دوائر تصفية الشق مع تفاصيل التصميم

في هذه المقالة نمر بمناقشة تفصيلية حول كيفية تصميم مرشحات الشق بتردد مركزي دقيق ولأقصى تأثير.

حيث يتم استخدام مرشح الشق

عادةً ما تُستخدم دارات مرشح الشق لقمع أو إبطال أو إلغاء نطاق معين من الترددات لتجنب التداخل المزعج أو غير المرغوب فيه داخل تكوين الدائرة.

يصبح مفيدًا على وجه التحديد في المعدات الصوتية الحساسة مثل مكبرات الصوت وأجهزة الاستقبال الراديوية حيث يلزم التخلص من عدد واحد أو عدد محدد من الترددات المتداخلة غير المرغوب فيها من خلال وسيلة بسيطة.

تم استخدام مرشحات الشق النشطة بشكل نشط خلال العقود السابقة لتطبيقات مكبر الصوت والصوت للقضاء على تداخلات همهمة 50 و 60 هرتز. كانت هذه الشبكات على الرغم من أنها محرجة إلى حد ما من وجهات نظر ضبط التردد المركزي (f0) والتوازن والاتساق.

مع إدخال مكبرات الصوت الحديثة عالية السرعة ، أصبح من الضروري إنشاء مرشحات عالية السرعة متوافقة يمكن استخدامها لمعالجة ترشيح التردد عالي السرعة بمعدل فعال.

سنحاول هنا التحقيق في الاحتمالات والتعقيدات المرتبطة بها التي ينطوي عليها صنع مرشحات من الدرجة الأولى.

خصائص مهمة

قبل الخوض في الموضوع ، دعونا أولاً نلخص الخصائص المهمة التي قد تكون مطلوبة بشكل صارم أثناء تصميم مرشحات الدرجة العالية المقترحة.

1) قد لا يكون انحدار العمق الفارغ المشار إليه في محاكاة الشكل 1 ممكنًا عمليًا ، ولا يمكن أن تكون النتائج الأكثر كفاءة التي يمكن تحقيقها أعلى من 40 أو 50 ديسيبل.

2) لذلك ، يجب أن يكون مفهوماً أن العامل الأكثر أهمية الذي يجب تحسينه هو التردد المركزي و Q ، ويجب على المصمم التركيز على هذا بدلاً من عمق الشق. يجب أن يكون الهدف الرئيسي أثناء تصميم مرشح القطع هو مستوى رفض تردد التداخل غير المرغوب فيه ، ويجب أن يكون هذا هو الأمثل.

3) يمكن حل المشكلة المذكورة أعلاه على النحو الأمثل من خلال تفضيل أفضل القيم لمكونات R و C ، والتي يمكن تنفيذها بشكل صحيح باستخدام حاسبة RC الموضحة في المرجع 1 ، والتي يمكن استخدامها لتحديد R0 و C0 بشكل مناسب تطبيق تصميم مرشح درجة معينة.

سوف تستكشف البيانات التالية وتساعد على فهم تصميم بعض طبولوجيا مرشح الشق الداخلي:

مرشح شق مزدوج

يبدو تكوين مرشح Twin-T الموضح في الشكل 3 مثيرًا للاهتمام نظرًا لأدائه الجيد ومشاركة opamp واحد فقط في التصميم.

تخطيطي

على الرغم من أن دائرة مرشح الدرجة المشار إليها أعلاه فعالة بشكل معقول ، فقد يكون لها بعض العيوب بسبب البساطة الشديدة التي تتحملها ، كما هو موضح أدناه:

يستخدم التصميم 6 مكونات دقيقة لضبطه ، حيث يوجد اثنان منها لتحقيق نسب أخرى. إذا تطلبت هذه المضاعفات تجنبها ، فقد تتطلب الدائرة تضمين 8 مكونات دقة إضافية ، مثل R0 / 2 = 2nos من R0 بالتوازي و 2 في C0 = 2 nos من C0 بالتوازي.

لا تعمل طوبولوجيا Twin-T بسهولة مع مصادر طاقة فردية ، ولا تتوافق مع مكبرات الصوت التفاضلية الكاملة.

يستمر نطاق قيم المقاوم في الزيادة بسبب RQ<< R0 necessity which in turn may influence on the level of depth of the desired center frequency.

ومع ذلك ، حتى مع المشكلات المذكورة أعلاه ، إذا نجح المستخدم في تحسين التصميم بمكونات دقيقة عالية الجودة ، فيمكن توقع وتنفيذ ترشيح فعال بشكل معقول للتطبيق المحدد.

