Filtr: RC
Ogniwo RC ( filtr I rzedu ) scharakteryzowane jest przez czestotliwosc Wo jako filtr dolnoprzepustowy lub filtr gornoprzepustowy. Jest bardzo malo selektywnym filtrem. Wystepuje wszedzie masowo.
Filtr II rzedu jest scharakteryzowany przez czestotliwosc Wo i dobroc Q. Dla Q=0.5 odpowiedz skokowa jest aperiodyczna a dla Q=0.707.. przerzut wynosi 4.1 % ale dla Q=0.6 przerzut jest bardzo maly a odpowiedz szybsza niz aperiodyczna.
Dwa identyczne kaskadowe ogniwa R1C1 i R2C2 czyli o tej samej czestotliwosci Wo odseparowane wtornikiem daja filtr drugiego rzedu o Q=0.5 ale bez separacji Q jest znacznie mniejsza a spadek od 0.5 w dol jest tym mniejszy im R2>R1 przy R1C1 = R2C2.
Ogniwo RC uzywane jest do filtracji i separacji zasilania. Jest to jednak sposob rozrzutny energetycznie. Nie może byc stosowany przy niskich napieciach zasilania.
Filtracje RC nieomal zawsze wykonuje się „przy okazji” dodajac kondensator C do miejsca filtrowanego sygnalu o efektywnej opornosci „R” do GND. Mozna tez kondensator dolaczyc rownolegle do rezystora w petli sprzezenia zwrotnego wokol „OPA”. „OPA” jest w cudzyslowiu ponieważ uproszczony OPA moze być elementem scalonego ukladu wielofunkcyjnego.
Wymagana pojemnosc w kolektorach demodulatora koincydencyjnego IF Video lub fonii FM jest na tyle mala ze mogą wystarczyc istniejace pojemnosci w tym miejscu lub można uzyc z racji niewielkiej wymaganej pojemnosci monolitycznego kondensatorka na chipie. Gdy uklad mnozacy jest uzyty jako detektor fazy w petli synchronizacji fazowej PLL w tym miejsc umieszcza się szeregowy dwojnik RC ( plus rownolegle mniejszy kondensator filtru dolnoprzepustowego dla filtracji duzych czestotliwosci ) z drugiej strony dolaczony do GND. Podobnie filtruje się sygnaly do petli regulacji AFC i AGC odbiornikow radiowych, takze w TVC
W sygnalach z elektrod EKG sa napiecia polaryzacji elektrod do 300 mVdc ( typowo mniejsze) ale polowicznie odejmuje sie one od par elektrod ale wypadkowe napiecie stale DC nadal jest duze na tle uzytecznego malego sygnalu pulsu z serca pacjenta. Po wejsciowych wzmacniaczach instrumentalnym w torze stosuje się filtr gornoprzepustowy RC o przelaczanej znormalizowanej czestotliwosci 0.05 lub 0.5 Hz. Gdy pacjent jest spokojny wybiera się czestotliwosc 0.05 Hz a gdy się porusza 0.5 Hz. Szybszy filtr troche znieksztalca sygnal z serca ale w ogole pozwala na prace – obserwacje EKG. Zmiane stalej czasowej wykonuje sie przelaczajac w obwodzie gornoprzepustowego filtru RC opornik dolaczony do GND. Nie towarzyszy temu skokowa zmiana sygnalu za filtrem gornoprzepustowym co jest zaleta. Sygnal z przetwornika ADC w EKG zgrubnie analizuje mikroprocesor. Po zalozeniu elektrod na cialo pacjenta gdy sygnal nieustalony jest ogromny wybiera on stala czasowa 0.5 Hz lub nawet mniejsza (musi byc sprzetowo zaimplementowana ) i gdy w odpowiedniej fazie sygnalu serca ( aby filtr był jak najblizej stanu ustalonego ) wraca do wlasciwej stalej czasowej. Aparat jest momentalnie gotowy do pracy bez jalowego oczekiwania.
Teoretycznie sprzet moglby mieć tylko filtr 0.5Hz i programowa para biegun – zero mozna by uzyskac pasmo 0.5 Hz ale skracanie zerem bieguna prowadzi do dlugich procesow przejsciowych gdy ich czestotliwosci dokladnie się nie pokrywaja. Zatem konieczne byloby uzycie bardzo dokladnych i drogich elementow RC filtru 0.5Hz co jest nieracjonalne
Zaklocenia sieciowe w sygnale EKG ( także ECG ) z elektrod eliminuje się glownie wejsciowym wzmacniaczem instrumentalnym i wypracowanym sygnalem sterujacym Right Leg (Prawa Noga ), który eliminuje sygnal wspolny ze wszystkich elektrod i zmniejsza tez znacznie zaklocenia. Jednak gdy wyjatkowo zaklocenia od sieci energetycznej 50 Hz sa widoczne wlacza się filtr bierny RC w postaci srodkowozaporowego mostka podwojne T wycinajacego zaklocenie 50 Hz. Filtracje srodkowozaporowa moze tez realizowac program ale procesor musi być już dość wydajny.
