logo elektroda
logo elektroda
X
logo elektroda
REKLAMA
REKLAMA
Adblock/uBlockOrigin/AdGuard mogą powodować znikanie niektórych postów z powodu nowej reguły.

Sallen-Key, filtr dolnoprzepustowy, 80 dB - WZMACNIA

Kubbaz 23 Mar 2015 10:44 3810 5
REKLAMA
  • #1 14554136
    Kubbaz
    Poziom 26  
    Posty: 1237
    Pomógł: 9
    Ocena: 30
    Witam wszystkich Elektrodowiczów,

    Potrzebuję odfiltrować sygnał użytkowy, powyżej ok. 1 kHz. Do tego celu kupiłem w AVT płytkę z uniwersalnym modułem filtrów Sallen-Keya.

    wykonałem montaż odpowiednich elementów wg zaleceń dla filtru dolnoprzepustowego:
    - R1A, R1B: 12 kΩ 1 %,
    - R3A, R3B: 182 kΩ 1 % = 2x91 kΩ (wg artykułu powinno być 180 kΩ),
    - C4A, C4B: 1 nF/50 V ceramiczny 10 %,
    - C2A, C2B: 2x22 nF = 11 nF/50 V ceramiczny (wg artykułu powinno być 10 nF).

    Układ scalony (wzmacniacz operacyjny): MCP617 (THT DIP08) (wg dokumentacji powinien być TL072).

    Zrobiłem pomiary tego flirtu w zakresie od 100 Hz do 2000 Hz co 100 Hz (20 punktów) na generatorze funkcyjnym oraz oscyloskopie.
    Na wejście filtru podałem sinusoidę o amplitudzie 1,08 V i stałej składowej 2,50 V. Wzmacniacz operacyjny zasiliłem pojedynczym napięciem 5,00 V z zasilacza laboratoryjnego.

    Wyniki pomiaru są nieco dziwne - poniżej zamieszczam uzyskany wykres/charakterystykę.

    Sallen-Key, filtr dolnoprzepustowy, 80 dB - WZMACNIA

    Kolorem bordowym zaznaczona jest amplituda sinusoidy wejściowej do filtra, a kolorem granatowym amplituda sygnału wyjściowego z filtra.
    Jak widać na wykresie, w zakresie częstotliwości od 100 Hz do ok. 690 Hz sygnał wejściowy jest wzmacniany w szczycie do 2,6 raza! (przy częstotliwości ok. 500 Hz), co jest dziwne - dlaczego tak się dzieje? I jak tego uniknąć?

    Poza tym mam wątpliwości czy ten filtr (dwa stopnie Sallen-Keya) faktycznie ma stromość zbocza na poziomie -80 dB/dekadę (10000 V/V/dekadę), gdyż zakładając dekadę (logarytmiczną) jako zakres od 100 Hz do 1 kHz, to różnica w amplitudzie wyjściowej sygnału wynosi 0,141 V/1,08 V = 0,13 V/V, co daje -17,72 dB, więc mam -17,72 dB/dekadę, a powinno być -80 dB/dekadę!

    Są dwa problemy, których nie oczekiwałem - bardzo proszę o pomoc w tym temacie.
  • REKLAMA
  • #2 14559891
    Kubbaz
    Poziom 26  
    Posty: 1237
    Pomógł: 9
    Ocena: 30
    Witam po krótkiej przerwie.

    Otóż przeanalizowałem raz jeszcze układ oraz postudiowałem literaturę fachową:
    Active Low-Pass Filter Design - Texas Instruments, dokładnie strona nr 11 - tabela 5, strona 13 wykres 10 oraz strona 15 wykres 13.
    Jak się okazało, po sprawdzeniu układu na płytce z AVT jest to filtr Sallen-Keya dwustopniowy z typem filtru dolnoprzepustowego -3 dB Chebysheva, który jak widać na wykresie 10 na stronie 13, posiada wzmocnienie (podbicie) w okolicy częstotliwości odcięcia fcut (w tym przypadku w okolicy 1 kHz).

