Až se chce člověku říct, že jednodušší to už ani být nemůže. Veškerý matematický aparát, jakkoli je přitom silný a krásný zároveň, hned na úvod s omluvou přecházíme. Vývojář má za úkol navrhnout analogovou dolní propust (Low-Pass), horní propust (High-Pass), příp. též propust pásmovou (Band-Pass). Podmínky v konkrétní aplikaci jsou zřejmé, zadání jasné a pozdě bylo už včera. Nečekáme než se dokončí průvodce instalací, nikam se nepřihlašujeme a aplikaci rovnou spouštíme ve svém prohlížeči. Do vyššího řádu filtru, než je ten desátý, nás stejně nikdo jen tak tlačit nebude.

 

 

 

Nebudeme – li otevírat již dříve uložený návrh, čeká nás první z pěti kroků: volba typu filtru (Type). Na výběr zde máme ze tří, viz výše. Ve většině případů to stejně bude zase dolní propust (Low-Pass) a tak na ni klikneme a přesuneme se tak do druhé, nejdůležitější fáze specifikační (Specifications).

 

 

 

V levém okně dostáváme na výběr volbu zisku v jednotkách dB či V/V a také útlumu na konkrétním kmitočtu pásma propustnosti (Passband), resp. jeho hranici, obdobně pak postupujeme i pro pásmo útlumu (Stopband) a konečně si můžeme k obrazu svému přizpůsobit též samotnou odezvu filtru (Filter Response). Zde jen stačí hýbat s posuvníkem mezi krajními Fewest Stages a Fastest Settling (minimum použitých stupňů a nejrychlejší ustálení ve spojitosti se skokovou odezvou – Step Response), hledat kompromis a sledovat přitom navrhovanou změnu aproximace dle Butterwortha, Čebyševa či Bessela (Butterworth, Chebyshev, Bessel) a tudíž i řádu filtru (Order) a počtu jeho stupňů, tj. operačních zesilovačů, které budeme ve výsledku potřebovat (Stage).

 

 

Vše naprosto názorně sledujeme v okně vpravo. Zobrazit si můžeme nechat amplitudovou frekvenční charakteristiku (Magnitude (dB), Magnitude (V/V)), fázovou frekvenční charakteristiku (stupně, rad), skupinové zpoždění (Group Delay), fázové zpoždění (Phase Delay), skokovou odezvu (Step Response) či základní charakteristiky jednotlivých stupňů s OZ – číselně např. zisk, f_p a Q (Stages). Pokud si nejsme jisti, provází nás celým návrhovým prostředím jednoduchá nápověda v angličtině – stačí jen klikat na otazníky.

 

 

 

To nejpodstatnější již máme za sebou, takže nám zbývá doladit celý návrh správnou volbou součástek (Component Selection), jinak též postoupit do třetího z celkového počtu pěti kroků. Zde v první fázi zvolíme kladné a záporné napájecí napětí +Vs a -Vs (Voltage Supplies). Bude – li to pro návrh přínosné, můžeme se souměrného napájení zbavit prostou volbou -Vs = 0 V, dostáváme tak napájení jednoduché a systém do návrhu vkládá stejně tak jednoduchý doplňkový „generátor“ referenčního napětí – středu (mid-supply) s odporovým děličem a operačním zesilovačem na jeho výstupu.

 

 

Součástky (Components) si necháme buď doporučit (Pick for me) nebo se do výběru směle pustíme sami (I want to choose), budeme si jednotlivé stupně postupně rozevírat a posuvníkem optimalizovat velikosti odporů a kondenzátorů v zapojení (Component Sizing) – v případě zvoleného zisku též třeba velikosti rezistorů v odporových děličích ve zpětné vazbě OZ. Na rozdíl od vkládání číselných hodnot je společný způsob ovládání poněkud kostrbatější, pokud však budeme mít štěstí, dokážeme tak např. minimalizovat celkový počet hodnot precizních kapacit (viz také dále) a volit třeba jen z těch (a jejich vzájemných kombinací), které již máme skladem na kotouči. Vybírat rovněž můžeme z početného seznamu doporučených operačních zesilovačů (Choose Op Amp) s možností jejich filtrování dle vybraných parametrů (GBW, napájení). Veškeré křivdy, které snad mohly pramenit z bezplatného uvolnění tohoto návrhového prostředí, jsou na straně výrobce rázem zahojeny.

 

 

Též zde dostáváme možnost kompenzace (Compensate for GBW) a, to pokud necháme výběr součástek na programu, také Optimalizace (Optimization) s ohledem na nízkou spotřebu (Low Power), nízký šum (Low Noise) nebo též napěťový rozsah (Voltage Range). V případě, že nebude naše volba korektní, program se ozývá červeným písmem a zároveň ještě rychle přispěchá třeba i s několika návrhy, jak z toho ven.

 

Stále se ještě zdržujeme v záložce výběru součástek (Component Selection). Nabídka pravého okna se nám rozrostla o volbu zobrazení Noise, tj. možnost nechat si graficky vynést spektrální hustotu šumu (Spectral Noise Density), číselně též získat hodnoty RMS a špička – špička (Peak to Peak) po vložení šířky pásma A/D převodníku (ADC Bandwidth) a také ENOB (Equivalent number of bits) v závislosti na rozsahu převodníku formou tabulky ADC Table a dle vztahu Equivalent number of bits = log2 (ADC range / Peak to Peak Noise). Další z voleb zobrazení zahrnují klidové spotřeby filtrů (Power) v závislosti na jeho jednotlivých stupních – zde musíme zdůrazit vliv vstupního signálu na spotřebu obvodu, který se v tomto případě nezohledňuje a může být přitom docela zásadní –, napěťové rozsahy (Voltage Range) pro vstupy a výstupy, včetně rychlostí přeběhu (Slew Rate) a souvisejících maximálních hodnot / limitací a konečně též schéma zapojení (Circuit) s hodnotami součástek a stručným popisem, na které přece celou dobu tak čekáme.

 

 

Předposlední krok s pořadovým číslem čtyři nese jméno Component Tolerances a volíme v něm tolerance rezistorů od 0,1 % (řady E96 a E24), kondenzátorů od 1 % (řady E24, E12 a E6) a také GBW (Gain Bandwidth) mezi jednotlivými OZ – v tomto případě jen 20 %. Kalkulovat lze pochopitelně též s řešením ideálním. Změny se nám projeví nejen ve schématu, ale software z nich vypočítává též obálku jednotlivých grafických závislostí (rozhodně stojí za to vidět), tedy kromě skokové odezvy – zde je to dáno náročnějšími výpočty.

 

 

Pro běžný návrh filtrů lze doporučit tenkovrstvé rezistory s tolerancí 0,5 % a teplotním koeficientem 25 ppm/°C, které za normálních okolností umožní dosáhnout rozumného kompromisu mezi dosahovanou přesností a cenou výsledného řešení. Nesmíme však také zapomenout, že nejméně přesnou součástkou bývá stejně kondenzátor, v tomto případě hned několik, takže zakoupení přesnějších pasiv se v tomto případě rozhodně vyplatí. Poohlédnout se můžeme po kapacitách s tolerancí 5 % nebo ještě méně, vyráběných s využitím keramických materiálů C0G (rovněž známé jako NP0).

 

 

 

A tím se již prakticky dostáváme k samotnému závěru návrhu (Final Results). Nabídka se nám mezitím rozrostla o soupisku materiálu (Bill of Materials), která s potěšením nezapomíná ani na blokovací, keramické či tantalové kondenzátory. Po přihlášení můžeme získat návrhové soubory, objednat si kit a přijít tak k hardwarovému prototypu, poslat kopii návrhu kolegovi na druhé straně stolu, všechno si pěkně uložit a nebo to celé importovat ještě dále.

 

 

 

 

Přestože může popis on-line vývojového nástroje vzbuzovat určité obavy, opak je pravdou: nečekejte nic komplikovaného a raději se místo toho připravte na vcelku rychlé výsledky. Svůj další filtr si můžete okamžitě navrhnout a odladit na http://www.analog.com/designtools/en/filterwizard/. Softwarový „Machr přes analogové filtry“, Analog Filter Wizard od Analog Devices, byl rovněž využit při návrhu aktivního filtru, zapojeného na výstupu referenčního systému pro galvanické oddělení analogových signálů se sigma-delta modulátorem (na HW serveru jste mohli číst Galvanické oddělení? Což takhle sigma-delta modulátor).