Mga Circuits ng Notch Filter na may Mga Detalye ng Disenyo

Sa artikulong ito dumaan kami sa isang detalyadong talakayan tungkol sa kung paano mag-disenyo ng mga filter ng bingaw na may tumpak na dalas ng gitna at para sa maximum na epekto.

Kung saan Ginagamit ang Filter ng Notch

Karaniwang ginagamit ang mga circuit ng notch filter para sa suppressing, nullifying, o pagkansela ng isang partikular na saklaw ng mga frequency upang maiwasan ang isang nakakainis o hindi ginustong pagkagambala sa loob ng isang pagsasaayos ng circuit.

Partikular na naging kapaki-pakinabang ito sa mga sensitibong kagamitan sa audio tulad ng mga amplifier, mga tatanggap ng radyo kung saan ang isang solong o isang piling bilang ng mga hindi ginustong makagambala na mga frequency ay kinakailangang maalis sa pamamagitan ng isang simpleng pamamaraan.

Ang mga aktibong pansala na pansala ay aktibong ginamit sa mga naunang dekada para sa amplifier at mga aplikasyon ng audio para sa pag-aalis ng 50- at 60-Hz na mga pagkagambala ng hum. Ang mga network na ito ay kahit na medyo mahirap mula sa mga paninindigan ng center notch frequency (f0) na pag-tune, balanse, at pagkakapare-pareho.

Sa pamamagitan ng pagpapakilala ng modernong high speed amplifier, naging sapilitan upang lumikha ng katugmang mga filter ng high speed notch na maaaring mailapat para sa paghawak ng high speed notch frequency filtration sa isang mahusay na rate.

Susubukan naming siyasatin ang mga posibilidad at mga kaugnay na kumplikadong kasangkot sa paggawa ng mga matataas na filter ng bingaw.

Mahalagang Katangian

Bago ang pagtuklas sa paksa ay buod muna natin ang mga mahahalagang katangian na maaaring mahigpit na kinakailangan habang dinidisenyo ang ipinanukalang mga filter ng high speed notch.

1) Ang steepness ng null lalim na ipinahiwatig sa figure1 simulation ay maaaring hindi posible na praktikal, ang pinaka mahusay na nakakamit na mga resulta ay maaaring hindi sa itaas 40 o 50dB.

2) Samakatuwid, dapat itong maunawaan na ang mas makabuluhang kadahilanan upang mapabuti ay ang dalas ng gitna at ang Q, at ang taga-disenyo ay dapat na ituon ito sa halip na ang lalim ng bingaw. Ang pangunahing layunin habang gumagawa ng isang disenyo ng filter ng bingaw ay dapat na antas ng pagtanggi ng hindi nais na dalas ng panghihimasok, dapat itong maging pinakamainam.

3) Ang isyu sa itaas ay maaaring malutas nang mahusay na mas gugustuhin ang pinakamahusay na mga halaga para sa mga bahagi ng R at C, na maaaring ipatupad sa pamamagitan ng wastong paggamit ng RC calculator na ipinakita sa Sanggunian 1, na maaaring magamit para sa naaangkop na pagkilala sa R0, at C0 para sa isang partikular na application ng pagdidisenyo ng notch filter.

Ang sumusunod na data ay tuklasin at makakatulong upang maunawaan ang pagdidisenyo ng ilang mga interetsing notch filter na topology:

Twin-T Notch Filter

Ang pagsasaayos ng Twin-T filter na ipinapakita sa figure3 ay mukhang kawili-wili dahil sa mahusay na pagganap nito at ang paglahok ng isang solong opamp lamang sa disenyo.

Skematika

Bagaman ang ipinahiwatig sa itaas na notch filter circuit ay makatwirang mabisa, maaari itong magkaroon ng tiyak na kawalan dahil sa matinding pagiging simple na dinala nito, tulad ng ibinigay sa ibaba:

Ginagamit ng disenyo ang 6 na mga sangkap na tumpak para sa pag-tune nito, kung saan ang isang pares ng mga ito para sa pagkamit ng mga ratio ng iba. Kung ang komplikasyon na ito ay kinakailangan na iwasan, ang circuit ay maaaring mangailangan ng pagsasama ng 8 karagdagang mga sangkap ng katumpakan, tulad ng R0 / 2 = 2nos ng R0 sa parallel at 2 sa C0 = 2 nos ng C0 sa parallel.

Ang isang topology na Twin-T ay hindi madaling gumana sa solong mga power supply, at hindi sumusunod sa ganap na kaugalian na mga amplifier.

Ang saklaw ng mga halaga ng risistor ay patuloy na pagtaas dahil sa RQ<< R0 necessity which in turn may influence on the level of depth of the desired center frequency.

Gayunpaman, kahit na sa mga abala sa itaas, kung magtagumpay ang gumagamit sa pag-optimize ng disenyo na may mga tumpak na kalidad na mga bahagi, ang isang makatwirang mabisang pagsala ay maaaring asahan at ipatupad para sa ibinigay na aplikasyon.

Ang Filter ng Fly Notch

Ipinapahiwatig ng Figure4 ang disenyo ng filter ng Fliege Notch, na kinikilala ang ilang natatanging mga pakinabang kapag inihambing sa kambal na Twin-T, na isinalaysay sa ibaba:

1) Isinasama lamang nito ang isang pares ng mga eksaktong sangkap sa anyo ng Rs at Cs upang matupad ang isang tumpak na pag-tune ng frequency frequency.

2) Ang isang kasiya-siyang aspeto tungkol sa disenyo na ito ay pinapayagan nito ang bahagyang mga pagkakamali sa loob ng mga bahagi at mga setting nang hindi naaapektuhan ang lalim ng notch point, bagaman maaaring baguhin ng dalas ng kaunti nang naaayon.

3) Makakakita ka ng isang pares ng mga resistors na responsable para sa pagtukoy sa gitna ng dalas nang walang pag-ibig na ang mga halaga ay maaaring hindi masyadong kritikal

4) Pinapayagan ng pagsasaayos ang pag-set up ng dalas ng gitna na may isang makatuwirang makitid na saklaw nang hindi nakakaimpluwensya sa lalim ng bingaw sa isang makabuluhang antas.

Gayunpaman, ang negatibong bagay tungkol sa toplogy na ito ay ang paggamit nito ng dalawang opamp, at gayon pa man hindi ito nagagamit sa mga kaugalian na amplifiers.

Mga Resulta ng Simulation

Ang mga simulation ay unang nagawa sa pinakaangkop na mga bersyon ng opamp. Ang mga bersyon ng tunay na buhay na opamp ay kaagad na nagtrabaho, na nakabuo ng mga kinalabasan na maihahambing sa mga napansin sa lab.

Ipinapakita ng Talahanayan 1 ang mga halagang sangkap na inilalagay upang magamit para sa iskema sa Larawan 4. Tila walang kahulugan sa pagsasagawa ng mga simulation sa o higit sa 10 MHz higit sa lahat dahil ang mga pagsubok sa laboratoryo ay pangunahing isinagawa bilang isang pagsisimula, at ang 1 MHz ay ang nangungunang dalas kung saan kailangang ilapat ang isang filter ng bingaw.

Isang salita patungkol sa mga capacitor : Sa kabila ng katotohanang ang kapasidad ay isang 'bilang' lamang para sa mga simulation, ang mga tunay na capacitor ay dinisenyo ng mga natatanging elemento ng dielectric.

Para sa 10 kHz, ang resistor halaga ng pag-inat ay inatasan ang kapasitor sa halagang 10 nF. Bagaman nagawa nito nang tama ang trick sa demo, tumawag ito para sa isang pagsasaayos mula sa isang NPO dielectric hanggang sa isang X7R dielectric sa lab na naging sanhi ng ganap na pagbagsak ng filter ng bingaw kasama ang tampok nito.

Ang mga pagtutukoy ng 10-nF capacitors na inilapat ay malapit sa halaga, bilang isang resulta ang pagtanggi sa lalim ng bingaw ay pangunahing mananagot sa account ng hindi magandang dielectric. Napilitan ang circuit na bumalik sa mga respeto para sa isang Q = 10, at isang 3-MΩ para sa R0 ang nagtatrabaho.

Para sa mga circuit ng totoong mundo, ipinapayong sumunod sa mga capacitor ng NPO. Ang mga halagang kinakailangan sa Talahanayan 1 ay itinuturing na isang mahusay na pagpipilian na pantay sa mga simulation at sa pagpapaunlad ng lab.

Sa simula, ang mga simulation ay ginanap nang walang 1-kΩ potentiometer (ang dalawang 1-kΩ na naayos na resistor ay partikular na nauugnay sa pag-sync, at sa hindi pag-invert ng input ng mas mababang opamp).

Ang mga output ng demo ay ipinakita sa Larawan 5. Makakakita ka ng 9 na piraso ng mga resulta sa Larawan 5, subalit maaari mong makita ang mga form ng alon bawat halaga ng Q na nagsasapawan ng mga sa iba pang mga frequency.

Pagkalkula ng Frequency ng Center

Ang dalas ng gitna sa anumang pangyayari ay katamtaman sa itaas ng isang layunin ng istraktura na 10 kHz, 100 kHz, o 1 MHz. Maaari itong maging malapit sa isang developer ay maaaring makakuha ng isang tinanggap na E96 risistor at E12 capacitor.

Isipin ang sitwasyon gamit ang isang 100 kHz bingaw:

f = 1 / 2πR0C0 = 1 / 2π x 1.58k x 1nF = 100.731 kHz

Tulad ng nakikita, ang resulta ay mukhang bahagyang marka, maaari itong karagdagang streamline at gawing mas malapit sa kinakailangang halaga kung ang 1nF capacitor ay binago ng isang karaniwang E24 na halaga ng capacitor, tulad ng ipinakita sa ibaba:

f = 1 / 2π
x 4.42k x 360 pF = 100.022 kHz, mukhang mas mahusay

Ang paggamit ng mga capacitor ng bersyon ng E24 ay maaaring magdala ng higit na tumpak na mga frequency ng center sa karamihan ng mga oras, ngunit sa paanuman ang pagkuha ng mga dami ng serye ng E24 ay maaaring isang mataas na presyo (at isang hindi nararapat) na overhead sa maraming mga lab.

Bagaman maaaring maginhawa upang suriin ang mga halaga ng E24 capacitor sa teorya, sa totoong mundo ang karamihan sa kanila ay halos hindi naipatupad, pati na rin ang pinalawig na mga oras ng pagpapatakbo na kasangkot sa kanila. Madiskubre mo ang hindi gaanong kumplikadong mga kagustuhan sa pagbili ng mga halagang E24 na kapasitor.

Ang masusing pagsusuri ng Larawan 5 ay tumutukoy na ang bingaw ay nakaligtaan ang dalas ng gitna ng isang katamtamang halaga. Sa mga mas mababang halaga ng Q, mahahanap mo pa rin ang malaking pagkansela ng tinukoy na dalas ng bingaw.

Kung sakaling ang pagtanggi ay hindi kasiya-siya, maaaring gusto mong sabunutan ang filter ng bingaw.

Bumalik muli, nagmumuni-muni sa senaryo ng 100 kHz, naobserbahan namin na ang reaksyon sa paligid ng 100 kHz ay ​​pinalawig sa Figure6.

Ang koleksyon ng mga waveform sa kaliwa at kanan ng dalas ng gitna (100.731 kHz) ay tumutugma sa mga reaksyon ng filter, sa sandaling ang 1-kΩ potentiometro ay nakaposisyon at na-tweak sa 1% na mga pagtaas.

Sa tuwing ang potensyomiter ay naaayos sa kalahati, tinatanggihan ng filter ng bingaw ang mga frequency sa tumpak na dalas ng core.

Ang antas ng simulate na bingaw ay sa katunayan sa pagkakasunud-sunod ng 95 dB, subalit ito ay hindi lamang dapat na maisakatuparan sa pisikal na nilalang.

Ang isang 1% pag-aayos ng potensyomiter ay naglalagay ng isang bingaw na kadalasang lumalagpas sa 40 dB tuwid sa ginustong dalas.

Muli, ito talaga ang maaaring maging pinakamahusay na senaryo kapag tapos na may mga perpektong sangkap, gayunpaman ang data ng lab ay nagpapakita ng mas tumpak sa mas mababang mga frequency (10 at 100 kHz).

Tinutukoy ng Larawan 6 na kailangan mong makamit ang isang mas malapit sa tumpak na dalas ng R0 at C0 sa simula pa lamang. Tulad ng potensyomiter na maaaring maitama ang mga frequency sa isang malawak na spectrum, maaaring lumubog ang lalim ng bingaw.

Sa isang katamtaman na saklaw (± 1%), maaaring makamit ng isang tao ang 100: 1 na pagtanggi sa hindi magandang dalas gayunpaman sa isang nadagdagang saklaw (± 10%), isang 10: 1 na pagtanggi ang magagawa.

Mga resulta sa lab

Ang isang board ng pagsusuri ng THS4032 ay ipinatupad upang magkasama ang circuit sa Larawan 4.

Ito ay talagang isang pangkalahatang-layunin na istraktura na gumagamit lamang ng 3 jumper kasama ang traceto finalize ang circuit.

Ang mga dami ng sangkap sa Talahanayan 1 ay inilapat, nagsisimula sa mga maaaring marahil isang 1 MHz dalas.

Ang motibo ay upang manghuli para sa mga regulasyon ng bandwidth / slay-rate sa 1 MHz at suriin ang mas abot-kayang o mas mataas na mga frequency kung kinakailangan.

Mga resulta sa 1 MHz

Ang larawan 7 ay nangangahulugan na maaari kang makakuha ng isang bilang ng mga tukoy na bandwidth at / o mga rate ng reaksyon sa rate na 1 MHz. Ang reaksyon ng waveform sa isang Q ng 100 ay nagpapakita lamang ng isang ripple kung saan ang bingaw ay maaaring naroroon.

Sa isang Q ng 10, mayroon lamang isang 10-dB bingaw, at isang 30-dB bingaw sa isang Q ng 1.

Tila na ang mga filter ng bingaw ay hindi makakamit ng kasing taas ng dalas na malamang na maaasahan natin, gayunpaman ang THS4032 ay isang 100-MHz aparato lamang.

Ito ay natural na asahan ang higit na pag-andar mula sa mga bahagi na may isang pinabuting bandwidth ng pagkakaisa-makakuha. Ang katatagan ng pagkakaroon ng pagkakaisa ay kritikal, sa kadahilanang ang topology ng Fliege ay nagdadala ng nakapirming pagkakamit ng pagkakaisa.

Kapag inaasahan ng tagalikha na tantyahin nang eksakto kung ano ang bandwidth na mahalaga sa isang bingaw sa isang tukoy na dalas, ang isang tamang lugar na pupuntahan ay ang kombinasyon ng pakinabang / bandwidth tulad ng ipinakita sa datasheet, iyon ay dapat na isang daang beses sa gitna ng dalas ng bingaw.

Karagdagang bandwidth ay maaaring inaasahan para sa tumaas na mga halagang Q. Maaari kang makahanap ng isang antas ng dalas na paglihis ng notch center habang binago ang Q.

Ito ay eksaktong kapareho ng napansin ng paglipat ng dalas para sa mga filter ng bandpass.

Ang paglipat ng dalas ay mas mababa para sa mga filter ng bingaw na inilapat upang gumana sa 100 kHz at 10 kHz, tulad ng inilatag sa Larawan 8 at kalaunan sa Larawan 10.