Algorytm m.in. z filtrem synchronizacji akcji defibrylatora do akcji serca wykonuje sie jako programowy. Koncern HP opracowal bardzo prosty algorytm takiego filtru na malo wydajny procesor 8 bitowy.
Moc przetwarzania procesorow szybko tanieje ale obecnie jeszcze przeznaczania ich wydajnosci na filtracje sygnalu jest marnotrawne gdy mozna ja uzyc do automatycznego rozpoznania i sklasyfikowania sygnalu EKG pacjenta.
Na drodze automatyzacji diagnostyki stoja bardzo silne i wplywowe stowarzyszenia lekarzy w USA ale przeciez kijem nie da się zawrocic rzeki postepu i automatyzacja nastapi.
Nowoczesne mikrokontrolery maja typowe uklady PWM o rozdzielczosci 8-16 bitow.
Wyjscia PWM mikrokontrolera dedykowanego (o malej rozdzielczosci 4-6 bitow czyli 16-64 wartosci ) do odbiornika TVC ( takze innego urzadzenia ) filtruje się obwodami RC uzyskujac powolne przetworniki DAC. Odfiltrowane napiecie stale z nich podaje się do ukladow wykonawczych do regulacji napieciem stalym Kontrastu, Jaskrawosci, Nasycenia i Glosnosci. Rzadziej jest regulowana Wyrazistosc obrazu. Gdy czestotliwosc modulacji PWM jest znaczna trzeba uzyc do filtracji w obwodzie RC kondensatorow elektrolitycznych ktorych pojemnosc wolno spada z czestotliwosci i które maja zmniejszony ESR.
W nowym rozwiazaniu systemu z interfejsem Philipsa I2C uklady wykonawcze maja cyfrowy interfejs szeregowy uzywany do dyrygowania wykonawcow przez mikrokontroler.
Jak widac cel można osiagnac na wiele sposobow. Interface mimo iz prosty w realizacji wymaga jednak wielu setek tranzystorow i ma sen w ukladach zlozonych gdzie tak wzgledna liczba jest mala.
Jeden z 8 bitowych mikrokontrolerow dedykowanych do odbiornikow TVC posiada 8 KB pamieci ROM programu i m.in:
-14 bit PWM, do syntezy napiecia strojenia tunera
-5 x 6 bit PWM, po odfiltrowaniu pelnia role DAC do regulacji
-8 bit timer
-3 bit ADC, typowo dla sygnalu AFC
-Remote Control dekoder
-OSD 2L-16 ( 2 linie po 16 znakow) On Screen Display, Wyswietlanie na ekranie. Taktowanie zapewnia synchronizowany czestotliwoscia odchylania poziomego oscylator LC
-interfejs do pamieci nieulotnej EEprom.
-Standardowe peryferia mikrokontrolera a wiec porty i UART.
Analogowy potencjometr ma niby nieskonczona ilosc pozycji podczas gdy DAC – PWM ma zaledwie 4-6 bitow a na ekranie OSD moze zaprezentowa „paskiem” tylko 16 pozycji mimo iz może być faktycznie 32 lub 64 poziomow i pasek przeskakuje co 2 lub 4 poziomy. Nieskonczona ilosc pozycji potencjometru analogowego jest fikcja bowiem prawie zawsze wykonuje sie ruch wiekszy od 1/16 calego mozliwego obrotu potencjometrem.
Sprzedawany jest zamowiony mikrokontroler z programem w pamieci ROM dostarczonym przez uzytkownika lub oprogramowany, gotowy do uzycia w odbiorniku TVC mikrokontroler „z polki”. Ten drugi jest typowo 2-3 razy drozszy niż pierwszy. Wykonanie kompletu masek z programem w ROM-ie kosztuje powyzej 10 tysiecy dolarow czyli opracowanie wlasnego programu jest oplacalne już przy sredniej wielkosci produkcji ! Opracowanie tego programu jest trudne ale w masowej produkcji bardzo oplacalne. Jest „stukrotnie” trudniejsze niz prostacki program do ksiegowosci czy magazynu. Polska ma licencyjna fabryke kineskopow i powinna odbiorniki TVC eksportowac w wielkiej ilosci.
