varat sagaidīt no centrālās frekvences par 4% no simulācijas (6. attēls).

Opamp, bez šaubām, samazināja iegriezuma dziļumu 100 kHz centrālajā frekvencē! 32 dB robs ir 40: 1 atcelšana, kas varētu būt samērā pienācīga.

Tāpēc, neraugoties uz detaļām, kurās tika izveidota provizoriska 4% kļūda, 32 dB ierobojumu bija viegli izspiest vispieprasītākajā centra frekvencē.

Nepatīkama ziņa ir tā, ka, lai izvairītos no opamp joslas platuma ierobežojumiem, augstākā iespējamā iecirtuma frekvence, kāda ir iedomājama ar 100 MHz opampu, ir aptuveni 10 un 100 kHz.

Runājot par iecirtuma filtriem, “ātrgaitas” tiek uzskatīts par īstu ar simtiem kilohercu.

Lielisks praktisks pielietojums 10 kHz iecirtumu filtriem ir AM (vidēja viļņa) uztvērēji, kuros kaimiņu staciju nesējs rada skaļu 10 kHz skaņas signālu, īpaši nakts laikā. Tas noteikti varētu sarauties uz nerviem, kamēr noregulēšana notiek nepārtraukti.

11. attēlā parādīts uztvertā stacijas audio spektrs, neizmantojot un neizmantojot 10 kHz iegriezumu. Ievērojiet, ka 10 kHz troksnis ir visskaļākā uztvertā audio sadaļa (11.a attēls), kaut arī cilvēka auss ir ievērojami mazāk uzņēmīgs pret to.

Šis audio diapazons tika uzņemts naktī tuvējā stacijā, kas abās pusēs uztvēra pāris jaudīgas stacijas. FCC noteikumi pieļauj noteiktas staciju pārvadātāju atšķirības.

Šī iemesla dēļ nelielas divu kaimiņu staciju nesējfrekvences, iespējams, radīs 10 kHz trokšņus heterodīnu, palielinot kaitinošo klausīšanās pieredzi.

Ikreiz, kad tiek ieviests iecirtuma filtrs (11.b attēls), 10 kHz signāls tiek samazināts līdz atbilstošam līmenim kā blakus esošajai modulācijai. Turklāt audio spektrā ir novērojami 20 kHz nesēji no stacijām 2 kanālu attālumā un 16 kHz signāls no transatlantiskās stacijas.

Parasti tās nav lielas bažas, jo uztvērējs IF tās ievērojami vājina. Apmēram 20 kHz frekvence abos gadījumos var nebūt dzirdama lielākajai daļai cilvēku.

Atsauces: