Проектирование фильтров в программе FilterCAD 3.0

№ 4’2015
PDF версия
В статье рассматривается программный инструмент компании Linear Technology, позволяющий упростить проектирование фильтров высоких порядков на базе специализированных интегральных микросхем. Приведены примеры реализации фильтров на основе микросхем на переключаемых конденсаторах и фильтров на усилительных блоках.

Как правило, низкочастотные фильтры высоких порядков выполняются на операционных усилителях. Поэтому большинство программ или интер-активных онлайн-калькуляторов предназначено именно для расчета таких фильтров, что, в частности, показано в [1]. Однако существует еще две разновидности активных фильтров, не охваченные такими программами. Имеются в виду фильтры на переключаемых конденсаторах и фильтры на универсальных модулях или, как это принято называть в некоторой технической литературе, — блоках. Обе разновидности фильтров весьма интересны для разработчиков. Фильтры на переключаемых конденсаторах позволяют создавать легко перестраиваемые фильтры высоких порядков в широком диапазоне частот без применения конденсаторов и с минимальным количеством внешних элементов. Перестройка их частот среза осуществляется изменением частоты внешнего генератора. Отсутствие конденсаторов (как исключение они используются лишь в добавочных звеньях первого порядка) делает эти фильтры незаменимыми в области инфранизких частот. Для своей реализации фильтры на универсальных модулях не требуют управляющих генераторов и также не используют внешних конденсаторов (за исключением добавочных звеньев первого порядка), они обладают высокой стабильностью и малым уровнем собственных шумов. Обе разновидности рассматриваемых фильтров позволяют реализовывать фильтры с различными полиномами аппроксимации передаточной функции. Доступны: фильтры низкой частоты, фильтры высокой частоты, полосовые фильтры и подавляющие фильтры с заданной добротностью.

Примером программы для расчета таких фильтров является FilterCAD. Она бесплатно и без регистрации предлагается компанией Linear Technology и позволяет проводить расчет фильтров на универсальных интегральных микросхемах (ИМС), не требующих внешних конденсаторов (LTC1653, LTC 1562) и ИМС-фильтров на переключаемых конденсаторах (серии LTC106x,116x, 126x). Как видим, набор ИМС, особенно ИМС-фильтров на переключаемых конденсаторах, достаточно широк. К сожалению, до сих пор нет описания порядка работы с программой. Имеется только описание принципа работы программы, почему-то названное User Manual [3]. Более подробную информацию по работе с программой можно найти после ее инсталляции во вкладке Help. Но и она не претендует на полноценное руководство пользователя. Учитывая, что программа не имеет русифицированного интерфейса и пользователю приходится действовать интуитивно, настоящая статья восполняет данный пробел. К сожалению, в журнальной статье невозможно детально описать все нюансы, однако квалифицированный специалист сможет легко освоить этот полезный программный продукт.

Имеется релиз программы от 05.06.2012 [2], рассчитанный на 32‑ и 64‑разрядные операционные системы, включая Windows 8. Однако обе версии автором не использовались. Лучше и надежнее скачать программу непосредственно с сайта разработчика (там указанный релиз отсутствует, а потому и вызывает сомнение) — Linear Technology, http://www.linear.com. На вкладке DESIGN SUPPORT в разделе Design Simulation вы увидите надпись: “Visit our Design Simulation Page for downloads including LTspice IV, LTpowerCAD, LTpowerPlay, QuikEval System, FilterCAD, Spice Models and more”. Надпись “Design Simulation Page” — это гиперлинк (на сайте это не очевидно). Нажимаем на ссылку Design Simulation Page. Переходим по ссылке Filter Simulation & Design в Filter Simulation и выбираем загрузку Download FilterCAD (Updated September 2000). Итог этих поисков показан на рис. 1.