Data sa 100 kHz

Ang mga bahagi ng dami mula sa Talahanayan 1 ay kasunod na nasanay upang maitaguyod ang mga filter na 100-kHz na may mga magkakaibang Q.

Ang data ay ipinakita sa Larawan 8. Mukhang diretso na malinaw na ang kristal na ang mga magagawa na mga filter ng bingaw ay karaniwang binuo na may isang dalas ng gitna ng 100 kHz, sa kabila ng katotohanang ang lalim ng bingaw ay nangyayari na mas mababa nang mas malaki sa mas malaking halaga ng Q.

Gayunpaman, tandaan na ang layunin ng pagsasaayos na nakalista dito ay isang 100-kHz hindi isang 97-kHz-bingaw.

Ginustong mga halaga ng bahagi ay pareho lamang para sa simulation, samakatuwid ang dalas ng bingaw ng sentro ay kailangang maging tekniko sa 100.731 kHz gayunpaman ang epekto ay nabaybay ng mga sangkap na kasama sa disenyo ng lab.

Ang average na halaga ng 1000-pF capacitor assortment ay 1030 pF, at ng 1.58-kΩ resistor assortment ay 1.583 kΩ.

Anumang oras na nagtrabaho ang dalas ng center gamit ang mga halagang ito, dumating ito sa 97.14 kHz. Ang mga tukoy na bahagi, sa kabila nito, ay maaaring hindi matukoy (ang board ay sobrang sensitibo).

Ibinigay na ang mga capacitor ay katumbas, maaaring madali upang makakuha ng mas mataas sa pamamagitan ng ilang mga maginoo na halaga ng E96 risistor upang makamit ang mga resulta mas mahigpit sa 100 kHz.

Hindi na kailangang sabihin, maaaring ito ay malamang na hindi isang kahalili sa produksyon na may mataas na lakas ng tunog, kung saan ang 10% na mga capacitor ay maaaring nagmula sa halos anumang pakete at marahil mula sa magkakaibang mga tagagawa.

Ang pagpili ng mga frequency ng center ay magiging ayon sa mga pagpapaubaya ng R0 at C0, na kung saan ay masamang balita kung sakaling ang isang mataas na Q notch ay kinakailangan.

Mayroong 3 mga pamamaraan ng pagkaya dito:

Bumili ng mga resistor at capacitor na mas mataas ang katumpakan

i-minimize ang pagtutukoy ng Q at manirahan para sa mas kaunting pagtanggi sa hindi kanais-nais na dalas o

pag-ayos ng circuit (na naiisip na magkakasunod).

Sa ngayon, ang circuit ay lilitaw upang isapersonal upang makatanggap ng isang Q ng 10, at isang 1-kΩ potentiometer na isinama para sa pag-tune ng dalas ng gitna (tulad ng ipinahayag sa Larawan 4).

Sa layout ng real-world, ang ginustong halaga ng potensyomiter ay dapat na mas kaunti kaysa sa kinakailangang saklaw upang masakop ang buong saklaw ng mga frequency ng center hangga't maaari kahit na may pinakamasamang kaso ng mga pagpapaubaya sa R0 at C0.

Hindi ito nagawa sa puntong ito, sapagkat ito ay isang halimbawa sa pag-aaral ng mga potensyal, at ang 1 k the ay ang pinaka mapagkumpitensyang kalidad ng potensyomiter na maa-access sa lab.

Kapag ang circuit ay nababagay at nai-tune para sa isang dalas ng gitna ng 100 kHz tulad ng nakabalangkas sa Larawan 9, ang antas ng bingaw mula sa 32 dB hanggang 14 dB.

Tandaan na ang lalim ng bingaw na ito ay maaaring marahil ay napahusay nang labis sa pamamagitan ng pagbibigay ng paunang f0 mas mahigpit sa pinakamahusay na angkop na halaga.

Ang potensyomiter ay inilaan na mai-tweak sa eksklusibo isang katamtamang lugar ng mga frequency ng gitna.

Gayunpaman, ang isang 5: 1 na pagtanggi sa isang hindi kanais-nais na dalas ay kredibilidad at maaaring maging sapat para sa maraming paggamit. Malayong mas mahalaga na mga programa ay hindi maikakaila na tumawag para sa mas mataas na katumpakan na mga bahagi.

Ang mga paghihigpit sa bandwidth ng op amp, na may kakayahang magdagdag ng pagpapababa ng nakatutok na lakas ng bingaw, ay maaari ding maging responsable na itigil ang antas ng bingaw mula sa pagkuha ng maliit na magagawa. Naisip ito, ang circuit ay muling nabago para sa isang dalas ng gitna ng 10 kHz.

Mga resulta sa 10 kHz

Tinutukoy ng Larawan 10 na ang bingaw ng bingaw para sa isang Q ng 10 ay nadagdagan sa 32 dB, na maaaring sa pamamagitan ng kung ano ang maaari mong asahan mula sa isang dalas ng gitnang 4% mula sa kunwa (Larawan 6).

Ang opamp ay walang duda na binabawasan ang kalaliman ng bingaw sa isang sentro ng dalas ng 100 kHz! Ang isang 32-dB bingaw ay isang pagkansela ng 40: 1, na maaaring maging makatwirang disente.

Samakatuwid sa kabila ng mga bahagi na ininhinyero ng paunang 4% error, naging madali upang palabasin ang isang 32-dB bingaw sa pinakamaraming nais na dalas ng gitna.

Ang hindi kasiya-siyang balita ay ang katotohanan na upang maiwasan ang mga hadlang sa opamp bandwidth, ang pinakamataas na posibleng frequency ng bingaw na maisip na may 100-MHz opamp ay humigit-kumulang 10 at 100 kHz.

Pagdating sa mga filter ng bingaw, ang 'high-speed' ay naaayon na itinuturing na tunay sa daan-daang kilohertz.

Ang isang napakahusay na praktikal na aplikasyon para sa 10-kHz notch filters ay mga tatanggap ng AM (medium-wave), kung saan ang carrier mula sa mga kalapit na istasyon ay bumubuo ng isang malakas na 10-kHz screech sa audio, partikular sa gabi. Ito ay maaaring tiyak na maggiling sa mga ugat ng isa habang ang pag-tune ay tuloy-tuloy.

Ipinapakita ng Larawan 11 ang kinuha na audio spectrum ng isang istasyon nang hindi ginagamit at ginagamit ang notipikong 10-kHz ay ​​ipinatupad. Pansinin na ang ingay na 10-kHz ay ​​ang pinaka malakas na seksyon ng kinuha na audio (Larawan 11a), kahit na ang tainga ng tao ay higit na madaling kapitan dito.

Ang saklaw na audio na ito ay nakuha sa gabi sa isang kalapit na istasyon na nakatanggap ng isang pares ng mga makapangyarihang istasyon sa magkabilang panig. Pinahihintulutan ng mga itinadhana ng FCC na tiyak na pagkakaiba-iba ng mga carrier ng istasyon.

Para sa kadahilanang iyon, katamtamang mga pitfalls sa dalas ng carrier ng dalawang kalapit na istasyon ay malamang na gumawa ng mga ingay na 10-kHz heterodyne, na nagpapalakas ng nakakainis na karanasan sa pakikinig.

Kailan man ipatupad ang filter ng bingaw (Larawan 11b), ang 10-kHz na tono ay nai-minimize sa antas ng pagtutugma tulad ng katabing modulasyon. Bukod dito napapansin sa audio spectrum ang mga 20-kHz carrier mula sa mga istasyon na 2 mga channel ang layo at isang 16-kHz tone mula sa isang transatlantic station.

Ang mga ito sa pangkalahatan ay hindi isang malaking pag-aalala, dahil ang mga ito ay pinahina ng malaki ng tatanggap KUNG. Ang dalas sa humigit-kumulang 20 kHz ay ​​maaaring hindi maririnig ng napakaraming mga indibidwal sa alinmang kaso.

Mga Sanggunian: