Filtracja na Wejściu Układów Cyfrowych: Rodzaje i Zastosowania
- Szczegóły
Filtracja jest procesem przetwarzania sygnału w dziedzinie czasu, który powoduje zmiany w widmie sygnału oryginalnego, czyli w dziedzinie częstotliwości. Na ogół, filtr cyfrowy przetwarza ciąg wartości próbek dyskretnych, czyli po prostu liczby, w przeciwieństwie do filtru analogowego, który działa na sygnale ciągłym. Filtr cyfrowy może być dedykowanym układem scalonym, programowalnym procesorem bądź programem komputerowym.
Podział Filtrów Cyfrowych
Tradycyjne filtry cyfrowe występują jako jeden z dwóch typów: filtry o skończonej odpowiedzi impulsowej (FIR) i filtry o nieskończonej odpowiedzi impulsowej (IIR). Rys. 1 przedstawia podział filtrów cyfrowych na te dwie grupy. Z rysunku wynika, że filtry NOI są rekursywne, tzn. wykorzystują sprzężenie zwrotne.
Powszechnie panuje opinia, że filtry IIR to takie „zwykłe, proste” filtry, zaś FIR to jest już „coś”. I faktycznie coś w tym jest, bowiem filtry FIR, w przeciwieństwie do IIR, nie wpływają na fazę obrobionego przezeń sygnału - i jest to ich bodaj największa zaleta. Poza tym za ich pomocą można uzyskać duże nachylenie zboczy filtrów, ale niestety kosztem zwiększonej latencji (tym większej, im większe nachylenie i im niżej z częstotliwością chcemy zejść), wynikającą z konieczności przeprowadzenia dużej liczby operacji. Jednak, jak się okazuje, to owe „zwykłe, proste” filtry IIR są znacznie bardziej skomplikowanymi układami/algorytmami niż FIR.
Filtry IIR (Infinite Impulse Response)
Nie wdając się zbyt głęboko w szczegóły, filtry typu IIR do uzyskania swojej odpowiedzi impulsowej potrzebują informacji „zwrotnej”, tzn. część sygnału wyjściowego trafia z powrotem na jego wejście. Takie „rekurencyjne” działanie filtru oznacza, iż jego odpowiedź impulsowa teoretycznie nigdy nie osiąga zera. Oczywiście w praktyce jest inaczej, bowiem sygnał wyjściowy w końcu spada do poziomu szumów. Biorąc jednak pod uwagę ten fakt (iż część sygnału wyjściowego trafia na wejście) filtry IIR, w przypadku ich niewłaściwego zaprojektowania, mogą być niestabilne.
Popatrzmy jak to wygląda w praktyce. Każda „buła” na charakterystyce amplitudowej wiąże się z ujemnym (od wartości wyższych do niższych) przesunięciem fazowym, a więc zmianą charakterystyki fazowej, zaś każda „dziura” w charakterystyce amplitudowej niesie ze sobą zmianę charakterystyki fazowej o pozytywnym nachyleniu (od wartości niższych do wyższych). Zarówno filtracja dolnoprzepustowa, jak i górnoprzepustowa „produkują” ujemne przesunięcie fazowe.
Przeczytaj także: Definicja i pomiar filtracji kłębuszkowej
Osoby, dla którym tematyka charakterystyki fazowej nie jest obca, są nawet w stanie przewidzieć, jak mniej więcej będzie wyglądała charakterystyka fazowa danego układu, patrząc na przebieg charakterystyki amplitudowej i vice versa. Dotyczy to jednak tylko tzw. układów minimalnofazowych, tzn. Oznacza natomiast, iż jego charakterystyka fazowa charakteryzuje się możliwie najmniejszymi przesunięciami fazowymi towarzyszącymi zmianom charakterystyki amplitudowej. Minimalnofazowość jest często bardzo pożądaną cechą filtrów.
Ponieważ górki i dolinki na charakterystyce amplitudowej głośnika są (przeważnie) również minimalnofazowe, jako że głośniki są (również przeważnie) układami minimalnofazowymi. Oznacza to, iż korzystając z tradycyjnych filtrów analogowych lub cyfrowych IIR (a więc minimalnofazowych) jesteśmy w stanie „naprawić” nie tylko charakterystykę amplitudową, ale również i fazową, bowiem zabiegi powodujące wygładzanie przebiegu jednej skutkują też tym samym w przypadku drugiej. Patrząc z tego punktu widzenia przesunięcia fazowe wprowadzane przez filtry nie są wcale „złem koniecznym”, ale wręcz zjawiskiem pożądanym.
Filtry FIR (Finite Impulse Response)
Zasadniczą cechą charakteryzującą ten rodzaj filtrów jest to, że do uzyskania bieżącej próbki sygnału na wyjściu filtra wykorzystują one próbkę bieżącą i próbki przeszłe sygnału wejściowego, nie korzystając z żadnych przeszłych próbek sygnału wyjściowego - w przeciwieństwie do filtrów IIR (o czym już wspomniałem wcześniej). Z tego powodu nazywa się je czasem filtrami nierekursywnymi.
Nazwa ich wzięła się stąd, że filtry te dysponując skończoną liczbą różnych od zera próbek sygnału wejściowego, na wyjściu zawsze mają skończoną liczbę próbek sygnału wyjściowego. Mówiąc prościej - jeśli na wejściu filtra FIR pojawi się nagle ciąg próbek o zerowej wartości, na wyjściu również otrzymamy ciąg, którego wartości będą równe zero. Może to wydaje się oczywiste, ale np. w filtrze IIR już tak „dobrze” nie ma. Do obliczenia wartości próbek wyjściowych, czyli aby dokonać filtracji, filtr FIR korzysta z dodawania, w podobny sposób jak to się dzieje w procesie uśredniania. Zresztą sam proces uśredniania też jest filtrem, a dokładniej filtrem dolnoprzepustowym.
Filtry FIR mogą wprowadzać zmiany w przebiegu charakterystyki amplitudowej bez żadnych „efektów ubocznych” w postaci towarzyszących im przesunięć fazowych. Przebieg charakterystyki fazowej jest w tym przypadku linią zbliżoną do płaskiej, tzn. jej przebieg jest niezależny od częstotliwości (oprócz tych miejsc, gdzie „działają” filtry IIR, powodujące powstawanie górek i dolinek na charakterystyce amplitudowej). Stąd właśnie wzięło się określenie „liniowej fazy”, cechy charakterystycznej filtrów FIR, która pozwala dokonywać zmian amplitudy sygnału, bez żadnych zmian w fazie. Tak więc w przypadku filtrów minimalnofazowych przebiegi amplitudy i fazy są współzależne, zaś w przypadku FIR-ów są one niezależne.
Przeczytaj także: Webber AP8400 - wymiana filtrów
Zalety Filtrów Cyfrowych
W porównaniu do filtrów analogowych filtry cyfrowe charakteryzuje szereg zalet. Jedną z nich jest łatwość uzyskania charakterystyk częstotliwościowych o w zasadzie dowolnym kształcie w pasmie przepustowym, dużym tłumieniu w pasmie zaporowym i wąskim pasmie przejściowym, które są trudno osiągalne lub nawet niemożliwe do uzyskania w wypadku filtrów analogowych. Dlatego są one chętnie używane w zastosowaniach, które wymagają filtrowania adaptacyjnego. Polega ono na automatycznym dostosowywaniu charakterystyki filtru do zmian sygnału na wejściu, na przykład w urządzeniach telekomunikacyjnych.
Kolejna zaleta filtrów cyfrowych to możliwość uzyskania liniowej charakterystyki fazowej. Ponadto parametry filtrów cyfrowych można dobrać precyzyjniej, ponieważ nie ma na nie wpływu tolerancja wykonania elementów dyskretnych. Zaletą filtrów cyfrowych jest również łatwiejsze projektowanie oraz symulacja.
Z drugiej strony, aby filtr cyfrowy spełnił swoją funkcję w zastosowaniach wymagających przetwarzania w czasie rzeczywistym, potrzebny jest procesor DSP o odpowiedniej mocy obliczeniowej. Dlatego pasmo przenoszenia filtrów cyfrowych jest ograniczone do połowy częstotliwości próbkowania. Na to, jak długo mogą potrwać obliczenia, wpływa wiele czynników, m.in. liczba odczepów filtra.
Każdy z nich wymaga bowiem wykonania operacji mnożenia i operacji dodawania (operacji multiply-accumulate, MAC). Dlatego procesory DSP optymalizuje się pod kątem skrócenia czasu trwania tej operacji oraz implementuje w nich dodatkowe rozwiązania przyspieszające obliczenia.
Filtr z Ruchomą Średnią (Moving Average)
Najprostszą realizacją filtru o skończonej odpowiedzi impulsowej jest filtr z ruchomą średnią (moving average). Znajduje on zastosowanie w wygładzaniu sygnałów. Przykład tej struktury razem z zależnościami, które łączą w jej przypadku próbki sygnału wyjściowego z próbkami sygnału wejściowego, na przykładzie średniej czteropunktowej, przedstawiono na rysunku 2a. Wynika z niego, że próbki wejściowe x(n), odpowiednio opóźnione, po przemnożeniu przez 0,25, dodaje się do siebie. W pierwszym kroku pierwsze cztery próbki, tj. x(0), x(1), x(2) i x(3), są zapisywane w rejestrze. Następnie wielkości te są sumowane i przemnażane przez 0,25. W ten sposób wyznaczana jest pierwsza próbka wyjściowa y(3). Nowy wynik też jest przemnażany przez 0,25.
Przeczytaj także: Optymalne rozcieńczenie bimbru
Na rysunku 2c przedstawiono odpowiedź skokową filtru z ruchomą średnią. Nie występuje w niej zjawisko overshoot, co jest przydatne wówczas, gdy trzeba odfiltrować szum biały. Z rysunku 2d wynika również, że z filtrów tego rodzaju lepiej nie korzystać wówczas, kiedy wymagane jest silne tłumienie w pasmie zaporowym.
Zalety i Wady Filtrów FIR i IIR
Zarówno filtry FIR, jak i IIR mają zalety, ale i wady. Jeżeli chodzi o te pierwsze, to do ich zalet zaliczana jest możliwość uzyskania liniowej charakterystyki fazowej, to natomiast sprawia, że wszystkie składowe sygnału są jednakowo opóźniane. Dzięki temu, że nie mają biegunów w funkcji transmitancji, ich stabilność jest pewna.
Z drugiej jednak strony filtry o skończonej odpowiedzi impulsowej, których charakterystyka ma spełniać specjalne wymagania, na przykład zapewniać silne tłumienie w paśmie zaporowym i strome przejście z pasma przepustowego do pasma zaporowego, wymagają dużej liczby współczynników. Jeżeli chodzi o filtry IIR, to charakteryzuje je mniejsza złożoność obliczeniowa niż filtry SOI (wymagają mniej pamięci i wykonania mniejszej liczby operacji mnożenia i dodawania). Niestety, w związku z położeniem biegunów transmitancji możliwa jest utrata ich stabilności. Oprócz tego, w przeciwieństwie do filtrów FIR, nie można zrealizować filtru NOI, który miałby liniową charakterystykę fazową.
Projektowanie Filtrów Cyfrowych
Kolejne kroki procedury projektowania filtru cyfrowego są podobne do tych, które wykonuje się, projektując filtr analogowy. Założenie, które jest podstawą wszystkich metod projektowania filtrów ze skończoną odpowiedzią impulsową, wyjaśnia rysunek 3. Wynika z niego, że po podaniu na wejście filtru FIR sygnału impulsowego sygnałem wyjściowym filtru jest zbiór jego współczynników. W związku z tym projektowanie filtrów SOI polega w uproszczeniu na wyznaczeniu odpowiedzi impulsowej na podstawie wymaganej charakterystyki częstotliwościowej filtru, a potem kwantyzacji tej pierwszej w celu wyznaczenia jego współczynników.
Na rysunku 4 przedstawiono kolejne etapy projektowania filtru FIR metodą okien czasowych. Przebieg na rysunku 4a jest charakterystyką częstotliwościową idealnego filtru dolnoprzepustowego. W kolejnym kroku obcina się ją tak, aby uzyskać możliwą do realizacji liczbę odczepów N (rys. 4c). W celu likwidacji nieciągłości zakończeń otrzymanego przebiegu, które miałyby niekorzystny wpływ na parametry filtru, wykorzystuje się funkcję okna (rys. 4d), przez którą mnoży się odpowiedź impulsową, otrzymując przebieg z rysunku 4e. Wybór okna czasowego ma wpływ na parametry filtru.
W kolejnej metodzie należy zdefiniować funkcję H(f) i rozwinąć ją w szereg Fouriera. W ten sposób wyznacza się współczynniki filtru. Podobnie jak w pierwszym sposobie, odpowiedź impulsową kształtuje się przez zastosowanie odpowiedniej funkcji okna. Wadą tej metody jest trudność w uzyskaniu z dużą dokładnością wymaganych parametrów filtru. W programach komputerowych wspomagających projektowanie filtrów cyfrowych często implementuje się również algorytm Parksa-McClellana. Ten z kolei opiera się na twierdzeniu Remeza.
Działanie Filtrów Cyfrowych
Patrząc ogólnie na zagadnienie, można powiedzieć, że działanie filtrów cyfrowych polega na odpowiedniej manipulacji spróbkowanym sygnałem cyfrowym. Poprzez sumowanie i odejmowanie wybranych próbek przemnożonych przez odpowiednie wagi uzyskuje się pożądany kształt charakterystyki przenoszenia filtru. Do opisania zasady działania filtrów cyfrowych stosowany jest zaawansowany aparat matematyczny, zmieniający analizę sygnałów w dziedzinie czasu na dziedzinę częstotliwości (m.in. transformata Fouriera).
Przykłady Filtrów
Zobaczmy, jak działa filtr dolnoprzepustowy. Niech sygnałem wejściowym będzie liczba losowa z zakresu 0...255. Można ją traktować jako źródło szumu szerokopasmowego. Kolejne próbki składowych o wysokich częstotliwościach różnią się znacznie od siebie, bo różnica wartości kolejnych próbek odpowiada szybkości zmiany amplitudy sygnału, a więc jego częstotliwości. Zatem po ich uśrednieniu te duże zmiany zostaną zniwelowane. W ekstremalnym przypadku sygnał DC, dla którego wszystkie próbki są takie same, po uśrednieniu pozostanie niezmieniony, a taki, który składa się z ciągu 0, 255, 0, 255..., zostanie sprowadzony do stałego ciągu 127, 127, 127 - a więc wyfiltrowany.
Analogicznie dla filtru górnoprzepustowego odejmowanie kolejnych próbek zwiększa różnice ich wartości i powoduje, że tym razem sygnały wolnozmienne są obcinane. Przykładowy sygnał DC: 127, 127, 127, zostanie wyfiltrowany, bo odejmowanie kolejnych takich próbek daje na wyjściu zero. Z kolei ciąg szybkozmienny 0, 255, 0, 255 pozostanie niezmieniony.
Projektowanie Filtrów IIR
Filtry o skończonej odpowiedzi impulsowej nie mają odpowiedników analogowych. Inaczej jest w przypadku filtrów o nieskończonej odpowiedzi impulsowej. Wyróżnić można trzy najczęściej wykorzystywane sposoby projektowania filtrów IIR. Są to metody: niezmienności odpowiedzi impulsowej (impulse invariance), transformacji biliniowej (bilinear transform) oraz optymalizacji (optimizatiton method).
W metodzie transformacji biliniowej można wyróżnić kilka etapów. W pierwszym z nich należy wyznaczyć funkcję transmitancji H(s) dla analogowego prototypu filtru. Najpopularniejsze filtry analogowe to filtry typu: Butterwortha, Czebyszewa, eliptyczne oraz Bessela.
Wyróżniającą cechą filtrów Butterwortha jest maksymalnie płaska charakterystyka amplitudowa w paśmie przenoszenia. Charakterystyczną cechą filtrów Czebyszewa pierwszego typu są zafalowania w przebiegu charakterystyki amplitudowej w paśmie przepustowym i płaski przebieg tej charakterystyki w paśmie zaporowym. Filtry Czebyszewa drugiego typu mają z kolei zafalowania w przebiegu charakterystyki amplitudowej w paśmie zaporowym oraz płaski przebieg tej charakterystyki w paśmie przepustowym. Filtry eliptycznie (Cauera) mają zafalowania w przebiegu charakterystyki amplitudowej zarówno w paśmie przepustowym, jak i w paśmie zaporowym. W porównaniu do filtrów Czebyszewa o takiej samej liczbie biegunów transmitancji wyróżnia je jeszcze węższe pasmo przejściowe. Filtry Bessela (Thompsona) mają z kolei wyjątkowo płaską charakterystykę fazową. W porównaniu do innych filtrów przy tej samej liczbie biegunów transmitancji mają najmniejszą stromość charakterystyki amplitudowej.
W metodzie transformacji biliniowej płaszczyzna s na płaszczyznę z zostaje odwzorowana za pomocą przekształcenia dwuliniowego (biliniowego).
Programy do Projektowania Filtrów Cyfrowych
Dostępnych jest wiele programów wspomagających projektowanie filtrów cyfrowych. Przykładem są Scope-FIR oraz ScopeIIR firmy Iowegian International. ScopeFIR to narzędzie do projektowania filtrów SOI kilkoma metodami. Pracę z programem rozpoczyna utworzenie nowego projektu. W pierwszych dwóch do obliczeń wykorzystywany jest algorytm Parksa-McClellana, a w trzecim metoda okien. Kolejna opcja służy do projektowania filtrów FIR o charakterystyce podniesionego kosinusa i pierwiastka z podniesionego kosinusa. Ten typ filtrów często jest wykorzystywany w telekomunikacji m.in. do usuwania skutków interferencji międzysymbolowych. Następna opcja pozwala zaprojektować tzw.
Wybierając "Import/Boxcar", możemy zaimportować projekt filtru wykonany poza programem ScopeFIR albo zaprojektować prosty filtr typu "boxcar", czyli ze wszystkimi współczynnikami równymi 1. Kolejna opcja pozwala projektować filtry specjalnej klasy o maksymalnie płaskiej charakterystyce, a ostatnia filtry typu CIC (cascaded integrated-comb), nazywane też filtrami Hogenauera.
W metodzie Parksa-McClellana użytkownik powinien określić częstotliwość próbkowania (sampling frequency) i podać liczbę odczepów (number of taps), o ile ma pod tym względem konkretne oczekiwania. W przeciwnym wypadku do tego punktu trzeba wrócić po określeniu innych parametrów. Należy też podać gęstość siatki (grid density), parametr wykorzystywany w obliczeniach filtru. Domyślna wartość 16 wystarczy w większości przypadków. Trzeba też określić typ filtru (filter type): DP, GP, pasmowo-zaporowy lub pasmowo-przepustowy. Następnie można wyznaczyć liczbę odczepów filtru, wybierając przycisk estimate w sekcji numbers of taps. Opcja ta jest dostępna tylko w przypadku filtrów DP i GP. W dolnym oknie wyświetlane są charakterystyki zaprojektowanego filtru: częstotliwościowa oraz odpowiedź impulsowa, natomiast w górnej części - współczynniki filtru. Inne charakterystyki można obejrzeć, korzystając z opcji view w menu.
ScopeIIR to program do projektowania filtrów o nieskończonej odpowiedzi impulsowej na podstawie prototypu analogowego filtru Butterwortha, Czebyszewa albo eliptycznego. Podać trzeba: typ filtru, częstotliwość próbkowania, rząd filtru (w wersji testowej maks. 4), częstotliwości odcięcia, dopuszczalne tętnienia w pasmie przepustowym, tłumienie w pasmie zaporowym, wzmocnienie oraz oczekiwaną dokładność, z jaką wyznaczane będą współczynniki filtru. Jeżeli zaznaczona jest opcja automatic, wyniki będą automatycznie aktualizowane w razie zmiany przez użytkownika któregokolwiek z parametrów wejściowych.
W Internecie można również znaleźć wiele całkowicie darmowych aplikacji online to projektowania filtrów cyfrowych. Aby z niej skorzystać, należy podać częstotliwość próbkowania i wymaganą liczbę odczepów filtru oraz opisać jego pasmo przenoszenia i tłumienia (from, to, gain, ripple/att.). Po ich zakończeniu w głównym oknie aplikacji TFilter wyświetlona zostaje charakterystyka amplitudowa filtru, a w prawej części okna - lista obliczonych współczynników. Domyślnie są one prezentowane jako tekst (plain text), ale można także zmienić ich format na C/C++ array. Wówczas jest przygotowywany fragment kodu definiujący tablicę współczynników filtru. W oknie głównym aplikacji poza wykresem Gain vs. Frequency dostępna jest też zakładka, w której wyświetlana jest odpowiedź impulsowa filtru (Impulse response) oraz zakładka Source Code.
Filtry EMI
Kiedy musisz przejść testy EMC, a Twój nowy produkt jest ograniczany przez tajemnicze źródło EMI, prawdopodobnie zaczniesz rozważać całkowite przeprojektowanie produktu. Istnieje wiele różnych typów filtrów EMI, które możesz umieścić w swoim projekcie, i odpowiedni filtr może pomóc w tłumieniu EMI w różnych zakresach częstotliwości. Te obwody mogą być pasywne lub aktywne i zapewniać różne poziomy tłumienia w różnych pasmach. Najlepszy wybór filtra EMI dla Twojego projektu zależy od różnych czynników, począwszy od przestrzeni na płytce po wymaganą tłumienność.
Wszystkie filtry EMI można zaklasyfikować jako filtry pasywne i aktywne, gdzie każdy typ jest konstruowany odpowiednio z komponentów pasywnych lub aktywnych. Idąc głębiej, te różne typy filtrów celują w specyficzne typy zakłóceń: albo wspólne (common-mode) lub różnicowe (differential-mode). Oczywiście, te obwody mogą być kaskadowane, aby zapewnić filtrację obu typów EMI.
Pasywne Filtry EMI
Być może najbardziej powszechnym pasywnym filtrem EMI jest dławik ferrytowy. Jest to w zasadzie cewka z pewną pojemnością pasożytniczą, która zapewnia filtrację dolnoprzepustową do kilkudziesięciu MHz. Te komponenty mogą zapewniać filtrację EMI prowadzonego wspólnego lub różnicowego. Jeśli czytasz to na laptopie, to Twój kabel zasilający prawdopodobnie używa jednego z tych dławików do usuwania wysokoczęstotliwościowych zakłóceń na linii zasilającej.
Poniższy obraz przedstawia zbiór obwodów LC używanych jako różnicowe, pasywne filtry EMI. Te obwody filtrujące są obwodami różnicowymi, ponieważ fizycznie mielibyśmy tylko pojedyncze odniesienie dla ścieżki powrotnej. Przykładem tutaj może być urządzenie zasilane napięciem stałym z dwoma przewodami, takie jak z zasilacza laboratoryjnego lub baterii. Najprostszymi z tych filtrów są filtry C (podłączone jako kondensatory szuntowe) i filtry L (podłączone jako cewki szeregowe). Mogą być one umieszczone w krytycznym obwodzie lub na wejściu krytycznego komponentu w celu usunięcia zakłóceń w szerokim zakresie częstotliwości.
Jeśli potrzebujesz przepuścić pożądany sygnał do komponentu, tłumiąc jednocześnie wszystkie inne częstotliwości, musisz zbudować filtr pasmowoprzepustowy. Podobnie, możesz chcieć stłumić silny sygnał na pojedynczej częstotliwości (takiej jak przypadkowe emisje z anteny), co wymagałoby użycia filtra pasmowozaporowego. Należy zauważyć, że liczba elementów L/C w obwodzie określa numer filtra; budowanie filtra wyższego rzędu (tj.
Powyższą listę filtrów EMI można zbudować jako filtry typu common-mode, wprowadzając dodatkowy przewód odniesienia. Jak dobrze wiadomo, prądy typu common-mode są indukowane przez pojemności pasożytnicze do zewnętrznego odniesienia, takiego jak metal w obudowie lub jakiś zewnętrzny przewodnik (np. przez pętlę uziemienia). Prądy typu common-mode mogą również wniknąć do systemu przez jego linie zasilające, np. Poniższy obraz przedstawia układ, w którym spełnione są punkty 1 i 2.
Poniższy obwód filtru EMI dotyczy wejścia sieci AC lub wejścia DC z dwoma przewodami (+V i wspólny dla DC) z przewodem uziemiającym połączonym z obudową.
Aktywne Filtry EMI
Aktywne filtry to tranzystorowa analogia filtrów pasywnych. Te filtry używają wzmacniaczy operacyjnych i elementów pasywnych do zapewnienia filtracji w pożądanym paśmie. Mogą być również konstruowane jako filtry wyższego rzędu, aby zapewnić strome nachylenie charakterystyki z relatywnie płaskimi pasmami przepustowymi lub zaporowymi. Każdy z równoważnych podstawowych filtrów może być zbudowany z użyciem wzmacniaczy operacyjnych, a te filtry czasami są integrowane z SoC lub innymi specjalistycznymi układami scalonymi dla konkretnych zastosowań. Przykładem może być powyższy schemat z dławikiem trybu wspólnego i parą kondensatorów podłączonych do wzmacniacza operacyjnego. Funkcję przejścia wzmacniacza można następnie dostosować, dodając elementy reaktywne do pętli sprzężenia zwrotnego, chociaż należy uważać na stabilność tego typu aktywnego obwodu filtrującego EMI.
Jednym z doskonałych podręczników na ten temat jest Podręcznik projektowania aktywnych filtrów autorstwa Johna L.
Testowanie i Zgodność z Normami EMI/EMC
Testowanie i zgodność z normami EMI/EMC w tym reżimie są bardziej skomplikowane, podobnie jak urządzenia, które są projektowane i testowane. Gdy EMI z testowanego produktu stanowi poważny problem, lub gdy trudno jest rozwiązać problem EMI wewnątrz produktu, należy rozważyć bardziej zaawansowane opcje projektowe, poza wspomnianymi wyżej punktami. Chłonne powłoki konformalne mogą pomóc zapewnić dodatkową izolację, szczególnie dla EMI z krawędzi płytki przy częstotliwościach GHz. Unikalne struktury izolacyjne mogą również znacznie przyczynić się do tłumienia promieniowanego EMI między różnymi blokami obwodów w produkcie, jak również zapewnić dodatkową izolację od zewnętrznego EMI.
Bez względu na to, które typy filtrów EMI, geometrię połączeń czy techniki izolacji wybierzesz, powinieneś symulować ich wpływ na integralność sygnału, używając narzędzi do symulacji przed i po układzie.
Rozwiązywanie Problemów z EMI
Jednym ważnym punktem, który należy wziąć pod uwagę, jest to, jakie działania podjąć, gdy projekt nie przechodzi testów EMC. Za każdym razem, gdy klient prosił mnie o przerobienie jednego z ich projektów z powodu niezaliczonych testów EMC, rozwiązanie nie zawsze wymaga dodawania obwodów filtrujących. Zacznij od układu i uziemienia. Jeśli zrobiłeś wszystko poprawnie w kwestii uziemienia i trasowania, a nadal masz jakiś problem z EMI, problem może wymagać dodania nowego filtra EMI lub przeprojektowania istniejącego filtra EMI.
Dwa powyższe kroki mają na celu głównie zwalczanie EMI przewodzonego, wchodzącego lub opuszczającego system, jak również wszelkie promieniowane EMI generowane przez prądy przewodzone.
Poza wymienionymi punktami, filtracja EMI może być obowiązkowa dla niektórych systemów. Dwa przykłady to systemy precyzyjnych pomiarów i kontroli, które łączą się z sygnałami analogowymi o niskim poziomie, lub systemy wysokiej mocy łączące się z siecią.
Jeśli zdecydujesz się użyć projektów filtrów EMI lub bardziej agresywnych taktyk, takich jak osłony na poziomie płyty w swojej płycie, użyj narzędzi projektowych w Altium Designer®, aby stworzyć swój układ fizyczny i przygotować projekt do produkcji. Możesz użyć rozszerzenia EDB Exporter, aby zaimportować swój układ do solverów polowych Ansys i zlokalizować problemy z EMI w swoim projekcie.
tags: #filtracja #na #wejsciu #ukladow #cyfrowych #rodzaje
