Progettare active filter analogici con FilterPro

Progettare active filter analogici con FilterPro

Introduzione FilterPRO

Come progettare un active filter analogico utilizzando FilterPro. TI è ben conosciuta per i suoi chip digitali che includono processori DSP e processori di applicazioni. Inoltre, offre anche un’ampia gamma di prodotti analogici. Per ulteriori informazioni, si prega di visitare il suo centro di progettazione analogica eLab. È possibile venire a conoscenza dei corsi con video podcast e con la presentazione, selezionare i prodotti per la configurazione della progettazione del prototipo e simulare la progettazione con alcuni utili strumenti di software liberi per DC/DC (SwitcherPro), ADC (ADCPro e MADCBufferPro), clock programmabile (ClockPro) e filtro attivo (FilterPro). Questi strumenti sono progettati appositamente per le specifiche componenti TI.

Oggi la maggior parte degli ingegneri ha abbastanza familiarità con lo sviluppo delle parti digitali, da VHDL allo sviluppo di firmware. Il progetto della parte analogica richiede anche esperienza. Gli strumenti free (FilterPro ad esempio) ci possono aiutare per la progettazione analogica. Facciamo un esempio di come progettare un active filter per un software libero a disposizione (FilterPro e TINA -TI).

FilterPro è uno strumento semplice che può aiutare a progettare un filtro attivo (active filter) selezionando il passabanda, il tipo di circuito, il tipo di filtro, i numeri di poli e la frequenza di taglio e di perfezionare le prestazioni del circuito.

TI inoltre lavora con il suo partner DesignSoft per presentare una grande soluzione di simulazione per i propri clienti. TINA di DesignSoft è un potente strumento di simulazione basato sulla Spice sia per i circuiti analogici e digitali. Nel recente rilascio, oltre alla cattura schematica di dati esistente, simulazione, layout di PCB e strumenti virtuali, TINA collabora pure con la simulazione di VHDL e la co-simulazione di MCU. Anche se è un software commerciale, DesignSoft offre una versione complementare, TINA-TI, con supporto intensivo a tutte le linee di prodotti analogici da TI. È possibile verificare le cartelle ESEMPIO dopo aver installato il software.

Ci sono molti circuiti campione nelle sotto-cartelle per l’audio, i comparatori, gli amplificatori di Differenza, FilterPro, gli amplificatori di potenza, SMPS e molto altro ancora. Tutti i campioni su TINA TI-TI usano prodotti analogici quanto più possibile.

Capacità di progettazione dei “active filter” e di FilterPro
Un filtro ideale passa-basso (active filter) eliminerebbe completamente i segnali al di sopra della frequenza di taglio e passerebbe perfettamente i segnali al di sotto del taglio (nel passabanda). Nei filtri reali, vengono fatti vari compromessi nel tentativo di avvicinarsi alla soluzione ideale. Alcuni tipi di filtri (come Bessel o Thomson) sono ottimizzati per ottenere la planarità nel passabanda, alcuni (come Chebyshev) scambiano la variazione di guadagno (ripple) nel passabanda per un più esorbitante roll-off, altri ancora (come Butterworth) scambiano sia la planarità e che tasso di roll off a favore di una fedeltà stimolo-risposta. FilterPro supporta i tre tipi di filtri con entrambi i poli più comunemente utilizzati: Butterworth, Chebyshev, e di Bessel. Se il tipo di filtro è tra queste opzioni, troverete che il circuito è lo stesso, mentre cambiano i valori della componente, le curve e Fn/Q. Il tipo di filtro modifica le caratteristiche di trasferimento AC del filtro.

I tipi di passabanda supportati da FilterPro sono passa-basso, passa-alto, passa-banda, notch, larga banda e rigetta-banda. Se alternate il tipo di passabanda tra passa-basso e passa-alto, vengono scambiati i condensatori e le resistenze. L’altro passabanda è la combinazione di diversi tipi.

Il software aiuta il progettista nel progettare l’active filter in tre generi di topologie di circuito: MFB (Multiple feedback, chiamato anche come infinito Guadagno o Rauch), Sallén-Key (che ha un’ottima precisione di guadagno ed è adatto per il filtro Q ad alta frequenza) e il differenziale pieno di MFB. È possibile visualizzare le diverse topologie di circuito tra di loro. Sono molto diverse nel conteggio delle componenti di circuito di BOM e le prestazioni.

L’ordine di un filtro attivo è determinato dal numero di condensatori utilizzati. È possibile controllare cambiando il numeri del polo. FilterPro progetta filtri di tutti i poli e ciascuno di questi poli rappresenta un ordine. Ad esempio, in FilterPro un filtro di terz’ordine avrebbe 3 poli e dovrebbe contenere 3 condensatori.

Il programma FilterPro colloca automaticamente le fasi Q più basse davanti le fasi Q più alte per evitare la saturazione degli amplificatori a causa di un picco di guadagno. Del resto, anche i filtri progettati con questo programma consistono in una cascata di sezioni di complesse coppie di poli. I filtri dispari contengono una sezione di poli aggiuntiva mostrata nell’ingresso al filtro; questo dipende dalle configurazioni, alcuni tipi sono migliori con la reale sezione di poli seguente.

FilterPro supporta filtri da 2 a 10 poli per tutti i tipi di filtro supportati, ad eccezione di Band-Pass e Notch. Un filtro con polo unico è disponibile nei tipi di filtri passa-alto e passa-basso.

Rispetto a resistenze, i condensatori con poche tolleranze sono più difficili da ottenere e possono essere molto più costosi. Il campo Condensatore consente di inserire i valori del condensatore effettivamente misurati. In questo modo, una precisa risposta del filtro può essere realizzato con componenti relativamente poco costosi. Questa è una caratteristica importante di FilterPro.

Prototipi con FilterPro

Progettiamo un semplice filtro passa-basso Sallén Butterworth-Key per le applicazioni audio (meno di 20 KHz). (Attenzione: FilterPro ha dei bachinell’aggiornare talvolta il diagramma schematico del circuito. Potete usare File | Nuovo comando per aggiornare lo schermo. In alternativa, chiudere ed eseguire di nuovo.)

Per prima cosa proviamo con la parte hardware (ili circuito). La configurazione di default è passa-basso, 3 poli, MFB single-ended, Butterworth, con frequenza di taglio a 1 kHz e Cursore di frequenza a 10 KHz. Il diagramma visualizzato al centro della finestra è mescolato con lo schema di Bode (Amp vs Freq e Fase vs Freq) e il diagramma ritardo Gruppo. La traccia del guadagno è verde, la traccia della fase è rossa, e il ritardo del gruppo è nero. Naturalmente, è possibile cambiare il colore di impostazione, se necessario. La traccia della fase 180 non è corretta per invertire le fasi, come indicato sulla destra inferiore della finestra.

Successivamente è possibile confrontare il diagramma di simulazione della risposta della fase con FilterPro per capire che cosa significa. La frequenza di cursore può essere modificata mediante l’inserimento di una nuova frequenza nel campo frequenza cursore o cliccando la frequenza desiderata nel diagramma. Quindi, è possibile controllare la tabella per guadagno del passabanda, Fn, Q e Gain/Fase nella frequenza di cursore.

Avviare FilterPro, e quindi cambiare il tipo di circuito “Sallén-Key”. Vedrete che la configurazione di circuito è stata modificata, quindi un progettista inesperto conosce la configurazione hardware per il diverso tipo di filtro. Lasciare passabanda (passa-basso) e poli (3) invariati. Poi inserire 20k nel frequenza di taglio, tutti i valori RC cambiano per soddisfare le prestazioni desiderate. Il diagramma di Bode e diagramma Ritardo Gruppo cambiano in base alla vostra configurazione del circuito. Vi consiglio di alternare il tipo di filtro Bessel e Butterworth per verificare la differenza di gruppo di ritardo, e di verificarli nel software di simulazione TINA.

Molto facile FilterPro, vero? Ora proviamo TINA
Simulazione con TINA
È possibile esportare (creare gli schemi manualmente) il progetto di riferimento in FilterPro a TINA-TI per l’analisi e la sintonizzare delle prestazioni globali. In base ai nostri obiettivi progettuali, aprire il file TINA 7-TI \ ESEMPI \ Filters_FilterPro \ Sallén-Key 3rd Order Butterworth LPF.sch in TINA-TI. Verrà visualizzato nella finestra un filtro Sallén- Key con i diagrammi allegati. Naturalmente, questo circuito è stato progettato per 1 KHz LPF, ed è quindi necessario modificare i valori dei componenti in base ai valori in FilterPro e poi iniziare a simulare. Per modificare il valore dei componenti, fare doppio clic sulla componente selezionata, modificare il campo resistenza (o capacità), quindi fare clic su OK.

LPF circuit

Per simulare, usare il comando ” Analysis | DC Analysis | DC Transfer Characteristics…” per ottenere le caratteristiche DC di trasferimento. Naturalmente, l’analisi AC è più importante per un filtro. È possibile utilizzare il comando ” Analysis | AC Analysis | AC Transfer Characteristics…”.

Bode Diagram

Nella finestra di dialogo, è possibile avviare la frequenza di avvio (10Hz) e di fine (100 KHz), il tipo di scansione e i tipi di diagrammi. Qui cliccare sulle caselle di controllo “Amplitude & Phase” e “Group Delay”. Facendo clic su OK, vedrete una finestra di diagramma, che contiene più linguette per il diagramma di Bode e il diagramma del Ritardo Gruppo.

LPF Group Delay

Ci sono alcune altre funzioni nella finestra del diagramma. Ad esempio, è possibile trovare due cursori A e B, è possibile fare clic su questi cursori e metterli sul diagramma, in modo che si possa leggere/misurare le curve trascinando il cursore. Naturalmente, è possibile utilizzare lo strumento probe per leggere le curve nella parte inferiore della barra di stato. È inoltre possibile assegnare etichette, tracciare delle linee o inserire del testo nelle curve selezionate.
In generale, TINA e FilterPro dovrebbero avere lo stesso identico risultato (curve). Se TINA e FilterPro hanno diagrammi diversi, è possibile che ci siano alcuni errori nello schema, dovete scoprire da soli.

TINA-TI offre tutte le caratteristiche necessarie per la progettazione del filtro, in modo molto utile e istruttivo. Tuttavia, è necessario acquistare una versione piena e funzionale TINA da DesignSoft, se si desidera un maggior numero di funzioni di simulazione. Si prega di visitare www.tina.com per ulteriori informazioni.

Possibili miglioramenti
FilterPro e TINA-TI sono una perfetta combinazione per accelerare la progettazione del filtro. FilterPro ha preparato i circuiti campione di TINA sotto la cartella di FilterPro\TinaFiles. D’altro canto, TINA comprende anche una cartella dedicata a FilterPro sotto TINA7-TI\EXAMPLES\Filters_FilterPro\. Il progettista può riutilizzare questi file di schemi in TINA-TI e sintonizzarli secondo i requisiti dell’applicazione. Tuttavia, è meglio generare un file di schema che può essere esportato in TINA direttamente.

Poiché FilterPro non effettua alcun aggiornamento dal 2006, finora, si può contare solo su se stessi per modificare l’attuale campione di file di schemi. Fortunatamente, disegnare/modificare gli schemi è abbastanza facile con TINA. Infine, se possibile, mi auguro che TINA-TI possa sostenere la simulazione MCU per MSP430. Anche se TINA Pro ancora non supporta questo microprocessore.

Leggi la versione inglese: Analog Active Filter Design with Free Software

Altri software per la progettazione di active filter:

Active Filter – Filter Solutions, 20 gg. di valutazione, Nuhertz,

http://www.filter-solutions.com/

Filter Wiz Pro, perfetto per filtri con componenti discreti, $199, Schematica

http://www.schematica.com/filter_wiz_files/FWPRO.htm

FilterCAD, Linear, free,

http://www.linear.com/software/

FilterLab, Microchip, free,

http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1…

TINA Pro, DesignSoft

http://www.tina.com/

11 Comments

  1. Formula 16 maggio 2014
  2. gabri87 20 febbraio 2011
  3. Arx33 20 febbraio 2011
  4. linus 20 febbraio 2011
  5. Fabrizio87 20 febbraio 2011
  6. Alex87ai 20 febbraio 2011
  7. linus 20 febbraio 2011
  8. Alex87ai 20 febbraio 2011
  9. Arx33 20 febbraio 2011
  10. sorex 20 febbraio 2011
  11. mingoweb 21 febbraio 2011

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