Progettiamo i nostri filtri con FilterPro della Texas Instruments

Scopriamo assieme un software davvero notevole, prodotto dalla Texas Instruments. Si tratta di FilterPro, un programma semplice e potente al tempo stesso che consente di progettare filtri attivi di diversi tipi. Per il suo utilizzo è sufficiente inserire i parametri di risposta desiderata ed effettuare alcune scelte di configurazione per ottenere schemi personalizzati di filtri attivi. Dopo aver provato il programma, un progettista non ne può fare più a meno.

Il filtro attivo

In tutti i libri di testo di elettronica e in qualsiasi tutorial che si rispetti, esiste sempre un capitolo dedicato ai filtri. Senza approfondire qui la teoria che sta alla loro base, diciamo solo che un filtro attivo è un circuito a frequenza selettiva che ha lo scopo di lasciar passare solo i segnali di una banda di frequenza desiderata e bloccare quelli al di fuori di essa. Il filtro attivo utilizza componenti elettronici attivi, quali amplificatori operazionali e transistor. Esso, sicuramente, comporta maggiori vantaggi dei filtri passivi che, tuttavia, sono utilizzati nei progetti più semplici ed economici. La funzionalità di un filtro è come quella di un vigile urbano: esso lascia passare (o bloccare) solo un determinato tipo di veicolo, secondo le esigenze del traffico (vedi Figura 1).

Figura 1: il filtro è come un vigile urbano: lascia passare (o bloccare) solo un determinato tipo di veicolo

Figura 1: il filtro è come un vigile urbano: lascia passare (o bloccare) solo un determinato tipo di veicolo

Come ottenere FilterPro

E' sufficiente accedere all'indirizzo http://www.ti.com/filterpro e cliccare sull'apposito link, come evidenziato in Figura 2. Occorre prima registrarsi gratuitamente al sito per iniziare la procedura di download che copierà, sul proprio hard disk, il file d'installazione.

Figura 2: per scaricare FIlterPro è sufficiente cliccare sull'apposito link

Figura 2: per scaricare FilterPro è sufficiente cliccare sull'apposito link

Dopo lo scaricamento e relativa installazione, un'icona sul desktop attesta la corretta operazione avvenuta e si può avviare il programma, mediante doppio click sulla stessa. Ricordiamo che esistono le seguenti tipologie di filtro, come mostrato anche in Figura 3:

  • filtro passa basso;
  • filtro passa alto;
  • filtro passa banda;
  • filtro elimina banda (filtro di Notch);
  • filtro passa tutto.
Figura 3: i vari tipi di filtri

Figura 3: i vari tipi di filtri

Progettiamo un filtro passa basso musicale per basso elettrico

Come esempio iniziamo a progettare un filtro passa basso musicale da utilizzare col proprio basso elettrico, come mostrato in Figura 4. Si vedrà sicuramente che, dopo aver utilizzato il software FilterPro, non se ne farà più a meno per questa tipologia di applicazioni. Ovviamente, i valori di taglio sono solo di esempio e sono stati scelti arbitrariamente, ai fini della prova. Il progettista può studiare e adottare i parametri secondo le sue necessità.

Figura 4: il progetto di un filtro attivo per basso elettrico

Figura 4: il progetto di un filtro attivo per basso elettrico

Il filtro che andiamo a preparare deve possedere le seguenti caratteristiche:

  • deve essere di tipo passa basso, per tagliare le frequenze superiori a una certa soglia;
  • deve avere una frequenza di taglio di 100 Hz;
  • deve essere caratterizzato da una frequenza di elimina banda di 150 Hz con relativa attenuazione di ben -45dB.

Tali parametri progettuali sono ben osservabili in Figura 5.

Figura 5: i parametri progettuali del filtro passa basso per basso elettrico

Figura 5: i parametri progettuali del filtro passa basso per basso elettrico

Il progetto è costantemente accompagnato da un semplice Wizard che chiede, passo per passo, tutte le informazioni necessarie e i parametri per la sua realizzazione. Dopo aver cliccato sul menù File->New->Design ha inizio la procedura guidata vera e propria.

Prima fase: scelta del tipo di filtro

La prima domanda che viene posta è quella della scelta della tipologia di filtro. Per il nostro scopo andiamo a scegliere un filtro passa basso, che ha la funzionalità di far transitare inalterate le sole frequenze basse, bloccando tutte le altre. Tale prima scelta è mostrata in Figura 6. Si può, quindi, procedere alla fase successiva premendo il pulsante "Next".

Figura 6: la procedura guidata inizia con la scelta della tipologia di filtro

Figura 6: la procedura guidata inizia con la scelta della tipologia di filtro

Seconda fase: scelta delle specifiche del filtro

E' la fase più importante, nella quale sono specificati i parametri funzionali del filtro. Come si evince dalla Figura 7, le informazioni che vengono chieste sono le seguenti:

  • gain (Ao): si può lasciare a 1;
  • passband Frequency (fc): si imposti a 100 Hz;
  • allowable Passband Ripple (Rp): si può lasciare a 1 dB;
  • stopband Frequency (fs): si imposti a 150 Hz;
  • stopband Attenuation (Asb): si imposti a -45 dB.

Man mano che si "naviga" tra le varie caselle, per l'inserimento dei dati, le relative didascalie sul grafico sono evidenziate in grassetto, per essere più visibili all'operatore. Si può premere, quindi, il pulsante "Next".

Figura 7: nella seconda fase, la più importante, vengono chiesti i parametri operativi e funzionali del filtro

Figura 7: nella seconda fase, la più importante, vengono chiesti i parametri operativi e funzionali del filtro

Terza fase: il controllo della risposta del filtro progettato

La terza fase è più un controllo e ha lo scopo di visualizzare dei grafici in relazione ai parametri impostati in precedenza. Con il drastico taglio di frequenza impostato, il filtro finale è del 7° ordine. La Figura 8 mostra il grafico del guadagno (dB vs. Freq). Un utile puntatore permette di visualizzare i vari punti di lavoro sul grafico stesso. Con opportuni zoom il grafico evidenzia anche il fatto che già alla frequenza di 102 Hz il guadagno del segnale è di -6 dB. Alla fine dell'analisi si può premere il pulsante "Next".

Figura 8: nella terza fase si può effettuare un utile controllo sulla risposta dinamica del filtro

Figura 8: nella terza fase si può effettuare un utile controllo sulla risposta dinamica del filtro

Quarta fase: la scelta della topologia del filtro

Nella quarta e ultima fase della procedura, il progettista può scegliere la topologia del circuito tra le seguenti:

  • Multiple-Feedback (Single ended);
  • Sallen-key;
  • Multiple-Feedback (Fully differential).

Per l'esempio si scelga la prima modalità. La Figura 9 illustra i tre tipi di configurazioni.

Figura 9: le tre topologie di filtri

Figura 9: le tre topologie di filtri

Si prema, quindi, il tasto "Finish" e si salvi il progetto accedendo al menu File->Save Design.

Esaminiamo il filtro progettato

Il programma, grazie all'immissione di tutte le nostre specifiche, produce lo schema finale del filtro e, soprattutto, calcola i valori di tutti i componenti passivi coinvolti. La pendenza dettata nelle impostazioni è molto spinta e il programma rispetta le scelte creando un filtro del 7° ordine, come visibile in Figura 10.

Figura 10: lo schema elettrico preliminare del filtro per basso elettrico

Figura 10: lo schema elettrico preliminare del filtro per basso elettrico

Si tratta di un complesso schema elettrico composto da quattro stadi. Esso utilizza opamp ideali e anche i valori dei componenti passivi (resistenze e condensatori) sono calcolati con precisione attraverso opportune formule matematiche. Pertanto, un valore di resistore, ad esempio, pari a 77,48 kohm non può essere reperito in commercio poiché tale esemplare non esiste. Si dovrebbero scegliere dei modelli più simili. Ma anche su questo punto questo fantastico programma ci dà una mano.

FilterPro ci aiuta a trovare i componenti passivi commerciali

E' presente nel programma una opzione utilissima che consente di prevedere una certa tolleranza nelle resistenze e nei condensatori, in modo che lo schema contempli dei valori commerciali, semplici da trovare sul mercato. Tale possibilità è data dalle due caselle combinate, presenti proprio sopra lo schema elettrico prodotto, come si può evincere dalla Figura 11.

Figura 11: il programma consente di decidere la tolleranza delle resistenze e dei condensatori, in modo da prevedere dei componenti facilmente reperibili in commercio

Figura 11: il programma consente di decidere la tolleranza delle resistenze e dei condensatori, in modo da prevedere dei componenti facilmente reperibili in commercio

Lo schema elettrico ideale propone, tra gli altri, i seguenti valori di resistori, non acquistabili in commercio:

Sigla Valore
R1 (Stage 1) 77.48 kohms
R1 (Stage 2) 12.78 kohms
R2 (Stage 2) 12.78 kohms
R3 (Stage 2) 6.39 kohms
R1 (Stage 3) 3.12 kohms
R2 (Stage 3) 3.12 kohms
R3 (Stage 3) 1.56 kohms
R1 (Stage 4) 732.8 ohms
R2 (Stage 4) 732.8 ohms
R3 (Stage 4) 366.4 ohms

Le possibilità di scelta delle tolleranze offerte dal programma sono le seguenti: [...]

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Una risposta

  1. Maurizio Maurizio 2 Novembre 2020

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