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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/

 

 

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ritratto di gabri87

scusate l'ignoranza

scusate l'ignoranza, ma quali sono i campi di applicazione di questi strumenti?

ritratto di Arx33

In breve si tratta di

In breve si tratta di software per la progettazione di filtri. I filtri come sugerisce la stessa parola servono a filtrare l'ingresso e trasferire in uscita solo una sua parte che corrisponde alle caratteristiche del filtro (rispetto alla frequenza), tra un attimo mi spiego meglio. Esistono fondamentalmente 4 tipi di filtro: passa-basso passa-alto passa-banda annulla-banda
Il passa basso ad esempio applicatogli un segnale in ingresso questo verrà trasferito in uscita se la sua frequenza sarà minore o uguale a quella di riferimento del filtro, cioè se per esempio il filtro passa basso ha una frequenza limite di 10KHz e tu gli applichi un segnale composto da varie componenti con varie frequenze (tipo il segnale musicale, ci son vari strumenti varia roba in sostanza a frequenza diversa il basso la chitarra la voce ecc)in uscita non avrai lo stesso segnale ma "passeranno" solo le componenti a frequenza minore o uguale da 10KHz.
Il filtro passa alto funziona al contrario!
Un esempio pratico di passa basso è il filtro che metti prima del telefono se ha l'adsl. L'adsl funziona a frequenza maggiori di 40KHz(mi par di ricordare) mentre il telefono con frequenze minori di 8Khz perciò filtri il segnale che va al telefono con un passa basso a 8KHz per non trovarti segnali che a te non servono(sul telefono)!
Il passa banda fa passare solo una banda di frequenze (è l'unione di filtri un passa alto e un passa basso) mentre l'annulla banda è il contrario!

ritratto di linus

un esempio

più semplice può essere quello delle casse acustiche, dove i vari altoparlanti vengono filtrati in basi a dei filtri RC, RL o RCL in questo caso si parla di filtri passivi. Nel caso di casse già amplificate o casse pilotate da più amplificatori a monte vi è un crossover elettronico o filtri attivi.

ritratto di mingoweb

Ho provato "sul campo" sia i

Ho provato "sul campo" sia i filtri passivi e sia i filtri attivi; e i crossover attivi sono sicuramente i migliori!

ritratto di Fabrizio87

che figata, al prossimo

che figata,
al prossimo esame l'userò sicuramente,
onde evitare farmi tutti calcoli a manina

La cosa più interessanteè che esistono anche gratuiti,
visto il costo che di solito costano questi programmi per progettazione ingegneristica.

ritratto di Alex87ai

Si, effettivamente i

Si, effettivamente i programmi di progettazione ingegneristica si caratterizzano dall'avere un costo tipicamente elevato, ma non può essere il caso di software dediti alla sola progettazione di filtri analogici.Questi software non fanno altro che andare a pescare da delle tabelle dei coefficienti normalizzati e che troviamo disponibili su qualunque libro di elettronica e moltiplicarli per l'impedenza, la pulsazione di centro-banda, ecc...in modo da ricavare per semplice moltiplicazione il valore dei componenti passivi che contorneranno l'op-amp (nel caso di filtri attivi, ovviamente). Tipicamente con l'ordine del filtro non si va oltre il 2, forti di poter ritagliare il filtro dell'ordine voluto combinando in cascata blocchi del primo e del secondo ordine (l'impedenza d'ingresso e di uscita dell'op-amp retroazionato permettono il collegamento in cascata dei blocchi senza preoccuparci che possa variare il dimensionamento del blocco progettato singolarmente)e in virtù di questo la semplicità del software diventa ancora più spinta. Tutto ciò per dirti che paragonare questo tipo di software (di indubbia utilità) a quelli puramente ingegneristici da migliaia di euro, mi sembra un pò troppo...con un minimo di consoscenze di programmazione VisualBasic/ VisualC/ Java ecc...si riesce a ricreare software simili a FilterPro in maniera tutto sommato abbastanza veloce e semplice! ;)

ritratto di linus

infatti

Anni fa alcuni amici fecero dei programmini in VB per il calcolo dei filtri passivi degli altoparlanti. In fin dei conti impostando correttamente un foglio di calcolo evoluto tipo EXCEL o CALC si può realizzare lo stesso calcolo.

ritratto di Alex87ai

Esattamente, è

Esattamente, è fattibilissimo anche con un semplice foglio di calcolo opportunamente impostato. Il mio professore di elettronica dell'ITIS ci fece impostare un foglio EXCEL per il dimensionamento dei filtri passivi e addirittura restituiva i diagrammi di BODE asintotici di modulo e fase della fuinzione di trasferimento del filtro stesso. Questo serviva come strumento di confronto per i risultati subito dopo i compiti in classe, dove la progettazione dei filtri avveniva ovviamente a mano e senza l'ausilio di computer o strumenti cad.

ritratto di Arx33

Io per i filtri per lo

Io per i filtri per lo studio della stabilità dei sistemi e quant'altro (Diagrammi di bode nyquist ecc) utilizzavo mathlab potentissimo programma di calcolo matematico(da non confondere con matlab!)

ritratto di sorex

Effettivamente è possibile

Effettivamente è possibile effettuare questi calcoli in vari modi, però bisogna anche ricordare che, dopo il dimensionamento è possibile effettuare direttamente la simulazione con Tina-Ti scegliendo le varie famiglie di operazionali senza dover ridisegnare il circuito.

ritratto di Formula

Problema nel progettare con software

Ciao a tutti ho scaricato FilterPRO e ho provato a fare un paio di simulazioni ,

ho cercato senza pero' essere sicuro di aver inserito i dati correttamente di creare un passa banda 

premetto di essere un autodidatta con una minima infarinatura sull'elettronica,

il filtro che vorrei creare e' il seguente 

Passa banda 100 hz 1200 hz( la banda che deve passare)

attenuazione -80 db, 

guadagno 500

frequenza centrale ho inserto 600 pensando alla 1200/2  (magari anche questo e' errato )

ripple 1

da qui mi perdo nel senso che mi sarei aspettato un valore di banda "bassa" e avrei inserito 90 hz

e mi sarei aspettato un stop banda "alta " dove avrei messo 1250 hz 

qualcuno puo' spiegarmi come proseguire ?

 

Grazie 

 

 

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