Окно загрузки программы FilterCAD

Рис. 1. Окно загрузки программы FilterCAD

Программа работает даже под Windows 98. Если вы хотите получать обновления и новости — пройдите регистрацию, если нет — кликните на “No thanks, just download the software” и задайте путь загрузки. Объем файла составляет 2,5 Мбайт. Вы получите файл FilterCAD_V3.zip. Проведите его разархивацию обычным путем (это не самораспаковывающийся архив). В результате будет получен установочный файл FilterCADv300.exe. Запустите его и укажите путь для сохранения содержимого архива. Учтите, если вы создавали папку для файла FilterCADv300.exe, файл распаковываться в эту папку не будет, задайте другой путь — папка для содержимого архива будет создана автоматически. В результате вы получите папку дистрибутива “Open this folder to INSTALL FCAD to a hard disk”. Данная надпись означает: «Откройте эту папку для инсталляции FCAD на ваш жесткий диск». Воспользуйтесь полученным советом. Запустите файл инсталляции Setup.exe. При необходимости выберите путь для установки через Browse. Установка занимает несколько секунд, по окончании нажмите Finish (подпись лицензионного соглашения не требуется). Программа установлена и готова к работе. Программа не создает ярлык на рабочем столе — его можно установить вручную. В папке, кроме файла запуска программы, находится и файл Uninstall для ее деинсталляции. Запустите программу. При запуске откроется окно с предложением выбора режима проектирования (рис. 2).

Окно с предложением выбора режима проектирования

Рис. 2. Окно с предложением выбора режима проектирования

Вам будет предложено два варианта: Quick Design (быстрое проектирование) и Enhanced Design (расширенное проектирование). В режиме Quick Design на основании вводимых вами данных программа FilterCAD будет пошагово разрабатывать проект. В итоге вам будет предложен перечень из нескольких решений. Вы можете выбрать наиболее подходящий для себя вариант с учетом передаточной функции, варианта корпуса ИМС, тока потребления и других практических соображений. Некоторые из предложенных решений не будут полностью отвечать заданным вами требованиям, но эти решения могут оказаться полезными для общего анализа. Если такая процедура вас по какой-либо причине не устраивает, рекомендуется использовать режим Enhanced Design (расширенное проектирование). Перейти в него можно в любой момент проектирования в режиме Quick Design.

Enhanced Design — это интерактивный (диалоговый) режим проектирования. В нем можно выбрать все основные аппроксимирующие функции и скорректировать проект под свои требования. По опыту автора статьи наиболее удобно сразу начинать проектирование в режиме Enhanced Design. Это позволяет по крайней мере не анализировать проекты на недоступных пользователю ИМС, а сразу задать приемлемый тип ИМС-фильтра. Ко всему прочему, этот режим дает более гибкий подход к проектированию. Тем не менее для освоения программы полезно рассмотреть проектирование в режиме Quick Design.

Итак, выбираем режим Quick Design и нажимаем Next. Откроется окно выбора типа фильтра (рис. 3).

Окно выбора типа фильтра

Рис. 3. Окно выбора типа фильтра

Здесь: Lowpass — фильтр низких частот (подавляет частоты выше частоты среза); Highpass — фильтр высоких частот (подавляет частоты ниже частоты среза); Bandpass — полосовой фильтр; Notch — режекторный фильтр. Все необходимые для проектирования величины пояснены на рисунке: Fc  (Passband) — частота среза; Fs (Stopband) — частота, на которой необходимо получить заданную величину подавления; A (Stopband Atten.) — величина подавления на заданной частоте; R (Ripple) — неравномерность передаточной характеристики (указывается для фильтров Чебышева).

В качестве иллюстрации выберем для проектирования фильтр низких частот (Lowpass) с частотой среза 24 Гц и подавлением частоты 48 Гц на 24 дБ. Ориентировочно это будет фильтр не ниже четвертого порядка. Нажимаем Next. Откроется окно для ввода параметров фильтра (рис. 4).

Окно ввода параметров фильтра

Рис. 4. Окно ввода параметров фильтра

Устанавливаем частоту среза Fc = 24 Гц (флажок ниже ставим на Hz), величину затухания A = 24 дБ и частоту, на которой нужно получить такое затухание, — 48 Гц (флажок на Hz уже установлен). Нажимаем Next.

Следующее окно предложит нам выбрать то, что для нас приоритетно: линейность фазовой характеристики фильтра (Linear Phase), точность передачи постоянной составляющей (DC Accurate) или то и другое вместе. Установка осуществляется флажком. Выберем точность передачи постоянной составляющей DC Accurate и нажимаем Next.

Следующее окно потребует от нас выбрать значение питающего напряжения фильтра (Power Supply). Это можно сделать из ряда: +/–5 V, 5 V, 3,3 V. Здесь можно установить требования по минимальной потребляемой мощности, поставив флажок на Low Power. Выбираем напряжение питания 5 V без режима Low Power и нажимаем Next. Откроется окно с предложением выбрать один из возможных вариантов решения задачи (рис. 5).

Окно с предложениями вариантов проекта

Рис. 5. Окно с предложениями вариантов проекта

Для выбора предложен ряд ИМС (Part), тип полинома аппроксимации передаточной функции фильтра (Type), порядок фильтра (Order), ток потребления в мА (Isup), доступный тип корпуса для выбранной ИМС, примечания (Comments).

Внизу слева имеются важные замечания — расшифровка сокращений. Некоторые из них уже рассмотрены, обратимся к остальным. Звездочка «*» возле указания типа ИМС поясняет, что это предложение имеет отличие от заданных вами требований. Butt — фильтр Баттерворта; Bess — фильтр Бесселя; Elli — эллиптический фильтр; LnPn — фильтр с линейной фазовой характеристикой; –25, –50, –200 возле обозначения ИМС — это коэффициенты деления частоты для фильтров на переключаемых конденсаторах; Int — ИМС не требует внешних элементов, все настройки передаточной функции выполнены интегрально внутри ИМС; Univ — универсальная ИМС, требующая внешних элементов для настройки передаточной функции; ×2 — для реализации заданных требований нужны две ИМС; DC — ИМС, обеспечивающая точность передачи постоянной составляющей; R‑R — ИМС типа rail-to-rail; X0A — необходим дополнительный внешний операционный усилитель; Cont — стационарный фильтр.

Внизу справа показана передаточная характеристика выбранного варианта исполнения фильтра. Остановим свой выбор на ИМС LTC1065 как относительно недорогой (ее цена примерно $6) ИМС фильтра Бесселя пятого порядка с линейной фазовой характеристикой.

Выбранный вариант будет подсвечен (см. выше). Это фильтр пятого порядка с передаточной характеристикой (мы рассчитывали на фильтр четвертого порядка), описываемый полиномом Бесселя. Но данная ИМС отмечена значком «*» как не отвечающая заданным требованиям в полном объеме. В чем же проблема? Недостаток этого режима программы в том, что на данном этапе причина несоответствия не указана (подробности см. ниже).

Продолжим проектирование. Нажимаем Next. Откроется окно с предложением выбрать тип корпуса ИМС. Для нашей ИМС доступны корпуса SDIP8, DIP8 и SO16(w). Выбираем SO16(w). Это широкий корпус для монтажа на поверхность. Нажимаем Next. Теперь необходимо указать имя проекта. Вписываем в окно, например, Filter_24Hz. Если мы нажмем Done, проект будет завершен и сохранен. Если по какой-либо причине нужно изменить что-то в проекте, то в любой момент можно, нажав Prev., перейти к предыдущей операции. Так, можно вернуться к самому началу проектирования. Нажмем Done. Программа выдаст все необходимые результаты. Во‑первых, схему фильтра (вкладка Schematic) (рис. 6).

Электрическая принципиальная схема предлагаемого фильтра

Рис. 6. Электрическая принципиальная схема предлагаемого фильтра

Во‑вторых, амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) (рис. 7). Она показана на вкладке Frequency Response. Здесь можно вывести фазочастотную характеристику фильтра, поставив флажок на Phase, или групповую задержку фильтра, поставив флажок на Group Delay.

АЧХ предлагаемого фильтра

Рис. 7. АЧХ предлагаемого фильтра

Направляющие можно перемещать или просто активировать (одним кликом) окно с указанием частоты и вписать необходимую частоту. Обращаю внимание пользователей, что в крайней правой колонке под указанием частоты (это разность частот, на которые установлены направляющие) выводится не затухание фильтра в рабочей полосе частот, а разность затуханий на этих частотах. Оптимальное форматирование графика выполняется нажатием на кнопку кнопка. Зоны графика можно увеличить, выделяя их мышкой (значок «лупа» станет активным). Увеличение снимается повторным нажатием на лупу.

И в‑третьих, будет выведен такой весьма важный параметр, как отклик на воздействие ступеньки напряжения, он показан на вкладке Time Response (рис. 8).

Отклик фильтра на скачок напряжения

Рис. 8. Отклик фильтра на скачок напряжения

Здесь можно также получить реакцию фильтра на одиночный импульс и на пачку синусоидальных импульсов (радиоимпульс). Для установки параметров импульсного воздействия необходимо активировать кнопку с изображением (вставить кнопку с импульсом) такого воздействия и нажать на кнопку кнопка. Откроется окно для выставления параметров импульсного воздействия.

Где же разгадка тайны неполного соответствия требованиям проекта, на которую указывал знак «*»? Оказывается, это решение, прекрасное по простоте своей схемной реализации, даже близко не обеспечивает заданный уровень подавления частоты 48 Гц. Согласно графику амплитудно-частотной характеристики, подавление частоты 48 Гц вместо требуемых 24 дБ составляет всего 13,968 дБ. Заменив LTC1065 на LTC1063 (фильтр Баттерфорта пятого порядка), мы с запасом выполним все требования проекта (глубина подавления частоты 48 Гц составит 30 дБ). Трудно объяснить, зачем вообще было выводить LTC1065 в списке возможных решений. В этом, кстати, и кроется причина того, почему проектирование лучше сразу проводить в режиме Enhanced Design с его расширенными возможностями и установкой той ИМС, на которую вы рассчитываете.

В режиме Enhanced Design открывается иное окно для установки всех основных параметров фильтра (рис. 9).

Окно для установки всех основных параметров фильтра в режиме Enhanced Design

Рис. 9. Окно для установки всех основных параметров фильтра в режиме Enhanced Design

Установим те же требования, что и в предыдущем примере: частота среза Fc = 24 Гц, величина затухания A = 24 дБ, частота, на которой нужно получить такое затухание, Fs = 48 Гц. Теперь необходимо выбрать полином аппроксимации передаточной функции. Программа подсказывает, какие есть полиномы и какой порядок фильтра при этом необходим. Остановим, например, свой выбор на фильтре Баттерворта четвертого порядка, что соответствует нашим ожиданиям.

Зададим параметры фильтра и нажмем на кнопку Implement кнопка. Программа предложит вариант выбора типа ИМС для построения фильтра. Как мы увидим, построить такой фильтр на элементах, имеющихся в базе FilterCAD, можно только с использованием ИМС на переключаемых конденсаторах. Ставим флажок, и окно активируется. В окне будет отображена тактовая частота и предложен ряд ИМС. Здесь будут указаны только те ИМС, которые полностью соответствуют требованиям проекта. Выбираем из предложенных ИМС, например, LTC1067 с частотой деления 100:1 в режиме однополярного питающего напряжения 5 В. В окне Package выбираем подходящий тип корпуса ИМС. Еще одна полезная особенность — в этом режиме можно сразу задать выбор элементов фильтра (резисторов) из стандартного ряда номинальных значений. Для этого ставим флажок на Standard Resistor Values. Можно так же, как и в предыдущем варианте, задать и режим минимальной потребляемой мощности, установив флажок на Low Power.

Схема фильтра (рис. 10) вызывается нажатием на кнопку кнопка.

Схема фильтра

Рис. 10. Схема фильтра

Как видим, схема фильтра достаточно проста. Если нас не устраивают номиналы резисторов, то их можно скорректировать. Для этого кликнем мышкой по графическому обозначению нужного резистора (не по порядковому номеру и не по номиналу!) и заменим его резистором подходящего номинала, например из ряда Е24, и подтвердим выбор, нажав ОК (рис. 11). При проектировании в режиме Quick Design эта опция не работает.

Окно корректировки номиналов резисторов в схеме фильтра

Рис. 11. Окно корректировки номиналов резисторов в схеме фильтра

Для получения амплитудно-частотной характеристики спроектированного фильтра с учетом проведенной замены резисторов нажимаем на кнопка. Форматируем график, так же как и в режиме Quick Design (рис. 12).

Амплитудно-частотная характеристика фильтра

Рис. 12. Амплитудно-частотная характеристика фильтра

Как видим, требование по подавлению частоты 48 Гц выполнено даже с учетом корректировки элементов. При необходимости вывода цифровых значений расчета нажимаем на кнопка. В результате появится таблица. Также выводится и отклик на воздействие скачка напряжения. Для этого нажимаем на кнопку кнопка. Все особенности обращения с графиками аналогичны описанным выше для режима Quick Design.

Программа содержит и другие специфические особенности, которые вы сможете освоить уже самостоятельно. Отмечу, что при необходимости распечатать результаты нужно сначала активировать соответствующее окно, например схему или окно графика АЧХ, а потом включать режим печати. Распечатывается только активное окно программы. Еще одно существенное замечание — нужно тщательно изучать документацию на примененную ИМС, поскольку программа занимается только расчетом фильтра, а не его сопряжения с вашей схемой. Так, некоторые ИМС требуют, чтобы сигнал тактовой частоты подавался через резистор 200 Ом, который не будет указан на схеме, выданной программой. На выходе фильтров на переключаемых конденсаторах желательно устанавливать фильтр хотя бы первого порядка для подавления паразитного сигнала тактовой частоты.

При проектировании вы также заметите, что частоту среза фильтра можно регулировать изменением тактовой частоты. При этом для ФНЧ и ФВЧ меняются частоты среза, а глубина подавления кратной им частоты и номиналы элементов схемы изменяться не будут. Например, если вы перепроектируете рассмотренный выше фильтр на условия: частота среза Fc = 12 Гц, величина затухания 24 дБ, а частоту, на которой нужно получить такое затухание, установите равной 2Fc = Fs = 24 Гц, то в результате увидите, что номиналы элементов остались без изменения. Изменится лишь частота тактового генератора с 2,4 на 1,2 кГц. Такая регулировка для фильтров весьма удобна, даже если это фильтр второго порядка.

Ниже приведены примеры из проектов автора статьи. На рис. 13 показан аналоговый фильтр низкой частоты четвертого порядка (Баттерворта) на ИМС LTC1563-2CGN [4]. Номиналы всех резисторов на фильтре приведены для удобства к ряду Е24. Фильтр обеспечивает подавление частоты 14 кГц не менее чем на 24 дБ. Фильтр используется для формирования двуполярного синусоидального сигнала ±2,4 В частотой 6,5 кГц из меандра, генерируемого микропроцессором.

Фильтр формирования синусоидального напряжения из меандра

Рис. 13. Фильтр формирования синусоидального напряжения из меандра

На рис. 14 показан фильтр низкой частоты седьмого порядка (Баттерворта) на ИМС LTC1068-200CG [5] с переключаемой частотой среза 25–12 Гц, подавлением частоты 2Fc на 40 дБ и смещением по постоянному напряжению на выходе 2,5 В. Для удобства в фильтре скорректирован ряд резисторов.

Фильтр с переменной частотой среза

Рис. 14. Фильтр с переменной частотой среза

Автор сознательно не приводит временные и амплитудно-частотные характеристики фильтров, поскольку их можно рассчитать самостоятельно.

Примечание. Для того чтобы уменьшить помехи от тактовой частоты, она согласно рекомендациям [5] подается через резистор 200 Ом, расположенный в непосредственной близости от микропроцессора или управляющего генератора.

Кроме того, примеры работы с программой и примеры проектирования можно посмотреть в [6].

Литература
  1. Рентюк В. Проектирование фильтров в Analog Filter Wizard // Компоненты и технологии. 2013. № 6.
  2. http://www.windows8downloads.com/win8‑filtercad-mpdkkgla /ссылка утрачена/
  3. Application Note 38. FilterCAD User’s Manual, Version 1.10. Linear Technology Corp. November 1990.
  4. LTC1563-2/LTC1563-3 Active RC, 4th Order Lowpass Filter Family. Linear Technology, 2005.
  5. LTC1068 Series Clock-Tunable, Quad Second Order, Filter Building Blocks. Linear Technology, 1996.
  6. Karantzalis P. Free FilterCAD 3.0 Software Designs Filters Quickly and Easily. Design Note 245. Linear Technology Corp, 2000.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *