Filtr: Aktywny
Zwykle cel można osiagnac na wiele sposobow w wielu rozwiazaniach.
Selektywne filtry wymagane są:
-W radiokomunikacji
-Do antyaliasingu przed przetwarzaniem ADC
-Czasem do rekonstrukcji sygnalu z DAC czyli usuniecia Image
-Czasem do oczyszczenia sygnalu po demodulacji i dla usuniecia wspolsygnalow
Nawet najlepsze filtry aktywne i bierne nie sa w stanie spelnic wymogow antyaliasingu do standardu Compact Disc. Pozadane rezultaty dalo dopiero zastosowanie filtrow cyfrowych i oversamplingu.
W systemach telekomunikacji cyfrowej PCM filtry antyaliasingowe i rekonstrukcyjne sa najtrudniejsza czescia systemu.
Dolnoprzepustowy filtr aktywny obejmujacy prad staly DC musi byc wykonany na wzmacniaczu operacyjnym. Nic dziwnego ze pionierka publikacja Sallena - Keya ( SK ) z 1955 roku z ich filtrem II rzedu pojawila sie gdy byly juz modulowe, lampowe wzmacniacze operacyjne. OPA jest wygodna "cegla" do budowy muru w konstrukcji. Filtr SK dolno i gornoprzepustowy jest najpopularniejszym do dzis filtrem aktywnym. Z dodatkowym obwodem RC na wejsciu jest filtrem III rzedu. Nie nadaje sie on do dobroci Q powyzej 2...3.
Od lat piecdziesiatych na temat filtrow aktywnych pojawila sie ogromna ilosc publikacji naukowych z ktorych ogromna wiekszosc nie wnosi zupelnie nic nowego. Pojawialy sie nowe rozwiazania znacznie gorsze i bardziej skomplikowane od istniejacych.
Starsza wiedze usystematyzowno w Analog Integrated Circuits, M.Herpy, Akademia Kiado, 1980 a najnowsza w Active RC Filter Design, M.Herpy, J.Berka, Elsevier Science, 1986.
Dla filtrow aktywnych bardzo wazna jest wzgledna wrazliwosc ich dobroci na wzgledna zmiane wartosci elementow R i C. W obu ksiazkach podano tabelarycznie te wrazliwosci co jest wiedza unikalna i bardzo uzyteczna. Filtrow o duzej wrazliwosc po prostu w rozwazaniach ogole nie bierzemy pod uwage. Ich (wrazliwosci ) wyliczenie jest mozolne. Filtry o duzej wrazliwosci a szczegolnie duzej dobroci wymagaja ekstremalnie dokladnych elementow RC ktore sa zaporowo drogie.
W przypadku filtrow selektywnych kolejnym problemem jest ( laserowe lub mechaniczne ) dotrymowanie rezystorow do jednoczesnie pozadanej czestotliwosci i dobroci.
Bell byl uprzejmy w BSTJ obszernie omowic projektowanie hybrydowych filtrow aktywnych antyaliasingowego i rekonstrukcyjnego do systemu PCM. Miedzy poziomem BSTJ jest przepasc do licznych niekompetentnych publikacji o filtrach aktywnych czyli o niczym. W projektowaniu zastosowal komputerowa optymalizacje. Nic dziwnego ze Bell ma najwieksza liczbe Noblistow w swiecie.
Dobry nauczyciel potrafi cierpliwie wytlumaczyc uczniom nawet najtrudniejszy temat. I uczniowie go zrozumieja. Chyba taka role dla uczniow – naukowcow i inzynierow ma BSTJ.
Na rysunku pokazano filtr antyaliasingowy czyli nadawczy do telefoni PCM . Ma on pasmo 3.4 KHz. Filtr rekonstrukcyjny czyli odbiorczy ma dwa kaskadowe czlony jak drugi czlon tego filtru. W realizacji dyskretnej rezystorow jest mniej niz w hybrydowej gdzie ich maksymalna opornosc jest ograniczona.
Oczywiscie zastosowano struktury o malej wrazliwosci na wartosci elementow RC.
Przepuszczona przez ta pare filtrow mowa z radioodbiornika ma niepogorszona zrozumialosc i brzmi bardzo dobrze !
Norma CCITT jest znacznie lagodniejsza niz ten filtr.
"Lepsze wrogiem dobrego" Obecnie aktywne filtry RC sa wypierane przez scalone filtry z przalaczanymi pojemnosciami w technologii MOS.
Aktywne filtry stosowano w modemach telefonicznych ale zostaly juz wyparte przez nowoczesniejsze rozwiazania.
Z rozwazan o probkowaniu i rekonstrukcji sygnalow Shannona i Kotielnikowa wynika ze idealny filtr rekonstrukcyjny ( idealny filtr dolnoprzpustowy ) jest nierealizowalny fizycznie. Mozna go tylko na wiele sposobow aproxymowac i stosujac oversampling zmniejszac wymagania od niego.
Sens tej filtracji dla usuniecia Image z S-H DAC nie do konca jest na pozor jasny. W przypadku telefoni PCM widmo ponad 4 KHz jest slyszalne ( w testowym ukladzie filtrow mozna posluchac sygnalu na kondensatorze wejsciowym S-H filtru, dzwiek jest okropny ) a dodatkowo z racji niedoskonalosci przejscia 2 na 4 przewody ukladem transhybrid doszedlby aliansing odbitego sygnalu bowiem przeciez filtr nadawczy nie jest doskonaly.
Natomiast koniecznosc usuniecia Image z sygnalu z S-H DAC odtwarzacza CD, ktory jest poza zakresem slyszalnym ucha wynika z tego ze we wzmacniaczu mocy Image da slyszalne intermodulacje a przy podniesieniu wysokich tonow uszkodzi glosnik wysokotonowy przy duzej mocy sygnalu .
Jedynie dla sygnalizacji tematu pokazano obwiednie sin(x)/x sygnalow z S-H DAC przy roznej szerokosci schodka i rezultaty oversamplingu.
Ale przy okazji nie zglebiajac tematu nie mozemy na przyklad wyprodukowac nowoczesnej broni a przeciez zachodniej licencji nie kupimy bo nikt nam jej nie sprzeda i nie mamy zreszta pieniedzy.
Analog Devices filtr dolnoprzepustowy filtr S-K zastosowal w precyzyjnym Module do wspolpracy z malym sygnalem z mostka tensometrycznego. Dolaczajac zewnetrzne rezystory rownolegle do tych w module podnosi sie czestotliwowosc filtru. Mostek tensometryczny jest szerokopasmowy i oprocz informacji dla nas uzyteczych sa tam tez "zbednie" zebrane drgania o calkiem szerokim pasmie
Tranzystorowy wzmacniacz - filtr srodkowoprzepustowy odbiornika IR byl dosc skomplikowany a co gorsza na wejsciu mial obwod LC ! Totez wyprodukowano wzmacniacz - filtr sygnalu z fotodiody z kilkoma dodatkowymi elementami biernymi RC filtrow aktywnych srodkowoprzepustowych i wyjsciowym komparatorem. Elementy RC do pierwszego filtru srodkowoprzepustowego z pojedynczym T sa juz zintegrowane w ukladzie scalonym.
Potezne koncerny Japonii elektronike standardowego odbionika TVC umieszczaja na jednej plycie drukowanej (!) wkladanej w prowadnice na dole obudowy odbiornika. Dopiero odbiorniki wyzszej klasy maja budowe modulowa. Ich mordercza swiatowa przemyslowa ofensywa eksportowa byla do zatrzymania tylko represyjnymi metodami politycznymi wymuszonymi przez okupanta - USA.
Jak praca reczna mozna probowac konkurowac z praca bardzo szybkich maszyn CNC albo robotow ?
Pilot zdalnego sterowania wystepuje najczesciej z odbiornikiem telewizyjnym TVC i coraz czesciej z zestawem Audio. Ale moze tez otwierac brame wjazdowa na posesje prywatna lub firmy i brame garazu.
Obszar Audio.
Z fizyki dzialania glowicy magnetofonu wynika ze ponizej sredniej czestotliwosci potrzebna jest charakterystyka wznoszaca. Wznosi sie ona do czestotliwosci circa 40-50 Hz. Najwyzsze czestotliwosci sa tez podnoszone. Odpowiednie obwody RC quasi – filtrow sa w sprzezeniach zwrotnych wzmacniaczy. Jest to zatem nieortodoksyjny filtr aktywny.
Za demodulatorem FM jest bierny uklad filtru I rzedu dolnoprzepustowego deemfazy 50/75 us.
Za stereodekoderem MPX stosowany jest filtr dolnoprzepustowy LC a ostatnio filtr aktywny. Oba rysunki przedstawiaja to samo. Podwojny wzmacniacz operacyjny jest w obudowie DIL 8. Czesto na pierwszy rzut oko nie wiadomo o co chodzi.
Prototyp matematyczny tego filtru jest nieortodoksyjny. Za filtrem dolnoprzepustowym Sallena - Keya jest mostek RC podwojne T dajacy Zero. Nie uzyto wiec standardowej procedury projektowania ale programu do optymalizacji. Taki uklad ma rzekomo w stosunku do ortodoksyjnego mniejsze GTD.
Sygnal z CD ma zawsze preemfaze 15 us i opcjonalnie preemfaze 50 us czyli taka jaka jest stosowana w zachodniej ( u nas 75 us ) radiofonii UKF FM. Ta druga ma byc zalaczana tylko gdy odpowiedni bit jest ustawiony w odczytanym strumieniu bitow z plyty CD informujacym ze w nagrywaniu zastsowano ta preemfaze 50 us. Po co zastosowano preemfaze 50 us stwarzajaca mozliwosci przesterowania wysokimi tonami z koniecznoscia ewentualnego ograniczenia poziomu audycji dla unikniecia tego ? Otoz w pierwszych odtwarzaczach stosowano przetworniki 14 bitowe ( 16 bitowe dopiero stworzono pozniej ) i deemfaza pozwalala ograniczyc szumy, identycznie jak w radiofoni FM.
Ta preemfaza jest nadal stosowana przez niektorych producentow plyt CD a produceni odtwarzaczy CD juz z DAC-iem 16 bitowym czesto nie daja z oszczednosci zalaczanej deemfazy 50 us co skutkuje fatalnym, metalicznym brzmieniem i podwyzszonym dla sluchacza poziomem szumow audycji. Uzycie preemfazy 50 us jest zaznacozne na okladce plyty CD i latwo mozemy skojarzyc je ze zlym brzmieniem odtwarzacza.
Na rysunku pokazano 16 bitowy przetwornik DAC CX20133 do obu kanalow odtwarzacza CD bez oversamplingu. Jest to uklad stosujacy m.in. idee przetwarzania czas na napiecie na integratorze. Przez czas proporcjonalny do starszych 8 bitow z 16 bitow slowa podany jest do integratorow na wzmacniaczach operacyjnych "duzy" prad a przez czas proporcjonalny do mlodszych 8 bitow prad 256 razy mniejszy. Przetwornik jest zdumiewajaco prosty i tani w produkcji. Szczegoly systemow omowiono w innym miejscu. Znieksztalcenia calosci przy pelnym sygnale wynosza typowo 0.0025% a poziom szumow wynosi -93 dB. Selektywnosc do usuniecia Image sygnalu za przetwornikiem DAC dostarcza 6 biegunowy filtr aktywny Muraty z jednym Zerem.
Obecnie w swiecie przedwzmacniacz - equaliser do magnetycznej wkladki gramofonowej ma najczesciej charakterystyke RIAA z 1954 roku ( Recording Industry Association of America ) choc Zachodnie Niemcy maja swoja charakterystyke DIN a Zwiazek Radziecki swoja GOST. Wszystkie sa jednak bardzo zblizone. Opadajaca charakterystyka czestotliwosciowa jest wyznaczona trzema stalymi czasowymi 75 us, 318 us i 3180 us, czyli czestotliwosciami 2122 Hz, 500 Hz i 50 Hz.
O ile konstrukcja ukladu dla wkladki gramofonowej Moving Magnet jest latwa ( mozna tez uzyc wzmacniacza operacyjnego NE5532 ) to niskoszumy uklad dla wkladki Moving Coil, z ktorej sygnal jest okropnie maly, jest trudny.
Trudno powiedziec dlaczego przedwzmacniacz jest we wzmacniaczu a nie w gramofonie ? Przeciez nie w kazdym zestawie jest gramofon i w tych wypadkach przedwzmacniacz jest nieuzywany. W tym drugim przypadku moglby on odwrocic wady uzytej wkladki gramofonowej ! Co wiecej jego mocniejsze wyjscie mogloby ( srednim poziomem ) sterowac pomocnicze sluchawki.
Czasem stosowane sa we wzmacniaczu aktywne filtry Sallena - Keya
-Antywibracyjny do uspokojenia wibracji z gramofonem
-Przeciwtrzaskowy rzekomo zmniejszajacy uciazliwosc rysek na plycie gramofonowej.
Powszechnie stosowane uklady niezaleznej regulacji Tonów czyli Basów i Sopranów opracowal P.Baxandall. Przed tym regulacje byly tylko prymitywne. Znacznie lepszy od ukladu biernego jest uklad aktywny (Baxandall, P.J. “Negative feedback tone control – independent variation of bass and treble without switches” W.W. 58.10, Oct. 1952, 402. )
Wada ukladu regulacji tonow jest powiekszenie zakresu zmiennosci amplitud sygnalu co z reguly skutkuje podniesieniem poziomu spoczynkowych szumow co jest potezna wada razaca sluchaczy.
Ta regulacja tonow byla argumentem reklamowym jako ze realnie psula on jakosc przekazu.
N.B Gdy glosniki stanowia element systemu latwo jest skorygowac ich charakterystyke. Na przyklad w odbiorniku TVC mozna zmienic ( zmniejszyc lub zwiekszyc ) wartosc kondensatora deemefazy za demodulatorem dzwieku FM uzyskujac lepsze brzmienie calosci kompletnie za darmo ! Latwo jest tez manipulowac chrakterystyka wzmacniacza mocy. Metody sa stosowane w zachodnich produktach.
Japonskie koncerny w swoich znakomitych urzadzeniach stosuja plytka regulacje tonow. W ich rozwiazaniu regulator bierny wspolpracuje w sprzezeniu zwrotnym ze wzmacniaczem operacyjnym ale w konfiguracji nieodwracajacej czyli innaczej niz w rozwiazaniu Baxandalla. Jeszcze lepszym rozwiazaniem jest umieszczenie plytkiej regulacji tonow w petli sprzezenia zwrotnego wzmacniacza mocy.
W ukladzie aktywnym Baxanadla latwo jest tez dodac regulacje tonow Srednich !
Pionier w swoim "okrecie flagowym" dal podwojna kaskade regulacji Basow i podwojna Sopranow ! Dodatkowa regulacja basow dodatkowo podnosi charakterystyke czetotliwosciowa dla bardzo malych czestotliwosci a Sopranow dla bardzo wysokiej. Z kolei Technics dal przelaczniki tych czestotliwosci.
Po wprowadzeniu na rynek wzmacniaczy BiFet TL071,2,4 a zwlaszcza NE5532 sa one lepsze niz uklady dyskretne i koncerny Japonii porzucily rozwiazania dyskretne wzmacniaczy sygnalowych.
Philips w ukladach TCA730 i TCA 740 sterowanych napieciami ( zastosowano modyfikacje ukladu mnozacego Gilberta ) stalymi z mikrokontrolera zrealizowal fizjologiczna regulacje glosnosci i regulacje tonow. Uklad ma dosc duze szumy i znieksztlacenia. Byl pomyslany do luksusowych odbiornikow telewizyjnych TVC z pilotem. Nie nadaje sie do sprzetu Audio wysokiej jakosci.
Koncerny japonskie natomiast duza elegancka galke Volume wzmacniacza obracaja serwomechanizmem sterowanym mikrokontrolerem czyli pilotem ( takze wybor wejsc i aktywacja filtrow) w rece sluchacza ale galki Bass i Treble mozne pokrecic tylko recznie
W technice studyjnej od dawna znany jest Graphic Equalizer. W ich konstrukcji stosowano obwody LC co rzutowalo na ich wielkosc i wysoka cene.
O tym ze od strony wejscia gornoprzepustowy filtr Sallena Keya zachowuje sie jako uziemiony obwod LC stlumiony szeregowa i rownolegla do L rezystancjami wiedziano od dawna. Zatem bez wejsciowego kondensatora jest on stratna indukcyjnoscia dolaczona do GND co posluzylo do nadecia banki o nazwie Zyrator. W equaliserze jest w kazdym torze niby "octawy" kompletny filtr SK ale uzyte jest tylko jego wejscie. W tych filtrach SK mozna uzyc wtornika emiterowego. W prostych rozwiazaniach equaliserow tak jest - takze scalonych ( na przyklad Rohm ). Niestety wysokie sa ich szumy i znieksztalcenia. Natomiast Mitsubishi w pieciokanalowych ukladzie M5227 ( to jeden kanal stereofoniczny ) dal wysokiej jakosci wzmacniacze operacyjne. Przy poteznym sygnale 5Vac znieksztalcenia THD sa ponizej 0.002 % i szybko maleja przy obnizeniu wielkosci sygnalu. Szumy sa bardzo male.
Innym rodzajem equalisera jest filtr parametryczny. Jest to w istocie filtr zmiennych stanu na trzech wzmacniaczach operacyjnych o regulowanej niezaleznie czestotliwosci i dobroci.
-Mozna tanio dodac w ukldzie aktywnym regulator tonow srednich "Mid" lub podwojna regulacje (Pioneer) Basow i Sopranow
-Tanie jest przelacznie ( za Technics ) czestotliwosci odciecia Bass i Treble w regulatorze Tonow. Przelacznik moze byc mechaniczny lub CMOS ze sterowaniem pilotem.
-W Graphic Equalizer zamiast wzmcnicza operacyjnego lub wtornika emiterowego ( niska jakosc ) w filtrze mozna z doskonalym rezultatem (sprawdzono, znikome szumy i THD ) uzyc komplementarnego niby Darlingtona czyli ukladu Sziklai NPN+PNP.
-W odbiornikach TVC regulacja glosnosci pilotem jest w 8-16 pozycjach. W systemie Audio gdzie wymagania sa wysokie mozna do zdalnej regulacji glosnosci uzyc tanich multiplexerow CMOS CD4051 /4067 z dzielnikiem rezystorowym. Co prawda pozycji nie jest za duzo ale wspolbieznosc regulacji jest za to doskonala ! Dookola atrapy duzego ladnego pokretla glosnosci moga byc zapalane diody LED w roznych kolorach adekwatnie do glosnosci – Zielone a potem Zolte i na koniec Czerwone. Mozna tez uzyc ladnego wyswietlacza fluoroscencyjnego z mikrokontrollerem
-Wejscia i filtry przeciwzakloceniowe ( wibracje , trzaski ) mozna pilotem przelaczac ukladami CMOS.
-W odbiornikach telewizyjnych stosowano przelaczniki brzmienia Voice/Jazz/ Rock/Flat. Obwody RC ksztaltujace charakterystyke czestotliwosciowa przalaczano w sprzezeniu zwrotnym wzmacniacza mocy. Teraz mozna to zrobic ( pilotem ) jednym multiplekserem CMOS. W odpowiednim ukladzie ogole nie rosna szumy ani znieksztalcenia co potwiedzono doswiadczalnie.
W 1982 roku wprowadzono na rynek odtwarzacz CD a jednoczesnie koncern ITT zaoferowal zestaw Digit 2000 ukladow VLSI do cyfrowego odbiornika TVC. Sygnal video z odfiltrowana nosna dzwieku FM podano do 7 bitowego przetwornika ADC probkujacego sygnal z poczworna czetotliwoscia podnosna PAL 4.43 MHz. Co linie obrazu przelaczny jest maly offset aby obnizyc szum ADC.
Natomiast sygnal foni FM jest konwencjonalnie odfiltrowany filtrem ceramicznym i zdemodulowany. W sytemie analogowy sygnal akustyczny podano do przetwornika ADC a procesor DSP wykonuje wszelkie operacje – reguluje fizjologicznie glosnosc, tony i tworzy psedo stereo. Sygnal z procesora DSP podano do wyjsciowych przetwornikow DAC. Nic dziwnego ze jakosc dzwieku jest gorsza (!) niz w rozwiazaniu analogowym. Ten procesor DSP ( jest calkiem wydajny i niedrogi ) ma liste rozkazow i mozna sobie napisac wlasny program ale uklad ma tylko pamiec ROM z zwiazku z czym minimalna seria produkcyjna musi byc bardzo dluga
Przetwornik ADC ma za mala rozdzielczosc, zwlaszcza dla sygnalow o wysokiej czestotliwosci aby moc do niego podac sygnal z nosna fonii. Za duzy bylby poziom zaklocen intermodulacji.
Mozna sygnal FM za filtrem SAW lub ceramicznym podac do takiego szybkiego przetwornika ADC i metoda - algorytmem Coordic zdemodulowac sygnal FM otrzymujac wysokiej jakosci sygnal cyfrowy dzwieku. Dlaczego ITT tak nie zrobil ? Pewnie dlatego ze sprzetowa realizacja tego algorytmu wymaga duzej ilosci operacji a juz zestaw ukladow Digit 2000 jest drogi. Zatem jest to tylko kwestia scalania czyli czasu.
Normy CCITT dotyczace telefonii PCM roznej chierarchii umozliwiaja wspolprace ze soba urzadzen roznych producentow.
Sygnal cyfrowy dzwieku jest w odtwarzaczu CD a bedzie powszechny w telewizji z NICAM. Mozna go tez wytworzyc z sygnalu FM w telewizorze i w odbiorniku UKF FM.
Zatem brakuje standardu do wspolpracy. Sygnal cyfrowy z tych zrodel w DSP wzmacniacza mozna dowolnie przetwarzac ( latwo mozna dodac efekty quasi przestrzenne co analogowo jest trudno realizowalne ) i w koncu z oversamplingowego przetwornika DAC z jego regulacja poziomu wzmocnic dla glosnikow.
Jaki jest sens cyfrowego dzwieku stereofonicznego wysokiej jakosci dla malutkich glosnikow w odbiorniku telewizyjnym gdzie zreszta nie moga za glosno grac bo zakloca to mechanicznie kineskop. Natomiast odbior na kolumach glosnikowych zestawu Audio dalby znakomity efekt.
Sygnal cyfrowy mozna tez przeslac na podczerwieni do sluchawek i delektowac sie audycja.
Zawartosc plyty CD jako pliki tworzy sie na komputerze. Zatem odbiorca ( ale tez dawca ) sygnalu cyfrowego dzwieku moze tez byc komputer.
Kazdy filtr jest czescia urzadzenia. Patrzac na swiatowy rynek sa to przewaznie urzadzenia nowoczesne i drogie.
Super. Szczena mi opadła. Czytam 3 raz
OdpowiedzUsuńWitam Czy wszystko jest jasne ?
OdpowiedzUsuń