Fordyzm skonczyl się w USA w 1974 roku i praca rekami staje się w nowoczesnych gospodarkach slabo platna. Natomiast praca glowa ( ale nie prostacka bo to tez jest proletariat ) nad programem do mikrokontrolera jest wysoko platna i przyszlosciowa.
Jak widac mikrokontrolery dedykowane maja bardzo rozbudowane peryferia i trzeba by dodac wielka ilosc ukladow do zwyklego mikrokontrolera dla uzyskania takiej funkcjonalnosci.
Realizacja wielu przetwornikow PWM jest prosta w mikrokontrolerze. Licznik dla wszystkich kanalow PWM jest wspolny. Kazdy kanal ma tylko rejestr i uproszczony komparator kasujacy ustawiony na początku cyklu przerzutnik po zrownaniu się stanu licznika i komparatora.
W systemie strojenia glowicy sygnal PWM o duzej rozdzielczosci ( typowo 13-14 bitow ) podaje się do invertera na szybkim tranzystorze zasilanego stabilnym napieciem 33 V a sygnal z niego przechodzi przez kaskade trzech dolnoprzepustowych ogniw RC o zwiekszajacych się kolejno oopornosciach i malejacych pojemnosciach dla wypracowania napiecia 0...33 V przestrajajacego glowice odbiornika. Jest to mozliwe dlatego ze jedynym obciazeniem są uplynosci diod pojemnosciowych które są bardzo male. Chodzi o to aby wypadkowe Q filtru nie było male co dawaloby powolne ustalenie napiecia strojenia glowicy.
Znane jest rozwiazanie z nietypowym filtrem aktywnym z „OPA”. Nietypowe dlatego ze rozwiazanie typowe wymagaloby zasilania OPA napieciem ujemnym i dodatnim wyzszym niż 33 V co przyporzyloby komplikacji i kosztu.
Na rysunku inverter sterowany sygnalem PWM przez mikrokontroler to tranzystor Q105 i rezystor R124 zasilany ze stabilnego napiecia 33V. Wzmacniacz do podwyzszenia dobroci filtru czyli szybkosci odpowiedzi wykonano na tranzystorze Q106 z rezystorami R120 ( zasilany z napiecia +9V ) i R122. W typowym rozwiazaniu (bez nietypowego aktywnego filtru) tych elementow nie ma a kondensatory C124 i C126 (jako jeden o sumarycznej pojemnosci ) sa dolaczone do GND a nie do B i C tranzystora czyli tu wejscia i wyjscia wzmacniacza w konfiguracji odwracajacej z rezystorem sprzezenia zwrotnego – filtru aktywnego R122.
Mikrokontroler może mieć program samonastrajania się odbiornika do wszystkich dostarczonych programow. Stosowana w telewizji modulacja zespolonego sygnalu „Video” VSB ( Vestigal SideBand) daje charakterystyczne zachowanie się toru odbiorczego. Gdy odbiornik jest ustawiony na czestotliwosc wyzsza niż powinien dla danego sygnalu odcieta jest filtrem IF SAW nosna wizji i odbior momentalnie zanika. Gdy jest ustawiony na nizsza czestotliwosc wpierw znika fonia i kolor i dopiero nastepuje utrata obrazu. Program strojacy oczywiscie bierze to pod uwage i ma funkcjonalnosci aby odbiornik szybko przelaczyl się miedzy kanalami. O tym ze odbierany jest sygnal telewizyjny swiadczy na przyklad zaskoczenie petli PLL synchronizacji odchylania poziomego i przebieg sygnalu AFC w czasie przestrajania ( tu moze być konieczny przetwornik ADC mikrokontrolera co go istotnie podraza ale szczesliwie o malej rozdzielczosci ) oraz inne sygnaly analogowe ( proporcjonalny do poziom odbieranego sygnalu RF ) i binarne. Funkcja samonastrojenia się odbiornika na wszystkie programy jest cenna w systemach CATV gdzie programow jest bardzo dużo. Program nie moze pominac zadnego programu ale nie moze się nastroic na tak zwane fantomy czyli zaklocenia. Program powinien dalej uzytkownikowi pomoc uporzadkowac programy według jego gustu.
Kierowca samochodu w podrozy po osiagnieciu granicy danego odbioru moze kazac inteligentnemu programowi odbiornika wyszukac najmocniejsze stacje na UKF FM. Inteligentny odbiorniki jest na przykład bardzo potrzebny w turystycznym autobusie w dlugiej trasie bowiem nie mozna przeciazac ciagla narracja przewodnika i zanudzic turystow powtarzana trescia kaset magnetofonowych a informacje w programie radiowym są chetnie sluchane. Mikrokontroler odbiornika może tez mieć zapisane historyczne dane z danej powtarzanej trasy autobusu.
„Synteza napieciowa” ustepuje w produkcji strojeniu syntezie z petla PLL ale bardzo powoli. Program automatycznego nastrojenia na wszystkie programy mikrokontrolera z synteza PLL jest o wiele prostszy niż z synteza napieciowa bowiem potencjalne kanaly ( w danym kraju ! ) są znane.
Przy synchronicznym do wyprostowanego sygnalu, probkowaniu dla ADC filtracja RC moze być slaba a odpowiedz filtru bardzo szybka. Przy probkowaniu asynchronicznym filtracja musi być bardzo dobra a filtr jest wtedy powolny i realizacyjnie drogi. Zsynchronizowanie programu mikrokontrolera do napiecia sieciowego ( ale tez innego sygnalu ) jest proste i tanie. Gdy program ma funkcje generacji impulsow dla bramek tyrystorow prostownika / invertera synchronizacja jest konieczna.
Pulsacje sygnalu wyjsciowego ( PWM i regulacja fazowa ) w petlach analogowych mogą dac drgania subharmoniczne i trzeba zjawisko to zwalczac - prostym dolnoprzepustowym filtrem RC.
W ukladach cyfrowych najwazniejsze jest probkowanie we wlasciwej chwili. W przypadku PWM bez filtra dokladnie w srodku okresu PWM gdy sygnal ma taka wartosc jak jego srednia za okres modulacji PWM.
Uklad bierny Baxandalla do regulacji Basow i Sopranow jest gorszy niz uklad aktywny.
Uklady bierne regulacji brzmienia dla wzmacniaczy gitarowych czy instrumentalnych sa calkowicie inne niż Baxandalla. Sa specyficzne dla obslugiwanych instrumentow.
Charakterystyka czestotliwosciowa sluchu zmienia sie z natezeniem dzwieku. Efekt ten ma odwrocic fizjologiczna regulacja glosnosci. Jest ona prosta w realizacji regulowanego filtru biernego z potencjometrem, w realizacji elektronicznej analogowej regulacja napieciem stalym z mikrokontrolera i w realizacji programowej na DSP.
Mlode sprawne ucho najlepiej rozroznia mowe ( chodzi o jej zrozumialosc ) przy natezeniu dzwieku 60 dB natomiast dobry odbior muzyki wymaga wyzszego natezenia dzwieku. Najwyzsza czulosc sluch ma w przedziale czestotliwosci 3-4 KHz.
Jednak zadna z norm nie podaje poziomu odbioru muzyki dla której inzynierowie dzwieku powinni zmiksowac nagrania muzyczne dla najlepszego jej odbioru.
Przy natezeniach dzwieku nizszych od 90 dB trzeba podnosic basy aby odwrocic charakterystyke czestotliwosciowa sluchu ! Sprawa z wysokimi tonami nie jest jednoznaczna. Wykres Fletchera i Munsona z ich pionierskich badan z 1933 pokazuje charakterystyke czestotliwosciowa sluchu w funkcji natezenia dzwieku.
Analogowo i programowo mozna basy adaptacyjnie podnosic adekwatnie do ich chwilowego aktualnego, niskiego poziomu ( mowa o napieciu na glosniku ! ) odwracajac akcje odbiorcza ucha. Ale to przetwarzanie jest znacznie bardziej skomplikowane. Realizowana adaptacyjna charakterystyka czestotliwosciowa rosnie przy malych czestotliwosciach o wiele szybciej niz w zwyklej regulacji fizjologicznej i subiektywny efekt odbioru jest bardzo dobry, wrecz zachwycajacy.
Filtr gornoprzepustowy we wzmacniaczu dla eliminacji wibracji petli z gramofonem i kolumna glosnikowa jest wykonywany jako bierny lub rzadziej aktywny.
Realizowana jednym kondensatorkiem odwracajaca preemfaze, deemfaza czyli filtr dolnoprzepustowy stosowana jest przy kazdym odbiorze z modulacja FM, Nicam i czasem z CD
W automatyce w serwomechanizmach dolnoprzepustowy filtr I rzedu czyli RC dobrze sprawdza się w petli regulacji jako filtr antyrezonansowy. Mowa o rezonansach mechanicznych stworzonych przez elastycznosc i masy w ukladzie. Wprowadzaja one destabilizujace petle sprzezenia zwrotnego pary biegun – zero.
Potezne przeregulowanie w petli z obiektem calkujacym ( spowodowane jest przez Zero w transmitancji petli sprzezenia zwrotnego z obiektem calkujacym ) eliminuje się specjalnym wejsciowym filtrem z biegunem i zerem ale w uproszczeniu można dac tylko biegun czyli inercje.
Rezystancja wyjsciowa sondy pH jest w ogolnosci w zakresie 1 Mohm do 1 Gohm. Dla konkretnej sondy opoenosc zmienia sie. Na wejsciu wzmacniacza za kablem sondy jest dany filtrujacy kondensatorek 470 pF – 2.2 nF do GND. Stala czasowa filtracji jest proporcjonalna do opornosci wewnetrznej sondy pH co jest rozwiazaniem idealnym.
Sygnal nie szerokopasmowy i nie radiowy przychodzacy do urzadzenia kablem mozna zbocznikowac kondensatorem do GND dla eliminacji zaklocen radiowych. W takim wypadku parametry ESR i ESL kondensatorka maja znaczenie. Przykladowo maly kondensatorek foliowy pojemnosci 0.1 uF ma szeregowy rezonans przy czestotliwosci okolo 5 MHz a ceramiczny kondensatorek 1 nF przy okolo 70 MHz. Elementy SMD maja nizsze indukcyjnosci i wyzsze rezonanse szeregowe. Tlumienie w ukladzie przy czestotliwosci rezonansowej kondensatora jest bardzo duze ale ze wzrostem czestotliwosci szybko spada.
Odpowiedzi czasowe linii dlugiej przy obciazeniu pojemnosciowym są dobrze znane i trzeba pamietac aby nie stworzyc kondensatorkiem przeciwzakloceniowym szkodliwego „rezonansu”.
Operujac poetyka „Wartosci Dodanej” coz tu mozna w tym temacie i okolicach wniesc ?
Wbudowane mikrokontrolery a nade wszystko ich program są uwazane za branze przyszlosci. Co nowego mozna dac w programie do mikrokontrolera do odbiornika TVC ?
-Gdy mikrokontroler sam wyszuka wszystkie liczne programy w sieci CATV ( takze w odbiorniku satelitarnym ) powstaje trudny problem nadania im numerow. Widz chce mieć pod najmniejszymi liczbami 1,2,3,4 ( do 9 jedno nacisniecie przycisku pilota ) swoje ulubione programy a wraz z narastaniem numeracji programy coraz mniej lubiane i ogladane. Autor stworzyl bardzo prosty, latwy i wydajny algorytm do osiagniecia tego celu z komunikacja na OSD. To powazny atut reklamowy odbiornika !
-Elektretowy mikrofon jest tani. Sygnal ( wzmocniony jednym tranzystorem i prostownik z biernym filtrem dolnoprzpustowym RC podajace sygnal do wejscia 3 bitowego ADC mikrokontrolera ) z takim mikrofonem w odbiorniku TVC powodowalby podniesienie glosnosci lub obnizenie glosnosci. Opcja do wyboru.
W pierwszym przypadku obcy dzwiek uwazamy za zaklocenie a w drugim jako pozadana w odbiorze mowa skierowana do ogladajacego.
-Odbiornik TVC może byc odbiornikiem UKF-FM. Potrzebne są tylko proste i tanie zmiany w elektronice aby tor Video nie dzialal i pobor mocy z sieci byl znikomy.
-Odbiornik TVC ( takze z funkcja odbiornika UKF-FM ) moze być fajnym budzikiem a innym wlaczac się na program informacyjny. W tym wypadku jeśli w ciagu minuty nie zostanie zwiekszona glosnosc odbiornik sie dla bezpieczenstwa wylaczy !
Na komputer PC są dostepne eksperymentalne procedury automatycznego rozpoznawania i klasyfikacji sygnalu EKG. Wymagaja dopracowania, przyspieszenia... i umieszczenia w pamieci mikrokontrolera EKG.
Adaptacyjny algorytm do podnoszenia basow, dla odwocenia akcji sluchu, tez jest do dopracowania i umieszczenia w ROM-ie DSP.
Widzę że moja wiedza była i jest bardzo skromna. Ciekawe tematy. Powodzenia.
OdpowiedzUsuńSzokująco wysoki jest poziom tych wpisów. Nawet obecnie.
OdpowiedzUsuńWitam. Filtry były , są i będą.
Usuń