Tippek a megfelelő online eszközök kiválasztásához – 2. rész

Analóg szűrők

Négyrészes sorozatunkban néhány olyan kihívást járunk körbe, amikkel a tervezőmérnökök gyakran szembesülnek, és megvizsgáljuk, milyen segítséget nyújtanak ezek leküzdéséhez a különböző online eszközök. Az áramkörök tervezése közben a mérnököknek sokféle számítást kell végezniük. Az alkatrészek kiválasztásától az analóg szűrők és rádiófrekvenciás áramkörök (RF) kialakításáig minden lépéshez különböző, a tervezést segítő eszközök állnak rendelkezésre.

Sorozatunk első részében az online kalkulátorokat és tervezőeszközöket tekintettük át, valamint bemutattuk néhány népszerű áramkör-szimulációs eszköz funkcióit. A sorozat 2. részében az analóg szűrők tervezéséhez használható eszközökről lesz szó.

A szűrők minden jelfeldolgozó rendszer alapvető építőelemeinek számítanak. A legismertebb szűrők minden bizonnyal a felül- és aluláteresztő szűrők, amiket a hangerősítők magas és mély hangszínszabályzóiban is megtalálunk. A rádióberendezések is szűrőket használnak egy adott rádióállomás kiválasztásához és a többi adó kizárásához.

A szűrők leggyakoribb fajtái:

• felüláteresztő (high-pass) – csak a magas frekvenciákat engedi át, az alacsonyabbakat kizárja;
• aluláteresztő (low -pass) – az előzőnek pont a fordítottja, a magas frekvenciákat blokkolja, a mélyeket pedig átereszti;
• sávszűrő (band-pass) – csak a megadott tartományon belül eső frekvenciákat engedi át;
• sávzáró (band-stop vagy notch) – kizár egy adott frekvenciatartományt.

Szűrőparaméterek

Ideális esetben egy szűrő csak a kívánt frekvenciákat engedi át, és teljesen kizárja a többit, azonban, ahogy az az 1. ábrán látható, a valóságban a szűrők ezt a működést csak megközelíteni tudják.
A szűrő átviteli függvénye a bemenetre adott kimeneti válasz aránya a frekvencia függvényében. Ezt az alábbi paraméterek határozzák meg:

• áteresztősáv – az a frekvenciatartomány, ami a szűrőn változás nélkül áthalad;
• határfrekvencia – az a pont, ahol a kimenet csökkenni kezd, jellemzően ahol a kimeneti jel 3 dB-lel lecsökken;
• meredekség/roll-off – a sebesség, amellyel a kimenet csökken az áteresztősávon kívül eső frekvenciákon, ezt nevezik a szűrő „rendjének” is;
• stop-band – a frekvenciatartomány, ahol a kimenet csökkentett;
• egy sávszűrő esetében a sávszélesség a felső és alsó határfrekvenciák közötti különbséget jelenti.

1. ábra Egy elsőrendű aluláteresztő szűrő átviteli függvénye

Egyszerű szűrőket kizárólag passzív alkatrészek (ellenállások (R), induktivitások (L) és kondenzátorok (C)) felhasználásával is létrehozhatunk. Aktív alkatrész (mint például egy műveleti erősítő) beépítése nagyobb rugalmasságot tesz lehetővé a tervezés során.
Egy egyszerű elsőrendű szűrő akár egyetlen RC-áramkörrel is létrehozható. Az összetettebb szűrőtervek – gyakran egy LC-áramkör használatával – közelebb vihetnek az ideális válaszhoz. Azonban a szűrők egyes paraméterei között mindig kell kompromisszumokat kötni.
Például egy Butterworth-szűrő tervezésekor lényeges szempont, hogy az áteresztősávon belül a lehető leglaposabb frekvenciaválaszt kapjuk. Másrészt, míg egy Chebyshev-szűrő meredekebb roll-off-fal rendelkezik, az áteresztő sávban és zárósávban nagyobb a hullámzása. (2a és 2b ábra)

2a és 2b ábra Egy Butterworth- és egy Chebyshev-szűrő átviteli válaszai

 
A tervezőknek számos alkalmazásban tartózkodniuk kell az induktivitások használatától. Ezek távolról sem „ideális” alkatrészek, az induktivitás mellett általában jelentős ellenállással is rendelkeznek, ami lényegesen bonyolultabbá teszi a velük való tervezést. Ráadásul meglehetősen méretesek is lehetnek, ami számos alkalmazás esetén eleve kizárja őket. Egy műveleti erősítőt használó aktív kialakítás szükségtelenné teheti az induktivitások használatát.
A szűrők egy másik fontos paramétere a „minőségi” paraméter, a Q. Minél magasabb a Q-érték, az átviteli függvény annál közelebb áll az ideális válaszhoz. Ha a Q > 0,707, egy csúcs jelenik meg az átviteli függvényben. Amennyiben a Q < 0,707, a szűrőnek kisebb lesz a meredeksége és a roll-off hamarabb kezdődik. Ez látható a 3. ábrán.