    Pożądaną dla mnie charakterystyką jest maksymalnie płaska w całym paśmie przepustowości - czyli w dolnym do 1 kHz. Zatem należy zastosować filtr typu Bessela lub Butterwortha.

    W tym celu pobrałem oprogramowanie FilterPro Desktop ze strony www Texas Instruments i zrobiłem projekt filtru jak poniżej, z zapasem na 3,0 kHz fcut:
    Sallen-Key, filtr dolnoprzepustowy, 80 dB - WZMACNIA

    Podłączyłem ten filtr (na układie MCP617) do generatora i oscyloskopu. Wyniki poniżej:
    Up-p = 800 mV
    Udc = 400 mV (offset)

    -3 dB = 2,8 kHz (0,707 amplitudy sygnału), co oznaczałoby że filtr jest poprawnie zaprojektowany i wykonany (planowo na 3,0 kHz)
    -6 dB = 4,0 kHz (0,501 amplitudy sygnału),
    -9 dB = 4,8 kHz (0,354 amplitudy sygnału),
    -20 dB = 7,4 kHz (0,100 amplitudy sygnału),
    i 3 mV amplitudy sygnału przy 1,0 MHz.

    z tym, że przy częstotliwości:
    - 10-11 kHz pojawiają się peak'i i zniekształcenia sinusoidy o amplitudzie ok. 40 mV (dużo!),
    - 30 kHz ze zniekształconej sinusoidy z peak'ami robi się sygnał prostokątny o wzrastającej amplitudzie,
    - 50 kHz sygnał jest już bardzo prostokątny o amplitudzie 80 mV,
    - 100 kHz sygnał prostokątny o amplitudzie 110 mV,
    - 130-150 kHz amplituda tego prostokąta maleje i przy 150 kHz pojawia się ponownie prawidłowy sinus, który lekko zaszumiony, cały czas maleje do 3 mV przy 1 MHz.

    Problem z występującym wzmocnieniem zniekształconego sygnału sinusa (wyglądał jak prostokąt), zlikwidowałem prostym filtrem dolnoprzepustowym RC na wejściu (na samym początku) R = 750 Ω i C = 47 nF (co daje fcut = 4,5 kHz). Co pozwala uzyskać sygnał wyjściowy 3 mV już przy częstotliwości 250 kHz a nie 1000 kHz. Fakt faktem, że zniekształcenia pozostają.

    Dodatkowo wg wskazówek w ww. dokumencie Texasa dodałem na wyjściu drugi filtr RC na 100 kHz (fcut) R = 1,6 kΩ i C = 1 nF, aby pogłębić i przedłużyć tłumienie w wysokim paśmie rzędu powyżej 100 kHz do 3-4 MHz.
    Ostatecznie otrzymałem charakterystykę:

    -3 dB = 2,1 kHz (0,707 amplitudy sygnału),
    -6 dB = 3,0 kHz (0,501 amplitudy sygnału),
    -9 dB = 3,8 kHz (0,354 amplitudy sygnału),
    -20 dB = 6,1 kHz (0,100 amplitudy sygnału),

    co oznacza wpływ obu filtrów RC (na wejściu 4,5 kHz i na wyjściu 100 kHz fcut) jako przesunięcie częstotliwości odcięcia fcut o 0,7- 1,3 kHz w dół w paśmie -20 dB.
  • REKLAMA
  • #3 14560741
    jarek_lnx
    Poziom 43  
    Posty: 22651
    Pomógł: 4183
    Ocena: 6077
    Zastosowałeś wzmacniacz micropower taki układ musi być bardzo powolny - GBW=190kHz i SR=80V/ms, z SR wynika że maksymalna częstotliwość jaką może przenieść bez zniekształceń to 5kHz (dla amplitudy 5Vpp).

