Материал: Самосадный Автоматизированное проектирование устройств систем сбора-обработки Ч2 2015

Рис. П3.6. Характеристики работы схемы фильтра в частотной области

В средней части рис. П3.6 представлена фазо-частотная характеристика фильтра (ФЧХ) для выходного напряжения V(Out). В действительности представлена одна и та же характе-

ристика, так как с точки зрения обработки сигналов в постпроцессоре PROBE записи P(V(OUT)) и VP(OUT) определяют формирование одной и той же кривой.

Примечание.

Запись P(V(OUT)) обеспечивает построение кривой, получаемой путем специальной математической обработки данных или сигналов в постпроцессоре. В ряде версий пакета программ допускается вывод только одной подобной кривой в каждом графике характеристик.

ФЧХ показывает величину задержки сигналов, фазового сдвига для представленных частот сигналов или фазовый угол (угол сдвига фаз) в градусах, Phase angle (deg). В нашем слу-

чае ФЧХ для выходного напряжения корректно показывается до частот около 100 кГц, после чего наступает деградация характеристики, вызванная:

•некорректной работой ОУ в частотном диапазоне выше 100 кГц500 кГц;

•некорректной работой модели ОУ для расчета ФЧХ в ВЧ-области.

В нашем случае, такая некорректность в работе (или представления характеристик) допустима, так как в области частот выше 100 кГц происходит сильное ослабление реальных сигналов до величин менее 0,01 от исходных величин сигналов. Вместе с тем, в ряде случаев при проектировании точных устройств, необходимо учитывать влияние ВЧ-составляющих сигналов на выходе ФНЧ и на входе в АЦП.

Примечание.

Выбор фильтра Баттерворта обусловлен в нашем случае требованием максимально плоской АЧХ в полосе пропускания сигнала в сочетании с высокой крутизной характеристики, крутизной затухания (крутизна АЧХ вне полосы пропускания), при гарантированной «гладкости» характеристики, особенно вблизи частоты среза. Фильтр Баттерворта не обеспечивает формирование постоянного фазового угла вблизи частоты среза в зависимости от порядка фильтра. Для фильтра первого порядка фазовый угол для частоты среза оставляет -45°, для фильтра второго порядка фазовый угол составляет -90°, а для фильтра третьего порядка с ослаблением -60 дБ/декада фазовый угол -135°. Фильтр третьего порядка может быть получен каскадированием фильтров первого и второго порядков.

177

Для сравнения полученных характеристик АЧХ и ФЧХ с точными расчетными значениями, эти точные значения коэффициента усиления (ослабления) сигнала и фазового угла для выходного напряжения представлены в табл. П3-1.

Таблица П3-1 Точные расчетные значения коэффициента усиления G по амплитуде и фазового угла φ

для выходного напряжения ФНЧ Баттерворта

Примечания к табл. П3-1.

1)Частота среза ωС [рад.] вычисляется по формуле ωС=2π∙fC, где fC в Гц.

2)ФНЧ первого порядка обеспечивает спад характеристики -20 дБ/декада и представляет собой интегрирующую RC-цепочку (при реализации ФНЧ на практике). Фазовый угол для ВЧ-сигналов приближается к величине 90°.

3)ФНЧ второго порядка обеспечивает спад характеристики -40 дБ/декада и на практике может быть представлен проектируемой нами схемой. Фазовый угол для ВЧ-сигналов приближается к величине 180°.

Внижней части рис. П3.6 представлена ФЧХ фильтр для выходного тока ОУ I(U1A:OUT) и I(RLOAD). Фазовый сдвиг 90° наблюдается вблизи частоты среза, а положе-

ние «нулевого сдвига фаз» - вблизи 83 кГц. Как и в случае с ФЧХ для напряжений наблюдается сильный уход вниз характеристики для I(RLOAD) при частотах выше 100 кГц.

Итак, получены следующие характеристики:

•задержка распространения сигналов вблизи частоты среза соответствует фазовому углу (фазовому сдвигу) в 90°;

•задержка распространения сигналов в ВЧ-области спектра приближается к величинам, соответствующих фазовому углу 180°.

Выходные характеристики анализа AC Sweep (Noise) для схемы фильтра проекта A_Filt представлен на рис. П3.7.

178

Рис. П3.7. Выходные характеристики анализа AC Sweep (Noise) схемы ФНЧ

В верхней части рис. П3.7 представлена АЧХ фильтра V(Out). В средней части рис. П3.7 показана суммарная спектральная плотность выходного шума NTOT (ONOISE) и представ-

лены парциальные спектральные плотности выходного шума для отдельных компонентов

NTOT(R1), NTOT(R2), NTOT (Rfb), NTOT (RLoad). Из этих характеристик видно, что наи-

больший вклад в формирование уровня шума схемы вносит резистор Rfb.

В нижней части рис. П3.7 представлена зависимость V(ONOISE), которая задает уровень напряжения шума на выходе, равный корню квадратному из спектральной плотности напряжения внутреннего шума.

Из представленных графиков видно, что: NTOT(ONOISE)≈V2(ONOISE).

Оценка величины шумовой дорожки на выходе устройства из-за влияния собственных шумов схемы представлена на рис. П3.8.

Рис. П3.8. Результаты оценки получающейся шумовой дорожки (среднеквадратичные значения) в диапазоне частот до 1 ГГц

179

В соответствии с полученными данными (см. рис. П3.8) расчетные значения среднеквадратичных величин шумов резко увеличиваются с ростом частоты и достигают величин 1 мВ. В идеальном для расчета случае кривая V(ONOISE) должна подходить к оси X достаточно монотонно или заканчиваться на оси. В нашем случае, этого не происходит, кривая V(ONOISE) не достаточно явно уменьшает свои значения вплоть до 1ГГц. Это приводит к тому, что расчетные значения среднеквадратичных величин шумов резко увеличиваются с ростом частоты и достигают величин 1 мВ.

Реальные пиковые значения амплитуды шумов могут лежать в диапазоне 6-7 мВ. Сами по себе эти величины несколько великоваты для такой схемы. С другой стороны не учитывается тот факт, что для данной схемы нельзя брать определенный интеграл при расчете шумов во всем интервале частот, достаточно ограничится диапазоном до 1-10 МГц. Это необходимо делать, в том числе и по причине ограничения полосы пропускания сигналов входным буфером АЦП (схемой УВХ). В этом случае пиковые значения шумов уменьшаются до 900 мкВ

(см. рис. П3.9).

Рис. П3.9. Результаты оценки получающейся шумовой дорожки (пиковые значения) в диапазоне частот до 10 МГц

Диапазон входных сигналов АЦП ±10 В. В случае использования 10-разрядных АЦП, 1 МЗР выходных данных соответствует величине входного напряжения до 20 мВ. В случае использования 12-разрядных АЦП, 1 МЗР выходных данных соответствует величине входного напряжения до 4,9 мВ.

Для регистрации полезного сигнала уровень собственных шумов ФНЧ на входе в АЦП представляется удовлетворительным.

Итак, получены следующие характеристики и особенности работы схемы:

•оценка пиковых значений шумов показывает их величину до 900 мкВ в полосе до 10 МГц и до 7 мВ в диапазоне до 1 ГГц;

•наибольший вклад в формирование уровня шума схемы вносит резистор Rfb, в связи с этим может быть рассмотрена возможность модификации схемы ФНЧ с целью снижения уровня парциального шума от этого резистора;

•для регистрации полезного сигнала уровень собственных шумов ФНЧ на входе в АЦП с разрядностью 10-12 представляется удовлетворительным.

180