3. ábra A Q hatása egy aluláteresztő szűrő átviteli függvényére

 
Nagyon magas Q-értékek a szűrő rezgését vagy csengését eredményezhetik, amikor a bemenetben éles változás következik be.

Szűrők tervezése

Az átviteli függvény meghatározható az R, C és L értékek alapján. Az alkatrészek impedanciája és a frekvencia komplex számok. Az átviteli függvény a határfrekvencia és a Q-érték szempontjából is meghatározható.
Mindez azt jelenti, hogy az átviteli függvény kiszámítása komplex polinomok megoldását igényli. Amennyiben a szűrő fázisválasza is fontos, az további komplex számításokat von maga után. Szerencsére rendelkezésre állnak olyan online eszközök, amelyek elvégzik ezeket a számításokat helyettünk.
Például az Analog Devices (ADI) és a Texas Instruments (TI) egyaránt kínál olyan interaktív tervezőeszközöket, amik böngészőben futnak.

Az Analog Devices Filter Wizard-ja (4. ábra)
Az ADI Filter Wizard támogatja az interaktív szűrőtervezést.
Az eszköz használatával interaktív módon:

• kiválaszthatja a szűrő típusát (aluláteresztő, felüláteresztő vagy sávszűrő);
• beállíthatja a szűrő alapvető paramétereit: levágási frekvencia, stop-sáv stb.;
• kiválaszthatja a szűrő válaszát: Chebyshev, Bessel, Butterworth stb.;
• kiértékelheti a műveleti erősítő jellemzőinek hatását, mint például az erősítési sávszélességet vagy a zajhatást;
• ábrázolhatja a szűrő válaszát, a fázist is beleértve, figyelembe véve nem ideális komponenseket;
• különböző formátumokba mentheti el a tervet, akár a SPICE áramkör-szimulátorban használható modellként is.

4. ábra Filter Wizard képernyőmentés (Forrás: Analog Devices)

Filter Design Tool a Texas Instruments-től (5. ábra)
A TI Filter Design Tool a következő tervezési lépéseket segíti:

• szűrő típusának kiválasztása (aluláteresztő, felüláteresztő, sáváteresztő vagy sávzáró);
• a megfelelő szűrőterv kiválasztása olyan jellemzők optimalizálásával, mint az áteresztési sáv hullámossága, a stop-sáv csillapítása, a költségek, az impulzusválasz és a beállási idő;
• egy vagy több szűrőválasz kiválasztása, és a különböző (frekvencia-, fázis- stb.) diagramok összehasonlítása;
• a műveleti erősítő és egyéb alkatrészek módosítása a tervben, és az eredmények szimulációja;
• az elkészült terv exportálása különböző formátumokba, köztük SPICE-modellként is.

5. ábra Képernyőmentés a Filter Wizard-ról (Forrás: Texas Instruments)

A szűrőtervezést segítő egyéb eszközök és kalkulátorok

Az interneten több specializált tervezési eszköz is elérhető.

• Az RF Tools weboldalán egy LC-szűrők tervezését segítő eszközt is találhatunk rádiófrekvenciás áramkörökhöz.
• Az Okawa Electric Design számos online kalkulátort kínál passzív és aktív szűrők tervezéséhez, különböző R, C és L kombinációk használatával.

Sorozatunk következő részében a tápegységek kiválasztásához és tervezéséhez használható eszközök kínálatával foglalkozunk.

Szerző: Mark Patrick – Mouser Electronics

Mouser Electronics
Hivatalos forgalmazó
www.mouser.com
Kövessen bennünket Twitteren:
https://twitter.com/MouserElecEU

Tippek a megfelelő online eszközök kiválasztásához – 1. rész (Online kalkulátorok és tervezőeszközök)

Tippek a megfelelő online eszközök kiválasztásához – 3. rész (Tápegységek)

Tippek a megfelelő online eszközök kiválasztásához – 4. rész (Rádiófrekvenciás tervezés)