Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2014 №9

Проектирование фильтров в FilterPro от Texas Instruments

Рентюк Владимир


В статье рассматриваются особенности проектирования низкочастотных активных фильтров с использованием программы FilterPro от Texas Instruments.

Читатели журнала уже имели возможность ознакомиться и оценить интерактивный online-калькулятор для расчета аналоговых низкочастотных фильтров Analog Filter Wizard от компании Analog Devices [1] и аналогичный online-продукт от компании Texas Instruments — WEBENCH Filter Designer, который входит в общую систему WEBENCH Design Center этой компании [2]. Как отмечалось автором статьи, оба инструмента имеют свои достоинства и недостатки. Причем основным недостатком WEBENCH Filter Designer была проблема выбора подходящих номиналов частотозадающих элементов, особенно конденсаторов. Однако еще в мае в связи с выходом нового релиза этой программы ситуация изменилась. Из положительного — добавилась возможность пусть и небольшой, но корректировки номиналов резисторов. Из отрицательного по состоянию на 16 июня 2014 года — из программы убраны расчеты полосовых и заграждающих фильтров. Доступными по состоянию на текущий момент остались только фильтр низких частот и фильтр высоких частот. В предлагаемой статье автор знакомит читателей с базовым прототипом WEBENCH Filter Designer — программой FilterPro. Это компактная, достаточно гибкая программа, свободная как от старых, так и от новых недостатков WEBENCH Filter Designer. Несмотря на выявленное автором статьи ограничение в инфра-низкочастотной области, она весьма полезна и может успешно использоваться для многих применений. Ее полезность становится еще более значимой, поскольку размещенная в настоящее время на сайте Texas Instruments ее улучшенная online-версия WEBENCH Filter Designer далека от совершенства.

Итак, в настоящее время программа FilterPro представлена в версии 3.1. Она доступна бесплатно и без ограничений по ссылке [3]. Для ее установки нужно активировать Download FilterPro v3.1. После регистрации в системе myTI вы получите установочный файл FilterProDTSetup.exe объемом чуть более 12 Мбайт. Инсталляция программы не имеет каких-либо особенностей и осуществляется по стандартной процедуре. В результате будет установлен FilterPro Desktop. После входа в программу вам будет предложено два варианта продолжения работы с ней. Вы можете вывести один из своих предыдущих проектов (для этого необходимо раскрыть Design Tree или открыть файл через меню File → Open Design, рис. 1) или начать новый проект, используя мастер проектирования фильтров Design Wizard (рис. 2).

Начальное окно с вкладкой

Рис. 1. Начальное окно с вкладкой, поясняющей пути выбора варианта проектирования фильтра


Вкладка для начала разработки нового проекта

Рис. 2. Вкладка для начала разработки нового проекта в системе Design Wizard.
Шаг 1. Выбор типа фильтра (Step 1. Filter Type)

По умолчанию в программе сразу открывается вкладка Design Wizard. Если в будущем вы не планируете начинать каждый проект с его использования, то уберите флажок Show this wizard as startup. Если же впоследствии вам понадобится обратиться к мастеру проектирования фильтров, его всегда можно активировать через виртуальную кнопку New Design Wizard (расположена в левом верхнем углу под меню File).

В программе FilterPro доступны все пять основных вариантов фильтров. Это стандартные фильтры:

  • фильтр низких частот (Lawpass);
  • фильтр высоких частот (Highpass);
  • полосовой (полосопропускающий) фильтр (Bandpass);
  • полосовой режекторный фильтр и узкополосный режекторный фильтр (Bandstop/Notch).

Кроме стандартных пяти фильтров, доступно проектирование фазового фильтра (Allpass, Time Delay) или линии задержки. Следует отметить эту весьма важную особенность программы FilterPro, так как проектирование фазовых фильтров и линий задержки в явной форме недоступно для большинства программ.

Для продолжения изучения программы воспользуемся мастером проектирования фильтров и выполним разработку нового проекта через вкладку Create New Design (рис. 2). Остановим свой выбор на проектировании фильтра низких частот (ФНЧ). Устанавливаем флажок на Lowpass и активируем кнопку Next. Откроется вкладка для задания основных параметров фильтра — Filter Specifications (рис. 3). Введем основные характеристики фильтра:

  • Gain (Ao) — усиление в полосе пропускания: 1 В/В или 0 дБ.
  • Passband Frequency (fc) — полоса пропускания (частота среза): 60 Гц.
  • Allowable Passband Ripple (Rp) — допустимая неравномерность в полосе пропускания: 0,5 дБ.
  • Stopband Frequency (fs) — частота подавления: 100 Гц.
  • Stopband Attenuation (Asb) — глубина затухания на частоте подавления: 40 дБ.
Вкладка задания основных параметров фильтра в системе Design Wizard

Рис. 3. Вкладка задания основных параметров фильтра в системе Design Wizard.
Шаг 2. Характеристики фильтра (Step 2. Filter Specifications)
Примечание. Установки, заданные по умолчанию, изменены.

На этой вкладке имеется полезная опция, которая позволяет сразу задать порядок фильтра, если это является более важным или удобным. Для этого необходимо установить флажок на Filter Order и выбрать порядок фильтра в Set Fixed. Минимальный порядок фильтра — 2. Очень удобно то, что все установки автоматически отображаются в левой части вкладки и накапливаются по мере выполнения проекта. Для продолжения проекта нажимаем кнопку Next. Открывается новая вкладка Filter Response (рис. 4).

Вкладка выбора передаточной характеристики фильтра

Рис. 4. Вкладка выбора передаточной характеристики фильтра в системе Design Wizard.
Шаг 3. Отклик фильтра (Step 3. Filter Response)
Примечание. Установки, заданные по умолчанию, изменены.

Вкладка позволяет выбрать тип аппроксимирующей функции для передаточной характеристики фильтра или отклик фильтра. На этом этапе будут предложены возможные варианты выбора полинома аппроксимации передаточной функции фильтра, указан порядок фильтра для каждого варианта, количество звеньев и максимальная добротность. Для рассматриваемого проекта доступны фильтр Баттерворта 10-го порядка и, как и ожидалось, фильтр Чебышева 6-го порядка с неравномерностью в полосе пропускания 0,5 дБ. Как наиболее приемлемый выберем второй вариант. На этой вкладке можно посмотреть ожидаемые: идеальную АЧХ (Gain), причем как в логарифмическом масштабе (в дБ), так и в линейном (В/В); фазочастотную характеристику в градусах или радианах; групповое время задержки (Group Delay) в микросекундах. Для включения необходимого графика нужно просто установить флажок напротив наименования соответствующей характеристики. Переключение осуществляется автоматически.

График для выбранного проектантом варианта аппроксимации передаточной характеристики будет не только выделен соответствующим цветом, но и усилен жирной линией, что бесспорно удобно. Увеличение зон графиков выполняется прокруткой Scrool, при наведении на график курсора можно получить информацию о данной точке графика, ко всему прочему, если график зацепить мышкой, то его можно сдвинуть. Возврат графика к исходному виду осуществляется двойным кликом. Обратите внимание, что все приведенные выше операции не являются явными в интерфейсе программы, пояснения по работе с графиками высвечиваются при наведении курсора на значок «?». Пример, показывающий оценку АЧХ в точке 100 Гц, приведен на рис. 5

Пример оценки поведения АЧХ фильтра

Рис. 5. Пример оценки поведения АЧХ фильтра на частоте подавления 100 Гц

Если по каким-то причинам что-то не устраивает проектанта в полученных результатах, можно вернуться на шаг назад, активируя виртуальную кнопку Back. Если нет возражений, то активируется кнопка Next. Включится вкладка выбора топологии фильтра (рис. 6).

Вкладка выбора топологии фильтра

Рис. 6. Вкладка выбора топологии фильтра в системе Design Wizard.
Шаг 4. Топология фильтра (Step 4. Filter Topology)

Программа предлагает на выбор два стандартных варианта топологии: фильтр с многопетлевой обратной связью, или фильтр Рауха (Multiple-Feedback), и фильтр структуры Салена-Ки (Sallen-Key). Обратите внимание, что фильтр Рауха может быть представлен не только в обычном исполнении (Single ended), но и в дифференциальном включении (Fully Differential). Такое практически не встречается в других программах для проектирования фильтров. Это еще одна важная особенность программа FilterPro. Учтите, что выбор топологии будет общим для всех звеньев будущего фильтра. Такой подход, в общем, характерен для большинства программ. Остановим свой выбор на топологии Салена-Ки (именно этот вариант и показан на рис. 6). Активируем виртуальную кнопку Finish. Открывается окно финальной стадии проектирования (рис. 7), мастер проектирования Filter Wizard будет выключен.

Окно финальной стадии проектирования

Рис. 7. Окно финальной стадии проектирования

В приведенном на рис. 7 окне будет выведена базовая полная схема фильтра и данные по каждой его секции:

  • усиление в полосе пропускания (Passband Gain);
  • частота среза (Cutoff Frequency);
  • добротность (QualitvFactor);
  • полином аппроксимирующей функции (в рассматриваемом примере — Chebyshev);
  • топология фильтра (в рассматриваемом примере — Sallen-Key);
  • требования к частотным свойствам операционного усилителя (min GBW).

О последнем параметре — min GBW — подробнее см. [1]. Для раскрытия всех данных предусмотрена привычная прокрутка (справа).

Необходимо отметить, что базовая схема фильтра приводится без особенностей построения цепей питания (например, нет блокировочных конденсаторов) и исключительно для двухполярного варианта его подачи. Для приведения схемы к варианту, пригодному к практическому применению, имеется возможность выполнить следующие модификации. Во-первых, и это очень важно, можно задать приемлемые для проектанта отклонения для номиналов элементов. Для этого имеется опция их выбора — Component Tolerances. Допустима установка идеальных элементов с отклонением 0% и выбор из рядов: E192 (0,5%), E96 (1%), E48 (2%), E24 (5%), E12 (10%) и E6 (20%). Выбор допустим как для резисторов (Resistors), так и для конденсаторов (Capacitors), естественно, для всех секций фильтра сразу. Установим для резисторов ряд E96 (1%), а для конденсаторов, учитывая, что фильтр достаточно низкочастотный, — E24 (5%). Изменения в схеме будут проведены автоматически. Обратите внимание, что виртуальная кнопка переустановки Reset в этой программе не производит повторные вычисления, а сбрасывает расчет к предыдущему варианту. Так, если вы активируете Reset, то значения предельных отклонений элементов вернутся к значениям, установленным по умолчанию, то есть к 0%.

Еще одним скрытым удобством программы FilterPro является возможность независимой корректировки номиналов элементов. Действительно, если обратиться к рис. 7, вы увидите совершенно экзотические и неприемлемые номиналы конденсаторов, например 170 мкФ (после установки отклонений по ряду E24 — 180 мкФ)! Понятно, что с такими конденсаторами фильтр не реализуешь на практике. Для выбора необходимого для проектанта номинала элемента следует навести курсор на номинал нужного элемента, кликнуть левой кнопкой мыши и в открывшемся окошке ввести новое значение номинала. Учтите, десятичные разряды нужно отделять запятой, а не точкой. Редактирование допустимо как для резисторов, так и для конденсаторов. Трудно объяснить, почему эта важнейшая опция пока в должном объеме не реализована в online-версии программы WEBENCH Filter Designer [2]. При редактировании номиналов элементов надо учитывать еще один нюанс. Программа не позволит вам выйти из заданного ряда номинальных значений. Например, номинал резистора 16,2 кОм (ряд E96 1%) заменить на 16 кОм не удастся. Это можно считать некоторым неудобством, поскольку ряд изготовителей комплектующих поставляет резисторы с отклонением в 1%, но с распределением вне ряда E96. Так, резисторы 16 кОм с отклонением 1% — более доступны, чем резисторы номиналом 16,2 кОм. Необходимо учитывать еще и тот факт, что модели операционных усилителей в данной программе — идеальные. Таким образом, проектант должен решать вопрос выбора подходящего операционного усилителя самостоятельно, учитывая ограничения по минимальной полосе пропускания, которая приводится для каждой секции фильтра (параметр min GBW). Обращаю внимание проектантов на еще один момент — программа не предлагает в явной форме электролитические конденсаторы. А потому при практической реализации фильтра разработчик должен самостоятельно решить вопрос подачи поляризующего напряжения. В противном случае вы не получите выигрыш по шумам, особенно в области влияния шумов типа 1/f.

В нижней части окна приведены три графика — на левом, совмещенном, вы увидите АЧХ и ФЧХ фильтра, на правом — зависимость группового времени задержки от частоты. Процедура анализа и рассмотрение зон графиков — аналогична описанной выше. Необходимо заметить, что в этом окне предлагаются уже не только ожидаемые зависимости, а и реальные. То есть приводятся как идеализированные графики для случая использования идеальных элементов с отклонением 0%, так и графики с учетом реально установленных отклонений (actual и original). Однако полного поля разброса графиков не дается. Представлен только некоторый «наихудший» по мнению разработчика программы вариант. Тем не менее даже такое представление можно считать положительным, поскольку некоторые программы не дают и этого. Недостатком интерфейса программы является и малый размер приведенных графиков, что затрудняет их обработку. Минимизировать подобный недостаток позволяет предусмотренная разработчиком программы возможность вывода графиков в виде таблиц с их экспортом в Excel. Для этого необходимо активировать виртуальную кнопку Data и в открывшемся окне задать Export to Exc.

Вывод перечня элементов осуществляется активацией виртуальной кнопки BOM (Bill of Material). Будет выведена таблица, описывающая элементы каждой секции фильтра (напоминаю: без учета особенностей построения цепей питания!). Таблица также может быть экспортирована в Excel.

Результаты проектирования выводятся через виртуальную кнопку Design Report и могут быть сохранены в виде PDF-файла (путь для сохранения будет предложен) и впоследствии распечатаны. Перед этим рекомендуется сделать пояснения к проекту в соответствующем окне, активировав кнопку Report. Сохранение проекта для последующей работы осуществляется нажатием на значок дискетки в окне финальной стадии проектирования.

Какие еще нюансы имеет программа FilterPro? Ряд бесспорно положительных моментов и некоторые тонкости использования программы уже были рассмотрены на примере проектирования типового ФНЧ. Дополнительные нюансы, которые нужно учитывать проектировщику, таковы: если вы начнете сразу новый проект после завершения предыдущего, то установки предельных отклонений элементов будут сохранены; при проектировании фильтров нечетных порядков звенья первого порядка будут только активными. То есть фильтр первого порядка будет разделен от первого основного звена фильтра буферным повторителем. Как видим, никаких особых ограничений для применения данной программы вроде бы и нет. Однако! Программа FiiterPro имеет и один весьма существенный недостаток. Используя эту программу, вы не сможете проектировать фильтры инфранизких частот. Программа просто не работает с частотами среза ниже 10 Гц. Как бы вы ни меняли значение частоты, частота среза будет установлена на минимум 10 Гц, но увидите вы это лишь на графиках, в спецификации это показано не будет. Последнее может ввести невнимательного проектанта в заблуждение и привести к ошибке в проекте. Это является не только недоработкой программы в части удобства ее использования, а и существенным ограничением для ряда применений. Пример, иллюстрирующий эту выявленную автором статьи на собственном опыте недоработку программы FilterPro, приведен на рис. 8.

Иллюстрация поведения программы при проектировании ФНЧ

Рис. 8. Иллюстрация поведения программы при проектировании ФНЧ в области инфранизких частот (частота среза fc задана 2 Гц, график показывает частоту среза fc = 10 Гц)

Как отмечалось, эта недоработка устранена в следующем поколении данной программы, а именно в упомянутой WEBENCH Fiiter Designer, которая доступна в системе WEBENCH Design Center [2].

Литература

  1. Рентюк В. Проектирование активных фильтров в Analog Filter Wizard 2.0 // Компоненты и технологии. 2013. № 6.
  2. Рентюк В. Проектирование активных фильтров в системе WEBENCH Designer Center // Компоненты и технологии. 2014. № 2.
  3. FilterPro v3.1 — http://www.ti.com/tool/filterpro

Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке