La tendencia de desarrollo de los filtros programables
1. Diseño del esquema general
1.1 Esquema de amplificador programable
La pregunta requiere que la amplitud de la señal de entrada del amplificador sea de 10 mV, es decir, el valor pico a pico es de 20 mV, la ganancia de voltaje es de 60 dB, el paso de ganancia es de 10 dB, el error de ganancia de voltaje es inferior al 5 % y la banda de paso es de 100 hz-40 kHz.
Opción 1: Utilice el amplificador operacional de bajo ruido OP37 para amplificar 6 canales de diferentes amplitudes según sea necesario, y luego utilice relés o interruptores analógicos para cambiar de canal. Esta solución tiene una implementación de hardware simple y un control de ganancia preciso. Sin embargo, el control es relativamente complejo e involucra muchos componentes, lo que no favorece la rápida implementación del sistema.
Opción 2: Utilizar la conexión de ganancia controlada por voltaje del amplificador de ganancia variable AD603. El AD603 es un amplificador operacional de ganancia variable de banda ancha y bajo ruido (producto de ancho de banda de ganancia máxima de 90 M). Según la fórmula de ganancia proporcionada en la literatura, el control continuo de la ganancia se puede obtener directamente y el resultado es un valor logarítmico. Se puede lograr fácilmente un rango de ganancia de 0 dB a 60 dB.
Según el análisis anterior, creemos que la opción 2 tiene la mejor operatividad después del ajuste mediante el amplificador operacional, la opción 2 puede cumplir fácilmente con los requisitos pico-pico, por lo que se selecciona la opción 2.
1.2 Esquema de filtrado controlado por programa
La pregunta requiere que el filtro se pueda configurar en filtros de paso bajo y paso alto, la frecuencia de corte de -3dB es 1k ~ 20kHz , y el paso de frecuencia es de 1K ~ 20KHz. La ganancia total de los dos sistemas no supera los 30dB. Estamos considerando las siguientes opciones:
Opción 1: Los filtros de paso bajo, paso alto y paso de banda se pueden implementar con chips de filtro disponibles en el mercado, como el chip de filtro de condensador conmutado MAX262 de Maxim. , y el rango de frecuencia central puede ser de CC a 140 KHz, lo que puede cumplir con los requisitos del tema.
Opción 2: Utilizar un filtro de estado ajustable, compuesto por tres amplificadores operacionales y resistencias y condensadores. El circuito es relativamente simple y puede lograr tres salidas: LPF, BPF y HPF. Puede utilizar la resistencia que determina el valor Q y el condensador que determina la frecuencia central, y cambiar la frecuencia central a través de diferentes resistencias para lograr una frecuencia de corte de 1k ~ 20kHz y un paso de frecuencia de 1K ~ 20KHz.
Opción 3: Implementada mediante el uso de filtros ajustables por estado. Utilice la red de resistencias R-2R dentro del DA para cambiar la resistencia controlando la cantidad digital, cambiando así la frecuencia central del filtro para cumplir con los requisitos de la pregunta.
Después de la comparación, creo que la primera solución es mejor, pero como no compré un chip de filtro de condensador conmutado, abandoné esta solución y adopté la tercera solución, usando el control digital de la red de resistencia interna DAC0832. para lograr cambios en la frecuencia central. Esta solución es altamente operable y puede cumplir fácilmente los requisitos.
1.3 Filtro elíptico de cuarto orden
El esquema del filtro elíptico de cuarto orden es el siguiente:
Esquema 1: Utilizando el LP y BP del Filtro variable de estado ajustable, la salida HP puede obtener un filtro de paso bajo elíptico de segundo orden, y conectar dos secciones de segundo orden en serie puede realizar un filtro de paso bajo elíptico de cuarto orden.
Opción 2: utilizando un amplificador operacional, utilizando el software de resolución de filtros existente y el circuito proporcionado directamente por el software, y realizando los ajustes apropiados, se puede realizar un filtro elíptico de paso bajo de cuarto orden.
Al comparar las dos soluciones, la primera solución puede cumplir muy bien los requisitos de la pregunta, pero es más problemática de depurar y tiene requisitos técnicos más altos. La segunda opción tiene una forma de circuito simple y una velocidad de producción rápida, por lo que se adopta la segunda opción.
1.4 Probador de características de amplitud-frecuencia
El tema requiere que construyamos un probador de características de amplitud-frecuencia. El rango de barrido de frecuencia es de 100 Hz ~ 200 kHz y el paso de frecuencia es de 10 KHz. El esquema de barrido de frecuencia utiliza chips DDS, que pueden lograr muy bien un barrido de frecuencia lineal. Hay dos opciones de detección principales:
Opción 1: Detectar primero y luego amplificar. El esquema de amplificación de detección generalmente adopta el método de detección de picos. Una vez detectada la salida, se utiliza un divisor de voltaje paso a paso y luego se utiliza un amplificador de CC para amplificar la señal para la medición. Sin embargo, cabe señalar que los parámetros del diodo detector afectan la resolución de la señal mínima.
Opción 2: Amplificar primero y luego detectar. Las soluciones de detección amplificadas generalmente utilizan el método de detección promedio. La señal de entrada primero ingresa al divisor de voltaje paso a paso, luego se amplifica y se envía al detector promedio. Sin embargo, cabe señalar que el ancho de banda del amplificador afecta el rango de frecuencia de la señal que se está midiendo.
El rango de frecuencia que queremos probar es 100 Hz ~ 200 kHz. Los requisitos de ganancia del amplificador y ancho de banda del producto no son muy altos, por lo que adoptamos una solución de detección de amplificación.
2. Diseño del sistema:
Todo el sistema se divide en dos partes, el módulo de filtro controlado por programa y el módulo de prueba de curva característica de amplitud-frecuencia. El diagrama de bloques del módulo del sistema es el siguiente: (Figura guardada)
2.1 Implementación del amplificador programable
De acuerdo con los requisitos de la pregunta, cuando el valor pico a pico de entrada es de 20 mV, el rango dinámico del amplificador programable debe ser de 60 dB. El valor de salida pico a pico debe ser de 2 mV-20 V. Este diseño utiliza el modo continuo de AD603 (mejor relación señal-ruido). Este esquema combina las curvas de ganancia de los dos AD603 para ampliar el rango dinámico. Como se muestra en la figura siguiente, el rango de ganancia combinado es de aproximadamente -20 dB a 60 dB, lo que puede cumplir con los requisitos de rango dinámico de la pregunta.
Dado que el voltaje de la fuente de alimentación del AD603 es bajo, los requisitos del rango de amplitud del voltaje de salida se pueden ajustar y lograr utilizando un amplificador operacional con un voltaje de fuente de alimentación más alto basado en la amplificación del AD603.
Implementación del probador de curva característica de amplitud-frecuencia 2.4
Al probar la curva característica de amplitud-frecuencia, el barrido de frecuencia se implementa mediante el microcontrolador MSP430F1611 controlado por DDS y se utiliza para el valor efectivo. detección y ADS8505 se utiliza como microcontrolador. El periférico toma muestras de la salida del AD637. El sistema de microcontrolador mínimo utiliza un teclado de control remoto por infrarrojos y una gran pantalla LCD de 320x640.
3. Diagrama de flujo del software del sistema:
3.1 El diagrama de flujo del filtro controlado por programa es el siguiente: (Imagen y texto guardados)
3.2 Amplitud y frecuencia Diagrama de flujo del probador: (Guarde la imagen)
Cuarto, prueba del sistema
4.1 Instrumento de prueba:
4.2 Resultados de la prueba principal:
4.3 Datos de prueba del amplificador
El error de ganancia promedio en la prueba de 60 dB es del 1,85% y el error de ganancia de voltaje promedio es del 3,37%.
Datos de prueba de 4.4 parámetros de filtro
El error promedio de la frecuencia de corte es del 0,027%.
4.5 Prueba de parámetros del filtro elíptico
El error de banda de paso de -3dB es (50-49,6)/50 = 0,8%. Debido al gran ruido e incluso a una salida de CC de más de 70 mV, básicamente se puede considerar que la ganancia de 200 K es inexacta en las condiciones existentes. Los parámetros de este diseño se midieron con aislamiento de osciloscopio.
4.6 Análisis de errores
Al corregir los parámetros del circuito obtenidos mediante simulación, el sistema obtuvo buenos parámetros de índice. Sin embargo, todavía hay grandes errores en el análisis teórico, que son básicamente los siguientes:
1. Durante la calibración, el generador de señal F40 se utiliza para generar una señal de 20 mV. La relación señal-ruido de la señal es muy pobre y la interferencia de la potencia del ruido provocará la introducción de errores, así como la fuente de señal del probador de características de amplitud-frecuencia.
2. El medidor de milivoltios de transistor utilizado para la calibración es en sí mismo un medidor mecánico, lo que provocará errores relativamente grandes. Al mismo tiempo, el ojo humano también introducirá grandes errores al leer.
3. Esta pregunta involucra muchos circuitos analógicos. Durante la depuración, el circuito se compensará en todos los aspectos y se equilibrará de acuerdo con los requisitos del problema, lo que también provocará algunos errores.
4. El uso de una fuente de alimentación suele ser la clave para introducir ruido en el circuito, especialmente cuando se miden señales pequeñas.
Corrección del circuito: A través del análisis de errores, este diseño realiza algunos cálculos para reducir el error.
1. Utilice la PCB casera del AD9954 para mejorar la relación señal-ruido de la señal de salida.
2. Cuando utilice el instrumento, tome múltiples promedios para reducir el error entre el instrumento analógico y la lectura del ojo humano.
3. Fabrice PCB para circuitos analógicos clave y realice un tratamiento de conexión a tierra especial para las señales para reducir la dificultad de depurar circuitos analógicos.
4. El sistema de alimentación utiliza un transformador tipo R con buen aislamiento para reducir la introducción de ruido desde la fuente.
Resumen del diseño de verbo (abreviatura de verbo)
Después de varios días de arduo trabajo, finalmente cumplimos con todos los requisitos indicados en la pregunta. Al mismo tiempo, debido a limitaciones de tiempo, el sistema aún no está completo. Por ejemplo, la visualización gráfica del comprobador de características de amplitud-frecuencia no es muy fácil de usar. Aunque sabemos que el filtro elíptico es el resultado de la superposición de varios filtros y no hay tiempo suficiente para derivarlo y producirlo, profundizar la comprensión del conocimiento del diseño electrónico y el trabajo en equipo son los mayores beneficios de la competencia.