novice

Kako filtrirati nizkotonski filter Square Wave

QUICKIE - Kako filtrirati (rasporediti) iteme u Minecraftu?! :) (Januar 2019).

Anonim

Kako filtrirati nizkotonski filter Square Wave


Ta članek, del Analog Circuit Collection AAC, predstavlja vezje, ki je dobra izbira, ko morate odstraniti visokofrekvenčni hrup iz digitalnega signala.

Filtri se ponavadi razpravljajo v kontekstu analognih signalov: odstranjevanje hrupa iz zvoka, izbira kanala ali zavrnitev slike v RF sistemih, zavrnitev linijske frekvence v medicinskih napravah, preprečevanje vzdolžnosti v ADC tokokrogih in tako naprej. Vendar pa na digitalne signale lahko vpliva tudi hrup, čeprav je digitalna komunikacija po naravi večja od hrupa, kot je analogna komunikacija, lahko pride do časov, ko želite čiščenje digitalne valovne oblike na neki točki v verigi signalov.

Ena možna aplikacija se mi zdi, ker sem jo omenila v nedavnem članku o tem, kako uporabiti kodiranje Manchester. Predstavil sem osnovno vezje (samo vrata XOR), ki se lahko uporabijo za pretvorbo normalnega digitalnega signala v signal Manchester, vendar sem tudi poudaril, da je pristop XOR dovzeten za lažne prehode. Nato sem predlagal, da bi sistem v nekaterih primerih lahko premagal te (višje frekvence) lažne prehode s pomočjo nizkopasovnega filtra.

Drug primer, v katerem boste morda želeli filtrirati digitalni signal nizko, je, če uporabljate SPI, I2C ali UART za prenos podatkov med različnimi deli robota. Prehodni hrup, ki ga ustvarjajo elektromehanske naprave ali visokotokovni pogonski tokokrog, je lahko dovolj resen, da v vaših digitalnih komunikacijah povzroči občasno (ali ne tako občasno) napako - predstavljam nekaj podobnega žice UART, ki je povezana med dvema ločenima PCB-ji in mora potekati nevarno blizu brušenega DC motorja. Morda boste lahko s tem filtrom preprečili ta šum, še posebej, če vaše zahteve za prenos podatkov omogočajo uporabo nizke hitrosti prenosa podatkov.

Izogibanje izkrivljanju

Morda se sprašujete, zakaj potrebujete nekakšen poseben filter za digitalni signal. Kaj je tako drugače pri nizkopasovnem filtriranju digitalnega valovnega formata v primerjavi z nizkopasovnim filtriranjem analogne valovne oblike "// www.allaboutcircuits.com/textbook/alternating-current/chpt-7/square-wave-signals/" target = "_ blank "> Fourierova transformacija. Če živite v frekvenčni domeni, digitalna valovna oblika dejansko ni digitalna valovna oblika. To je kombinacija dolgega (teoretično neskončnega) zaporedja sinusoidov z različnimi frekvencami in različnimi amplitudami. Ko so ti sinusoidi popolnoma poravnani, je rezultat normalna kvadratna (ali pravokotna) valovna oblika. Kljub temu, da niso usklajeni, na koncu pridejo izkrivljene kašaste stvari, ki v resnici niso kvadratni vali, prav tako pa zagotovo niso sinusni valovi.

Poglejmo si primer. Naslednje vezje je nizkoprepustni filter Butterworth četrtega reda (za ustvarjanje vrednosti sestavnih delov sem uporabil čarovnik za filtriranje Analog Devices):

Klikni za povečavo.

Tukaj je frekvenčni odziv:

Če uporabljam to vezje za filtriranje kvadrata 10 kHz, je to rezultat:

Problem je v tem, da filter Butterworth nima linearnega faznega odziva - z drugimi besedami, spremembe faznega prehoda so tako, da različne frekvence doživljajo različne časovne zamude. Tako se frekvenčne komponente v kvadratnem valu ne premikajo, ko se premikajo skozi filter, končni rezultat pa je prekoračitev / spodnja slika, ki jo vidite na dvignjenem / spuščenem robu.

Preseganje, ki je prisotno v zgornji ploskvi, ni grozno, vendar se celoten videz valovne oblike poslabša, ko se obdobje zmanjša:

Upoštevajte tudi, da bo zvonjenje postalo hujše, ker se bo povečal zaporedje filtra.

Besselov filter

Te težave lahko rešimo z uporabo Besselovega filtra. V uvodu sem rekel, da ta članek predstavlja "vezje", vendar je to nenatančno, ker sam Bessel vezje (tj. Razporeditev komponent) ni drugačen od Butterworthovega kroga ali vezja Chebysheva. Kaj spremeni stopnjo filtriranja drugega reda v filter Bessel (ali Butterworth ali Chebyshev) so vrednosti komponent, ki so izračunane tako, da ustvarijo frekvenčni odziv, ki ustreza tem vrstam filtrov. Bilo bi dobro intelektualno vajo za določitev teh sestavnih vrednosti z uporabo filtrirnih tabel, v "resničnem svetu" ciljno naravnanega inženiringa pa je težko tekmovati s programsko opremo, kot je zgoraj omenjeno orodje Analog Devices.

Besselov filter je optimiran za odziv linearne faze, zaradi česar je idealen za zmanjšanje zvonjenja v digitalnih signalih. Zvonjenje, prekoračitev, popačenje, čas poravnave - to so vsi izrazi, ki jih lahko uporabimo pri sklicevanju na spremembo filtriranega digitalnega valovoda, vendar je pomembno zapomniti pravi vzrok te spremembe: nelinearni fazni odziv, ki ustvarja časovno ločitev med Fourierjeve frekvence, ki tvorijo kvadratni val.

Naslednje vezje ima štiri pole, tako kot prejšnje, in frekvenca izklopa je enaka. Vrednosti komponent pa so izbrane tako, da namesto odziva Butterworth ustvarijo odgovor Bessel.

Klikni za povečavo.

Tukaj je ploskev Bode:

Naslednja grafična podoba vključuje oblike časovne domene tako za filtre Butterworth kot za Besselove filtre; lahko vidite, da Besselov filter močno zmanjša izkrivljanje.

Klikni za povečavo.

Zaključek

Razpravljali smo o konceptu nizkopasovnega filtriranja za digitalne signale in nato pogledali na neželene učinke, ki jih proizvaja filter, ki nima linearnega faznega odziva. Zaključili smo z uvedbo Besselovega filtra, ki je optimiziran za odziv na linearno fazo in ki jasno zmanjša količino zvonjenja v valovni obliki časovne domene. V tem članku smo uporabili topologijo Sallen-Key za naše filtrirne stopnje drugega reda, vendar pa je mogoče ustvariti Besselove filtre samo z uporabo pasivnih komponent.

Brezplačno prenesem mojo shemo LTspice s klikom na oranžni gumb. To vam bo prihranilo nekaj časa, če želite preizkusiti in analizirati prilagojen Besselov filter.

Shema LTspice