Материал: Самосадный Автоматизированное проектирование устройств систем сбора-обработки Ч2 2015
|
|
|
|
|
Таблица П3-2 |
|
|
Оценочные характеристики точности преобразования сигналов |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
Сигналы |
|
Коэффициент гармоник |
SINAD |
ENOB |
Число достоверных |
|
|
разрядов АЦП |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V(V1) |
|
1,87∙10-6% |
154,61 дБ |
25,4 |
22 |
|
V(OUT) |
|
2,64∙10-3% |
91,57 дБ |
14,93 |
12 |
|
Примечания к табл. П3-2.
1)ENOB и число достоверных разрядов не учитывает собственные точностные характеристики АЦП.
2)Параметры для V(V1) являются грубой оценкой, более точные оценки PSpice-расчеты обеспечивают для сигналов с наличием действительных искажений.
Итак, получены следующие характеристики и особенности работы схемы:
подтверждены данные табл. П3-1, касающиеся поведения входных и выходных сигналов для сигналов с частотой 8,3 кГц, соответствующей частоте среза ФНЧ;
получена форма выходных сигналов и проведен спектральный анализ выходных сигналов, который показал наличие нелинейных искажений схемы, заключающийся в искаже-
нии спектра сигналов: снижение амплитуды основной гармоники и появление значительной постоянной и ВЧ-составляющей;
нелинейные искажения за счет передаточных характеристик схемы может приводить к ограничению числа достоверных разрядов АЦП до 12 для сигналов с частотами вблизи частоты среза ФНЧ и амплитудой 2,5 В.
4. Оптимизация схемы ФНЧ
Оптимизацию работы схемы ФНЧ будем вести по направлению снижения уровня собст-
венных шумов. Как представлено на рис. П3.7 наибольший вклад в итоговую суммарную спектральную плотность выходного шума NTOT (ONOISE) вносит составляющая NTOT
(Rfb). Снижение уровня шума от этого компонента может существенно уменьшить общий уровень шума устройства.
Снижение уровня шума от резистора Rfb можно получить за счет уменьшения величины его сопротивления. Непосредственно оптимизацию будем проводить подбором требуемых величин сопротивлений на основе полученного семейства кривых, описывающих поведение
схемы в частотной области. Каждая из кривых будет соответствовать схеме с определенной величиной Rfb. Для получения семейства воспользуемся Parametric Sweep, как дополнением к AC-анализу и Transient-анализу (см. рис. П3.14).
|
|
|
|
C2 |
|
|
|
|
|
2nF |
|
|
|
|
|
LM324 |
|
|
|
V1 |
R1 |
R2 |
|
|
|
|
|
3 |
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
13.5K |
13.5K |
|
+15 |
-15 |
V1 |
|
2 |
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
VSig |
U1A |
||
VP+ |
|
VP- |
VOFF = 0V |
|
|
15Vdc |
|
VAMPL = 2.5V |
C1 |
|
|
|
15Vdc |
|
|||
|
|
FREQ = 8.3kHz |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
0 |
0 |
|
1nF |
|
|
|
|
|||
+15 |
|
|
4 |
|
|
V+ |
|
|
|
OUT |
1 |
|
|
|
V- |
|
|
11 |
Rf b |
|
|
||
|
{RFB} |
|
-15 |
|
|
PARAMETERS:
RFB = 27K
Out
V
RLoad
10K
0
Рис. П3.14. Модель схемы активного фильтра для параметрического анализа
186
Задаем настройки профиля для AC-анализа с использованием параметрического задания (многовариантный анализ) и вариацией Rfb как набор величин в соответствии с оператором:
.STEP PARAM RFB LIST 0.1, 1K, 10K, 27K
АЧХ и суммарная спектральная плотность выходного шума NTOT(ONOISE) представлена на рис. П3.15.
Рис. П3.15. АЧХ и суммарная спектральная плотность выходного шума NTOT (ONOISE) для набора величин Rfb
На основе детального изучения семейства характеристик NTOT(ONOISE) средствами PROBE становится очевидным, что минимальный уровень шумов может быть при использовании резисторов Rfb с величинами сопротивлений в диапазоне от 0 до 1 кОм. Включение ОУ LM324 как повторителя сигналов допускает прямое соединение выхода с входом «-». Особенно большое снижение шумов при использовании Rfb в диапазоне до 1 кОм ожидается в полосе частот до 1 МГц.
Как видно из представленных характеристик, вариация Rfb в диапазоне до 27 кОм не практически приводит к изменению в АЧХ. Поэтому можно утверждать, что уменьшение Rfb до величин не более 1 кОм обеспечит:
•неизменность основных передаточных характеристик ФНЧ;
•незначительное снижение уровня шумов в полосе до 10 МГц, обеспечивающего шумовую дорожку (пиковые значения) менее 0,9 мВ (см. рис. П3.16);
•снижение уровня шумов в полосе до 1 МГц, обеспечивающего шумовую дорожку (пиковые значения) менее 0,25 мВ (см. рис. П3.16).
187
Рис. П3.16. АЧХ, NTOT (ONOISE) и итоговые пиковые значения для набора величин Rfb
Форма выходных сигналов при вариации Rfb как списка значений, представлена на рис.
П3.17.
Рис. П3.17. Форма сигналов на входе и выходе схемы для Rfb 0,1 и 1 кОм
Указанный список задается оператором:
.STEP PARAM RFB LIST 0.1, 1K, 10K, 27K
Как видно из рис. П3.17 форма сигналов на выходе ФНЧ, амплитуда и задержки распространения сигналов визуально остаются неизменными при вариации Rfb.
Для каждого из значений Rfb рассчитывались величины коэффициента K (см. формулу П3-2). Данные об этих расчетах сведены в таблицу, см. табл. П3-3.
188
Таблица П3-3
Значения коэффициента К при вариации Rfb
Rfb |
Значения К для сигналов |
||
|
|
||
V(V1) |
V(OUT) |
||
|
|||
0,1 |
5,49∙10-6 % |
2,64∙10-3% |
|
1 кОм |
5,49∙10-6 % |
2,64∙10-3% |
|
10 кОм |
5,49∙10-6 % |
≈2,64∙10-3% |
|
27 кОм |
5,49∙10-6 % |
≈2,64∙10-3% |
|
Примечание к табл. П3-2.
Более точное значение коэффициента К, полученного при расчетах для Rfb=27 кОм составляет величину:
TOTAL HARMONIC DISTORTION = 2.638792E-03 PERCENT
Величины коэффициента К, представленные в табл. П3-3, показывают, что нелинейные искажения для выходных сигналов при вариации Rfb находятся, приблизительно, на одном и том же уровне и являются допустимыми для работы схемы. При таких нелинейных искажениях число достоверных разрядов АЦП может достигать 12.
Наблюдается незначительное уменьшение коэффициента K при Rfb=27 кОм, что может объясняться разбросом значений при расчетах. В действительности, в нашем случае резуль-
таты расчетов шумов в анализе AC Sweep не могут напрямую влиять на изменение спектральных характеристик сигналов в Transient-анализе.
Итак, получены следующие характеристики и особенности работы схемы:
рекомендуется уменьшить величину сопротивления Rfb до 1 кОм и менее или отказаться от установки этого резистора в петлю обратной связи ОУ LM324;
за счет снижения величины сопротивления Rfb можно уменьшить уровень шумов на выходе ФНЧ менее 0,25 мВ (пиковые значения) в полосе до 1 МГц;
варьирование резистора Rfb не оказывает практического влияния на форму сигналов на
выходе ФЧХ, амплитуду и задержки распространения сигналов, а также на спектральный состав сигналов.
5. Оценка устойчивости работы схемы
Проводится проверка на устойчивость схемы к вариациям параметров компонентов из-за разброса величин сопротивлений и емкостей. Модель схемы для подобной проверки представлена на рис. П3.18.
C2-1 10%
1nF +15 
C2-2 |
10% |
|
R1-1 |
R2-1 |
1nF |
|
|
V1 |
|
|
LM324 |
4 |
|
27K 5% |
27K 5% |
|
|
|
|
|
3 |
+ |
V+ |
||
|
R1-2 |
R2-2 |
|
||
|
|
|
|
||
|
|
27K |
5% |
27K |
5% |
2 |
|
V- |
+15 |
-15 |
V1 |
|
|
|
- |
||
|
|
C1 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
VSig |
1nF |
U1A |
11 |
|
|
|
|
|||
VP+ |
|
VP- |
VOFF = 0V |
10% |
|
|
15Vdc |
|
VAMPL = 2.5V |
|
|
|
|
|
15Vdc |
|
|
|
||
|
|
FREQ = 8.0kHz |
|
-15 |
||
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
||
0 |
0 |
|
0 |
|
|
|
0
1
OUT
Rf b
1K
5%
Out
V
RLoad
10K
Рис. П3.18. Модель схемы активного фильтра для статистического анализа
189
Как видно из рис. П3.18 конденсаторы схемы имеют разброс (точность) 10% и резисторы - 5%. Для таких разбросов параметров в соответствии гауссовым распределением, АЧХ устройства при проведении анализа по методу Монте-Карло показана на рис. П3.19.
Рис. П3.19. АЧХ схемы ФНЧ при анализе по методу Монте-Карло и точности конденсаторов 10% и резисторов - 5%
Как видно из рис. П3.19 в некоторых случаях из-за разброса параметров фильтр Баттерворта может быть преобразован в фильтр, аналогичный фильтру Чебышева, с резким выбросом АЧХ в области вблизи частоты среза. Такое нарушение плоскости хода АЧХ может приводить к существенным искажениям формы сигналов, спектрального состава сигналов и значительным нелинейным искажениям сигналов. Помимо этого изменения касаются также значения частоты среза.
Поведение схемы во временной области для АЧХ, представленной на рис. П3.19 показано на рис. П3.20.
Рис. П3.20. Вариации формы выходных сигналов схемы ФНЧ при анализе по методу МонтеКарло и точности конденсаторов 10% и резисторов - 5%
Как видно из рис. П3.20 для 8 кГц-сигналов возможен достаточно сильный разброс по
амплитуде и появление разброса задержек. Кроме тог возможно резкое увеличение нелинейных искажений сигнала. Одно из полученных значений для ДПФ при проведении Transient-
анализа представлено ниже.
TOTAL HARMONIC DISTORTION = 1.651577E-02 PERCENT
По сравнению с данными таблицы П3-3 наблюдается рост КНИ почти на порядок.
190