În ultimul nostru articol din această serie care evidențiază atât lipsa cât și importanța abilităților de inginerie în domeniul proiectării analogice, vă explicăm cum este posibil să proiectați rapid un circuit de filtrare analogică complet funcțional fără a calcula valorile componentelor utilizând numere complexe sau ecuații diferențiale. Utilizând instrumente software gratuite precum Analog Filter Wizard și LTSpice, ambele de la Analog Devices, inginerii electroniști pot acum să proiecteze și să simuleze comportamentul unui circuit de filtrare înainte de a decide să îl construiască în laborator sau să îl utilizeze într-o aplicație de testare.
Provocarea legată de proiectare
Frecvența vorbirii umane se situează aproximativ între 300 Hz și 3 kHz. Obiectivul este de a proiecta un filtru trece-banda (BPF) care să permită semnalelor din acest interval (banda de trecere) să treacă prin circuit, respingând în același timp frecvențele din afara acestui interval de frecvență (banda de blocare).
Figura 1: Meniul “Filter type” (Tip de filtru)
O aplicație practică a acestui filtru se regăsește în sistemul telefonic pentru a limita banda de frecvență a semnalului înainte de a fi digitizat cu ajutorul unui convertor analog-digital (ADC).
Construirea circuitului
În primul rând, porniți instrumentul Analog Filter Wizard și selectați un filtru trece-bandă din opțiunile disponibile (figura 1).
Figura 2: Răspunsul în frecvență al BPF
În continuare, accesați tabul “Specifications” (Specificații) pentru a afișa o interfață grafică ușor de utilizat (GUI), Aceasta permite inginerului să introducă specificațiile filtrului și apoi trasează un grafic al răspunsului în frecvență pentru filtrul respectiv. Pentru acest exemplu, valorile prezentate în figura 2 generează un răspuns în frecvență care se potrivește îndeaproape cu comportamentul dorit al filtrului.
Figura 3: Componentele circuitului BPF
Banda de trecere este definită ca fiind intervalul de frecvențe pentru care semnalul de ieșire reprezintă cel puțin 70% din magnitudinea semnalului de intrare și este indicată de zona colorată în albastru între cele două frecvențe de tăiere de -3dB. Atenuarea filtrului este specificată ca fiind de -40dB/decadă, ceea ce înseamnă că semnalele ale căror frecvențe sunt de 10 ori mai mari (sau mai mici) decât cele două frecvențe de tăiere de 300Hz și, respectiv, 3kHz sunt atenuate (reduse în magnitudine) de un factor de 100.
În tab-ul “Components” (Componente), sunt afișate elementele necesare pentru a construi filtrul. Există opțiunea de a adăuga nivelurile de tensiune pe care le va utiliza circuitul și de a selecta tipuri de componente personalizate (rezistori, capacitori, amplificator operațional) sau pur și simplu de a accepta componentele implicite selectate de instrument.
Figura 4: Schema de simulare a LTSpice BPF
Configurația circuitului prezentată este pentru un filtru Butterworth de ordinul patru, care cuprinde un filtru Sallen-Key de ordinul doi trece-jos și un filtru Sallen-Key de ordinul doi trece-sus. În combinație, acestea asigură răspunsul dorit în banda de trecere.
Utilizând funcția “SPICE Only” (din tab-ul “Next Steps”), inginerii pot descărca fișierele software necesare pentru a simula circuitul cu ajutorul instrumentului de simulare LTSpice, care poate fi descărcat de pe site-ul web al Analog Devices.
Definiți semnalele de intrare
Figura 5: Semnalul de 1KHz în domeniul timp trece neatenuat prin filtru
Figura 4 prezintă schema LTSpice afișată după deschiderea fișierului ‘TransientAnalysis.asc’ (furnizat de asistentul Analog Filter). Cele două etaje ale filtrului de ordinul al doilea, sursele de alimentare (V2, V3) și sursa semnalului de intrare (VIN) sunt clar vizibile.
Proiectanții pot efectua rapid două tipuri de simulări pentru a verifica dacă proiectarea filtrului se comportă așa cum este specificat:
- Analiză tranzitorie
- Analiză AC
Analiza tranzitorie simulează comportamentul filtrului pentru un semnal în domeniul timp cu o tensiune și o frecvență de intrare specificate. Tensiunea maximă de intrare trebuie să se încadreze în tensiunea de operare a amplificatoarelor operaționale alese.
Figura 6: Filtrul rejectează un semnal de 30KHz în domeniul timp
Analiza de curent alternativ simulează comportamentul filtrului în întreaga gamă de frecvențe posibile ale semnalului de intrare.
Simularea circuitului și examinarea ieșirii
Pentru analiza tranzitorie, semnalul de intrare este o undă sinusoidală de 1V (vârf) cu o frecvență de 1kHz. Figura 5 demonstrează că semnalul trece neatenuat prin filtru, având în vedere că semnalul de intrare (trasa verde) și cel de ieșire (trasa albastră) sunt aproximativ identice. Acest comportament este de așteptat, deoarece 1KHz se află în banda de trecere a filtrului.
Repetarea aceleiași simulări pentru un semnal de intrare cu o frecvență de 30kHz (figura 6) arată că semnalul de ieșire este aproape 0V – din nou, acesta este comportamentul așteptat, deoarece această frecvență se află în afara benzii de trecere (banda de blocare).
Figura 7: Bancul de testare LTSpice pentru analiza CA
Schema de testare pentru fișierul “ACAnalysis.asc” descărcat de la Analog Filter Wizard este prezentată în figura 7.
Figura 8: Răspunsul în frecvență al filtrului BPF
Figura 8 prezintă răspunsul în frecvență al filtrului generat de analiza CA, care se potrivește foarte bine cu cel prezentat la specificarea performanței filtrului în Analog Filter Wizard (Figura 2).
Concluzie
De-a lungul acestei serii de patru articole, scopul nostru a fost de a crește gradul de conștientizare a lipsei și a necesității, în același timp, a inginerilor electroniști cu abilități de proiectare analogică. Am trecut în revistă elementele de bază ale proiectării filtrelor analogice și instrumentele pe care inginerii electroniști le folosesc pentru a-și îndeplini sarcinile. Departe de a fi un principiu de proiectare, care se bazează pe intuiția subiectivă a fiecărui inginer în parte, proiectarea circuitelor analogice a evoluat într-o metodologie extrem de structurată, simplificată în mare măsură de disponibilitatea unor instrumente hardware și software avansate de automatizare a sarcinilor care, anterior, necesitau calcule consumatoare de timp.
Să sperăm că tinerii ingineri care vor citi aceste rânduri vor privi proiectarea de circuite analogice într-o nouă lumină și vor vedea în aceasta un set de competențe foarte valoroase și o opțiune de carieră plină de satisfacții.
Autor:
Mark Patrick
Mouser Electronics
Authorised Distributor
www.mouser.com
Urmărește-ne pe Twitter