    Z kolei to że jest rail-to-rail powoduje że rezystancja wyjściowa będzie wysoka, a więc tłumienie przy wyższych częstotliwościach będzie dużo słabsze niż w teorii żeby to ograniczyć lepiej wybierać elementy tak aby były duże rezystancje i małe pojemności, oczywiście jeśli nie optymalizujesz szumów.
  • REKLAMA
  • #4 14562376
    Kubbaz
    Poziom 26  
    Posty: 1237
    Pomógł: 9
    Ocena: 30
    jarek_lnx napisał:
    Zastosowałeś wzmacniacz micropower taki układ musi być bardzo powolny - GBW=190kHz i SR=80V/ms, z SR wynika że maksymalna częstotliwość jaką może przenieść bez zniekształceń to 5kHz (dla amplitudy 5Vpp).


    Fakt... :cry:

    Zamieniłem wzmacniacz MCP617 (Rail-to-Rail) na układ OPA2134PA Burr Brown/Texas Instruments. Zmieniłem również zasilanie z pojedynczego +5,0 V DC na symetryczne +/- 3,0 V DC (z zasilacza laboratoryjnego KORAD), ponieważ wzmacniacz OPA2134 nie jest wzmacniaczem typu Rail-to_Rail - jak również zalecałeś jarek_lnx.
    Producent wzmacniacza OPA2134 dedykuje go m.in. do zastosowań w aktywnych filtrach i co celów audio, więc to samo w sobie już poprawia spodziewane efekty :D .

    Zrobiłem ponownie pomiary generatorem (na wejściu) i oscyloskopem (na wyjściu):
    Za samym filtrem Sallen-Keya typu Bessela jest oprócz sygnału wyjściowego (który na oko jest owszem filtrowany) straszna sieczka - na sygnał wyjściowy (sinusoidę o częstotliwości z zakresu od 10 Hz do ok. 10 kHz max.) jest nałożona druga sinusoida o już bardzo dużej częstotliwości 7,25 MHz i do bardzo dużej amplitudzie aż 800 mV :!: Dodanie na wyjściu filtru Sallen-Keya (typ filtru Bessela) pasywnego filtru RC (fcut) 100 kHz (R = 1,6 kΩ, C = 1 nF), całkowicie odszumiło tę śmieciową składową.
  • REKLAMA
  • #5 14563166
    jarek_lnx
    Poziom 43  
    Posty: 22651
    Pomógł: 4183
    Ocena: 6077
    Wzmacniacz się wzbudził, ten wzmacniacz jest szybki i ma małą impedancje wyjsciową więc dobrze nadaje się do filtrów, ale trzeba trochę staranności żeby poprawnie działał. Trzeba zadbać o dobre odsprzęganie zasilania - blisko układu kondensatory ceramiczne 100nF oraz elektrolityczne 22-100uF gdzieś na płytce. Ważny jest sposób prowadzenia masy, pokaż jak to u ciebie wygląda.
  • #6 14564269
    Kubbaz
    Poziom 26  
    Posty: 1237
    Pomógł: 9
    Ocena: 30
    jarek_lnx napisał:
    Wzmacniacz się wzbudził, ten wzmacniacz jest szybki i ma małą impedancje wyjsciową więc dobrze nadaje się do filtrów, ale trzeba trochę staranności żeby poprawnie działał.

    Tak też podejrzewałem, że ten wzmacniacz mógł się wzbudzić, ale nie byłem tego zbyt pewien... Teraz już wiem.

    jarek_lnx napisał:
    Trzeba zadbać o dobre odsprzęganie zasilania - blisko układu kondensatory ceramiczne 100nF oraz elektrolityczne 22-100uF gdzieś na płytce.

    Fakt, dałem jeden kondensator 100 nF/50 V ceramiczny jakieś 5-10 mm od nóżek układu scaloengo (Vcc i Vee), ale już większych elektrolitów nie dawałem...

    jarek_lnx napisał:
    Ważny jest sposób prowadzenia masy, pokaż jak to u ciebie wygląda.

    No własnie, tak też myślałem że to prędzej czy później może wyjść.... ale... układ powstawał stopniowo (ewoluował) na uniwersalnej płytce przewlekanej, a ścieżki to po prostu cyna prowadzona po odpowiednich kwadracikach na spodzie płytki uniwersalnej, więc jest duża "szansa", że rozpływ prądów po masie nie do końca jest najlepszy.
    Jutro postaram się wrzucić jakieś dobre zdjęcia.
REKLAMA