مرشح الذبابة

يوضح الشكل 4 تصميم مرشح Fliege Notch ، والذي يحدد بعض المزايا المميزة عند مقارنته بنظيره Twin-T ، كما هو موضح أدناه:

1) إنه يشتمل فقط على مكونين دقيقين في شكل Rs و C من أجل تحقيق ضبط دقيق للتردد المركزي.

2) أحد الجوانب الجديرة بالملاحظة حول هذا التصميم هو أنه يسمح ببعض الأخطاء الطفيفة داخل المكونات والإعدادات دون التأثير على عمق نقطة الشق ، على الرغم من أن التردد المركزي يمكن أن يتغير قليلاً وفقًا لذلك.

3) ستجد اثنين من المقاومات المسؤولة عن تحديد التردد المركزي بشكل منفصل قد لا تكون قيمهما حرجة للغاية

4) يتيح التكوين إعداد التردد المركزي بنطاق ضيق بشكل معقول دون التأثير على عمق الشق إلى مستوى كبير.

ومع ذلك ، فإن الشيء السلبي في هذا toplogy هو استخدامه اثنين من opamps ، ومع ذلك فإنه لا يمكن استخدامه مع مكبرات الصوت التفاضلية.

نتائج المحاكاة

تم إنجاز عمليات المحاكاة في البداية باستخدام إصدارات opamp الأكثر ملاءمة. ظهرت إصدارات opamp الحقيقية بعد فترة وجيزة من الاستخدام ، مما أدى إلى نتائج مماثلة لتلك التي تم اكتشافها في المختبر.

يوضح الجدول 1 قيم المكونات التي تم استخدامها للتخطيط في الشكل 4. يبدو أنه لا يوجد أي معنى في إجراء عمليات محاكاة عند أو أعلى من 10 ميغاهيرتز ، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن الاختبارات المعملية أجريت أساسًا كبداية ، وكان 1 ميجا هرتز التردد الرئيسي حيث يلزم تطبيق مرشح القطع.

كلمة عن المكثفات : على الرغم من حقيقة أن السعة هي مجرد 'رقم' للمحاكاة ، إلا أن المكثفات الحقيقية مصممة من عناصر عازلة فريدة من نوعها.

بالنسبة إلى 10 كيلو هرتز ، فإن امتداد قيمة المقاوم يلزم المكثف بقيمة 10 nF. على الرغم من أن هذا قد أدى إلى الحيلة بشكل صحيح في العرض التوضيحي ، إلا أنه دعا إلى تعديل من عازل NPO إلى عازل X7R في المختبر مما تسبب في انخفاض مرشح القطع تمامًا مع ميزته.

كانت مواصفات المكثفات 10-nF المطبقة على مقربة من القيمة ، ونتيجة لذلك كان الانخفاض في عمق الشق مسؤولاً بشكل أساسي بسبب ضعف العزل الكهربائي. أُجبرت الدائرة على العودة إلى الاحترام لـ Q = 10 ، وتم استخدام 3-MΩ لـ R0.

بالنسبة لدارات العالم الحقيقي ، يُنصح بالالتزام بمكثفات NPO. اعتبرت قيم المتطلبات في الجدول 1 اختيارًا جيدًا بالتساوي في عمليات المحاكاة وفي تطوير المختبر.

في البداية ، تم إجراء عمليات المحاكاة بدون مقياس جهد 1 kΩ (تم ربط المقاومات الثابتة 1 kΩ على وجه التحديد في المزامنة ، وإلى المدخلات غير المقلوبة من opamp السفلي).

يتم عرض مخرجات العرض التوضيحي في الشكل 5. ستجد 9 أجزاء من النتائج في الشكل 5 ، ومع ذلك قد تجد أن أشكال الموجة لكل قيمة Q تتداخل مع تلك الموجودة في الترددات الأخرى.

حساب تردد المركز

يكون التردد المركزي في أي ظرف من الظروف أعلى بشكل معتدل من هدف الهيكل البالغ 10 كيلو هرتز أو 100 كيلو هرتز أو 1 ميجا هرتز. يمكن أن يكون هذا أقرب ما يمكن للمطور الحصول عليه باستخدام المقاوم المقبول E96 ومكثف E12.

