Kmitočtové filtry představují zásadní kapitolu elektronických obvodů. Veškerou krásu a náležitou úctyhodnost již naštěstí dokážeme popsat poměrně silným matematicko-fyzikálním aparátem a „dovádět“ tak vlastní myšlenkové pochody k relativní dokonalosti. Na druhé straně, kolik drahocenného času můžeme denně obětovat takovému „dovádění“, když drtivou většinu pracovní doby vývojář tráví v permanentní časové tísni? Přidáme-li navíc k dobru skutečnost, že všichni technici neoplývají vrozenou láskou k úchvatným integrálním transformacím včetně funkce komplexní proměnné, dokonce i předpřipravené tabulky a „kuchařky“ pro ně mohou být nedostačující, nezbývá než zapnout počítač a doufat, že na jiném místě naší planety budou žít a kreativně tvořit nadšenci, kteří náš problém chápou, mají vůli s tím něco dělat a v tom nejlepším případě za poskytnuté služby ještě nebudou chtít zaplatit.

Texas Instruments již řadu let na svých stránkách nabízí ke stažení aktualizovaný free SW, datovaný již od roku 1991 (tenkrát ještě pod DOSem) a nazvaný FilterPro (TM). Jak samotný název napovídá, v jednoduchosti je krása a malý prográmek s přehledem

Bohatá nápověda ve speciálním okně navíc vylučuje nutnost studia obsáhlých dokumentů. Celá aplikace dále nebude vnucovat žádné konkrétní aktivní prvky jediného výrobce, což však pro někoho může být výhoda i nedostatek zároveň.

Návrh probíhá zcela intuitivním způsobem a nevyžaduje hlubší teoretické znalosti. Pro většinu aplikací vyhoví i maximální použitelný aktivní analogový filtr 10. řádu, který tvoří jakýsi rozumný kompromis mezi analogovou a číslicovou filtrací pro běžné použití. Vyšší řády pak mohou být efektivně implementovány v podobě algoritmů s konečnou (FIR) nebo nekonečnou (IIR) impulsní odezvou do programovatelných polí nebo signálových procesorů, což však z pochopitelných důvodů již přesahuje rámec popisovaného SW FilterPro. Pro pořádek se ještě sluší poznamenat, že digitální filtrace může být klidně dvoustého řádu a přesto v mnoha případech nenahradí poctivý analogový filtr se všemi jeho nectnostmi a škodolibostmi. Náležitá, byť jednoduchá filtrace se vřele doporučuje i v případě A/D konverze, zpracovávající výlučně stejnosměrné signály.

Celý SW ke stažení zabírá 2,78 MB. Prostředí je přehledné a brzy se v něm zorientujete. Skutečně, nemá smysl popisovat krok za krokem samotný návrh. Zmíníme tedy pouze základní rysy a vlastnosti.

Samotné okno programu se skládá z pružné nápovědy ve svém levém horním rohu, následuje frekvenční osa na které se vykreslují aktuálně vypočtené charakteristiky a finální schématický návrh operačních zesilovačů včetně hodnot RC sítě.

Program nabízí celkem šest druhů kmitočtových filtrů (Passband)

Řád filtru (Poles) je omezen číslem 10, což pro běžné aplikace zcela dostačuje. Pochopitelně nechybí místo pro volbu mezního kmitočtu (Cutoff Freq.), příp. činitele jakosti (Q, Quality Factor).

V rozevíracím seznamu typu obvodu (Circuit Type) dostáváme k výběru mezi

Volba Filter Type zase nabízí sedm dalších možností v otázce aproximací

Chebychev dále umožňuje zadat parametr zvlnění (Ripple) v dB. Cursor Freq. pak posouvá s kurzorem po kmitočtové ose, příp. mění výpočet odezvy (Response) v tabulce níže.

V sekci Value Display volíme mezi

Posledně zmíněná užitečná analýza ve schématu zobrazí, jaký vliv bude mít na mezní kmitočet Fn a činitel jakosti Q navýšení konkrétního odporu nebo kapacity o +1 % v důsledku tolerance a ujíždění parametrů pasivní sítě. Zejména kondenzátory budou vnášet poměrně zásadní chyby v důsledku svých větších přípustných odchylek.

Přesně vypočítané hodnoty lze nechat zaokrouhlit v rámci běžně užívaných řad. Volba Components nabízí pro rezistory (Res.)

Pro kapacity (Cap.) s radostí vystačíme s

Pro přesné aplikace je vhodné zvolit požadovanou řadu precizních kondenzátorů (např. E6), mnohdy v provedení SMD a nechat k nim dopočítat přesnou hodnotu odporu, kterou není problém laserově dotrimovat prostým dorovnáním na přesně vypočtenou hodnotu v rámci zákaznických hybridních integrovaných obvodů, případně jinak upravit při aktivních kalibracích v závislosti na měření frekvenčních a fázových charakteristik konkrétního vzorku filtru. 

V rámci Optional Entry můžeme např. zadat své konkrétní hodnoty kapacit kondenzátorů a nechat právě k nim dopočítat vše ostatní. Tato možnost je velmi užitečná v případě, kdy máme k dispozici omezené hodnoty dostupných kapacit. Vzhledem k ceně těch preciznějších a stabilnějších se ostatně ani není čemu divit. Pokud se zadáním hodnoty dostaneme mimo povolený rozsah, můžeme zkoušet dostupné kondenzátory spojovat do série, paralelně nebo kombinovaně a dosáhnout tak požadovaných hodnot z přípustného rozsahu. Kapacity z jednoho „kotouče“ budou mít navíc lépe předvídatelné vlastnosti než několik různých položek z ještě odlišnějších sérií. Obdobným způsobem se také můžeme zamyslet nad samotnou velikostí odporu nebo kapacity. Zcela pochopitelně tak automaticky nebudeme akceptovat první hodnotu, které se nám dostává, třeba 10 pF apod.

Vypočtená tabulka v pravém dolním rohu konečně zobrazuje celkový přehled, odezvu na zvolené frekvenci a oddělené součty, resp. součiny pro jednotlivé bloky vícestupňových filtrů. Přehledně také můžeme sledovat vliv zaokrouhlování vypočtených hodnot R a C na vlastnosti filtru. Z parametrů dostáváme

Další volby nabízí samotné menu programu, umístěné v levém horním rohu.

Filtr je navržen, ale...

Máme-li tedy filtr navržený přesně na míru zadané aplikace, nastává čas pro výběr vhodného aktivního prvku. Není třeba zdůrazňovat, že „odfláknutý“ výběr operačního zesilovače se později dokáže hezky mstít, v lepším případě pouze vyšší cenou, kdy zcela nevyužijeme všechny draze zaplacené přednosti. V opačné situaci začnou ihned po zapnutí napájení promlouvat do užitečného signálu kdejaké závažné nelinearity, offsety, drifty a zkomírající rychlosti přeběhu.

Protože se bez nadsázky jedná o poměrně obsáhlé téma, které již nejednoho vývojáře prakticky proškolilo nejen ze základů teoretické elektrotechniky, ale také v otázce míry vlastní pokory a trpělivosti, vyplatí se pozorně pročítat datasheety a aplikační poznámky, případně také konzultovat zamýšlený výběr s maximálně vstřícnými aplikačními inženýry daného výrobce polovodičů, kteří častokrát stojí při samotném vývoji daného obvodu a mohou mu tak rozumět daleko více než kdokoli jiný, byť by si kdokoli jiný sebevíce myslel něco přesně opačného.

Volba tak docela dobře může padnout třeba na řadu rail to rail operačních zesilovačů Analog Devices AD8605/AD8606/AD8608. 

Ikdyž se pochopitelně ani nemůže jednat o univerzální řešení, přesto lze těmito single supply obvody s přehledem vyřešit potřebu aktivního prvku v řadě kmitočtových filtrů, ke kterým je výrobce s čistým svědomím doporučuje nejen díky použité technologii DigiTrim (R). Zejména čtyřnásobný obvod AD8608 dokáže vhodně pokrývat zvýšenou potřebu jednotlivých operačních zesilovačů ve filtrech vyšších řádů. V případě celkového počtu aktivních prvků, který pak nebude celým násobkem čtyřech, můžeme chybějící řády doplnit dvojnásobným (AD8606) nebo také jednoduchým (AD8605) zesilovačem, třeba v pouzdru SOT-23. Zmíněná řada obvodů je také výrobcem doporučována např. pro spolupráci s 16bitovým, 250 kSPS ADc AD7694, který se také nerad vzdává potřeby antialiasingového filtru na svém analogovém vstupu.

Některá pouzdra operačních zesilovačů řady AD860x

Pro jednoduché a nenáročné aplikace může být zmíněná řada příliš „luxusní“, v jiných náročných a precizních aplikacích zase může tvořit zdroj největších chyb a těžce nedostačovat.

V mnoha případech sériové výroby precizních analogových kmitočtových filtrů vyšších řádů se vyplatí využít služeb specializovaných společností, např. HC electronics, s.r.o. a jejich zkušeností s výrobou nejen v rámci tlustovrstvých hybridních technologií. Na malou plochu s pájitelnými vývody se tak může začlenit zejména celý precizně a aktivně nakalibrovaný filtr spolu s operačními zesilovači a třeba i A/D převodníkem, jeho referencí nebo čímkoli dalším. Využijeme-li možnost kovového zapouzdření, lze navíc celek vhodně odstínit. Pro běžné bastlení zbytečný luxus, pro větší a preciznější série ideální postup a to zejména v případě měřicí techniky, která obsluhuje celou řadu analogových vstupů a jejich následných filtrů, které navzdory svému řádu musí vykazovat dostatečně vysokou přesnost a stabilitu nejen samy o sobě a pro sebe, ale také a zejména mezi sebou navzájem.

Závěr:

Ač se to na první pohled nemusí zdát, „bleskový“ nástroj FilterPro není samospasitelný a v případě vážnější práce nenahrazuje těžce nabyté teoretické znalosti a praktické zkušenosti včetně zdravého „selského“ rozumu a úsudku. Pokud však vývojář ví, co potřebuje navrhnout a s dostatečnou mírou jistoty sobě vlastní navíc dokáže zdůvodnit tu či onu konkrétní volbu, vytvoří program skvělého parťáka do pestrobarevné nepohody všedního vývojářského života.

Download a odkazy:

• Domovská stránka FilterPro

• Domovská stránka Texas Instruments v češtině  

• Domovská stránka Analog Devices  

• Domovská stránka HC electronics, s.r.o.  

• Kmitočtové filtry (BEN)