فكر في الموقف باستخدام درجة 100 كيلو هرتز:

f = 1 / 20R0C0 = 1 / 2π x 1.58k x 1nF = 100.731 كيلوهرتز

كما يمكن رؤيته ، تبدو النتيجة قليلاً من العلامة ، ويمكن تبسيط ذلك بشكل أكبر وجعله أقرب إلى القيمة المطلوبة إذا تم تعديل مكثف 1nF بمكثف قيمة قياسي E24 ، كما هو موضح أدناه:

و = 1/2
x 4.42k x 360 pF = 100.022 كيلو هرتز ، يبدو أفضل بكثير

يمكن أن يؤدي استخدام مكثفات إصدار E24 إلى الحصول على ترددات مركزية أكثر دقة بشكل كبير في معظم الأوقات ، ومع ذلك فإن الحصول على كميات سلسلة E24 بطريقة ما قد يكون باهظ الثمن (وغير ضروري) في العديد من المختبرات.

على الرغم من أنه قد يكون من الملائم تقييم قيم مكثف E24 في الفرضية ، إلا أنه في العالم الحقيقي نادرًا ما يتم تنفيذ معظمها ، بالإضافة إلى فترات تشغيل ممتدة مرتبطة بها. سوف تكتشف تفضيلات أقل تعقيدًا لشراء قيم مكثف E24.

يحدد التقييم الشامل للشكل 5 أن الدرجة تفوت التردد المركزي بمقدار متواضع. عند قيم Q الأقل ، لا يزال بإمكانك العثور على إلغاء كبير لتردد الشق المحدد.

إذا كان الرفض غير مرضٍ ، فقد ترغب في تعديل مرشح الدرجة.

بالعودة مرة أخرى ، عند التفكير في سيناريو 100 كيلو هرتز ، نلاحظ أن التفاعل حول 100 كيلو هرتز يمتد في الشكل 6.

يتوافق جمع أشكال الموجة إلى يسار ويمين التردد المركزي (100.731 كيلو هرتز) مع تفاعلات المرشح ، بمجرد وضع مقياس الجهد 1 كيلو أوم وتعديله بزيادات 1٪.

في كل مرة يتم فيها ضبط مقياس الجهد في منتصف الطريق ، يرفض مرشح القطع الترددات عند التردد الأساسي الدقيق.

درجة الشق المحاكى هي في الواقع في حدود 95 ديسيبل ، ولكن هذا ببساطة ليس من المفترض أن يتحقق في الكيان المادي.

تضع إعادة محاذاة 1٪ لمقياس الجهد شِقًا يتجاوز عادةً 40 ديسيبل مباشرة على التردد المفضل.

مرة أخرى ، قد يكون هذا هو أفضل سيناريو حقًا عند القيام به باستخدام مكونات مثالية ، ومع ذلك تظهر بيانات المختبر أكثر دقة عند الترددات المنخفضة (10 و 100 كيلو هرتز)

يحدد الشكل 6 أنك بحاجة إلى تحقيق أقرب بكثير من التردد الدقيق مع R0 و C0 في البداية. نظرًا لأن مقياس الجهد قد يكون قادرًا على تصحيح الترددات على نطاق واسع ، فقد يتدهور عمق الشق.

على مدى متواضع (± 1٪) ، يمكن تحقيق رفض 100: 1 للتردد السيئ ، ومع ذلك على مدى متزايد (± 10٪) ، يكون الرفض 10: 1 فقط ممكنًا.

نتائج المختبر

تم تنفيذ لوحة تقييم THS4032 لتجميع الدائرة في الشكل 4.

إنه في الواقع هيكل للأغراض العامة يستخدم فقط 3 وصلات عبور مع تتبع لإنهاء الدائرة.

تم تطبيق كميات المكونات في الجدول 1 ، بدءًا من الكميات التي من المحتمل أن تنتج ترددًا قدره 1 ميغاهرتز.

كان الدافع هو البحث عن لوائح النطاق الترددي / معدل كبير عند 1 ميجاهرتز والتحقق من ترددات أكثر بأسعار معقولة أو أعلى حسب الحاجة.

النتائج في 1 ميغا هرتز

يوضح الشكل 7 أنه يمكنك الحصول على عدد من عرض النطاق الترددي المحدد و / أو ردود الفعل ذات المعدل الكبير عند 1 ميجاهرتز. يُظهر شكل موجة التفاعل عند Q من 100 تموجًا فقط حيث قد توجد الشق.

عند Q لـ 10 ، يوجد فقط درجة 10 ديسيبل ، وشق 30 ديسيبل عند Q من 1.

يبدو أن مرشحات الشق غير قادرة على تحقيق تردد عالٍ كما نتوقع على الأرجح ، ومع ذلك فإن THS4032 هو ببساطة جهاز 100 ميجاهرتز.

من الطبيعي توقع الوظائف الفائقة من المكونات ذات النطاق الترددي المحسن لكسب الوحدة. يعد استقرار اكتساب الوحدة أمرًا بالغ الأهمية ، لأن طوبولوجيا Fliege تحمل مكاسب وحدة ثابتة.

عندما يأمل المنشئ أن يقترب بدقة ما هو النطاق الترددي الضروري لنتش عند تردد معين ، فإن المكان المناسب للذهاب إليه هو مجموعة الكسب / النطاق الترددي كما هو معروض في ورقة البيانات ، والتي يجب أن تكون مائة مرة من التردد المركزي للشق.

قد يُتوقع عرض النطاق الترددي التكميلي لزيادة قيم Q. يمكنك العثور على درجة انحراف التردد لمركز الشق عند تعديل Q.

هذا هو بالضبط نفس انتقال التردد الذي لوحظ لمرشحات تمرير النطاق.

يكون انتقال التردد أقل بالنسبة لمرشحات الشق المطبقة للعمل عند 100 كيلو هرتز و 10 كيلو هرتز ، كما هو موضح في الشكل 8 وفي النهاية في الشكل 10.

البيانات عند 100 كيلو هرتز

تم استخدام الكميات الجزئية من الجدول 1 لاحقًا لإنشاء مرشحات درجة 100 كيلو هرتز مع Qs متنوعة.

يتم عرض البيانات في الشكل 8. يبدو واضحًا تمامًا أن المرشحات ذات الدرجة العملية يتم تطويرها عادةً بتردد مركزي يبلغ 100 كيلو هرتز ، على الرغم من حقيقة أن عمق الشق يكون أقل بشكل ملحوظ عند القيم الأكبر لـ Q.

ومع ذلك ، ضع في اعتبارك أن هدف التكوين المذكور هنا هو 100 كيلو هرتز وليس 97 كيلو هرتز.

كانت قيم الأجزاء المفضلة هي نفسها تمامًا كما في المحاكاة ، وبالتالي يجب أن يكون تردد مركز الشق تقنيًا عند 100.731 كيلو هرتز ، ومع ذلك يتم توضيح التأثير من خلال المكونات المدرجة في تصميم المختبر.

كان متوسط ​​قيمة تشكيلة مكثف 1000-pF 1030 pF ، و 1.58 kΩ مجموعة المقاوم كان 1.583 kΩ.

في أي وقت يتم فيه عمل التردد المركزي باستخدام هذه القيم ، فإنه يصل إلى 97.14 كيلو هرتز. على الرغم من ذلك ، يصعب تحديد الأجزاء المحددة (كانت اللوحة حساسة للغاية).

شريطة أن تكون المكثفات متكافئة ، فقد يكون من السهل الحصول على أعلى من خلال بعض قيم المقاوم التقليدية E96 لتحقيق نتائج أكثر إحكامًا إلى 100 كيلو هرتز.

وغني عن القول ، قد لا يكون هذا على الأرجح بديلاً في الإنتاج عالي الحجم ، حيث يمكن أن تنشأ مكثفات بنسبة 10 ٪ تقريبًا من أي حزمة وربما من جهات تصنيع مختلفة.

سيكون اختيار الترددات المركزية وفقًا لتفاوتات R0 و C0 ، وهي أخبار سيئة في حالة ضرورة وجود درجة Q عالية.

هناك 3 طرق للتعامل مع هذا:

قم بشراء مقاومات ومكثفات عالية الدقة

قلل من مواصفات Q واستقر على رفض أقل للتردد غير المرغوب فيه أو

صقل الدائرة (التي تم التفكير فيها لاحقًا).

في الوقت الحالي ، يبدو أن الدائرة مخصصة لتلقي Q من 10 ومقياس جهد 1 كيلو أوم متكامل لضبط التردد المركزي (كما هو موضح في الشكل 4).

في تخطيط العالم الحقيقي ، يجب أن تكون قيمة مقياس الجهد المفضلة أكبر قليلاً من النطاق المطلوب لتغطية النطاق الكامل للترددات المركزية قدر الإمكان حتى مع أسوأ حالات تفاوتات R0 و C0.

لم يتم تحقيق ذلك في هذه المرحلة ، لأن هذا كان مثالًا في تحليل الإمكانات ، وكان 1 كيلو أوم من أكثر جودة مقياس الجهد تنافسية التي يمكن الوصول إليها في المختبر.

عندما تم ضبط الدائرة وضبطها لتردد مركزي يبلغ 100 كيلو هرتز كما هو موضح في الشكل 9 ، انخفض مستوى الشق من 32 ديسيبل إلى 14 ديسيبل.

ضع في اعتبارك أنه يمكن تحسين عمق الشق هذا بشكل كبير من خلال توفير القيمة الأولية f0 أكثر إحكامًا إلى أفضل قيمة مناسبة.

من المفترض أن يتم تعديل مقياس الجهد على مساحة متواضعة من الترددات المركزية.

ومع ذلك ، فإن رفض 5: 1 لتردد غير مرغوب فيه أمر مقبول ويمكن أن يكون مناسبًا جدًا للعديد من الاستخدامات. يمكن أن تتطلب البرامج الأكثر أهمية بلا شك أجزاء عالية الدقة.

قد تكون قيود النطاق الترددي Op amp ، التي لديها القدرة على تقليل حجم الشق المضبوط بشكل إضافي ، مسؤولة أيضًا عن إيقاف درجة الشق من أن تصبح صغيرة قدر الإمكان. مع أخذ ذلك في الاعتبار ، تم تعديل الدائرة مرة أخرى لتردد مركزي يبلغ 10 كيلو هرتز.

النتائج عند 10 كيلو هرتز

يحدد الشكل 10 أن وادي الشق لـ Q لـ 10 قد زاد إلى 32 ديسيبل ، ويمكن أن يكون ذلك من خلال ما يمكنك توقعه من التردد المركزي بنسبة 4 ٪ من المحاكاة (الشكل 6).

كان opamp بلا شك يقلل من عمق الشق عند تردد مركزي يبلغ 100 كيلو هرتز! درجة 32 ديسيبل هي إلغاء بنسبة 40: 1 ، وهذا يمكن أن يكون لائقًا بشكل معقول.

لذلك ، على الرغم من الأجزاء التي أدت إلى خطأ أولي بنسبة 4٪ ، كان من السهل إخراج درجة 32 ديسيبل عند التردد المركزي المطلوب.

الأخبار غير السارة هي حقيقة أنه للتهرب من قيود عرض النطاق الترددي opamp ، فإن أعلى تردد ممكن يمكن تصوره مع opamp 100 MHz هو حوالي 10 و 100 كيلو هرتز.

عندما يتعلق الأمر بمرشحات الدرجة العالية ، فإن 'السرعة العالية' تعتبر أصلية بحوالي مئات كيلوهرتز.

أحد التطبيقات العملية الرائعة لمرشحات الدرجة 10 كيلوهرتز هو مستقبلات AM (الموجة المتوسطة) ، حيث يولد الناقل من المحطات المجاورة صريرًا عاليًا يبلغ 10 كيلوهرتز في الصوت ، وتحديداً أثناء الليل. هذا بالتأكيد يمكن أن يصيب أعصاب المرء بينما يكون التوليف مستمرًا.

يعرض الشكل 11 الطيف الصوتي الذي تم التقاطه للمحطة دون استخدام الشق 10 كيلو هرتز واستخدامه. لاحظ أن ضجيج 10 كيلو هرتز هو الجزء الأكثر ارتفاعًا في الصوت الذي تم التقاطه (الشكل 11 أ) ، على الرغم من أن الأذن البشرية أقل عرضة لذلك.

تم التقاط هذا النطاق الصوتي في الليل في محطة قريبة استقبلت بضع محطات قوية على كلا الجانبين. تسمح شروط لجنة الاتصالات الفيدرالية FCC باختلاف معين من ناقلات المحطات.

لهذا السبب ، من المرجح أن تؤدي المزالق البسيطة في تردد الموجة الحاملة للمحطتين المجاورتين إلى جعل الضوضاء بتردد 10 كيلوهرتز متغايرة ، مما يعزز تجربة الاستماع المزعجة.

عندما يتم تنفيذ مرشح القطع (الشكل 11 ب) ، يتم تصغير نغمة 10 كيلو هرتز إلى مستوى المطابقة مثل مستوى التعديل المجاور. علاوة على ذلك ، يمكن ملاحظتها على الطيف الصوتي هي الموجات الحاملة 20 كيلو هرتز من المحطات على بعد قناتين ونغمة 16 كيلو هرتز من محطة عبر المحيط الأطلسي.

هذه ليست مصدر قلق كبير بشكل عام ، حيث يتم تخفيفها بشكل كبير بواسطة جهاز الاستقبال IF. قد يكون التردد عند حوالي 20 كيلو هرتز غير مسموع للغالبية العظمى من الأفراد في كلتا الحالتين.

مراجع: