پردازش سیگنال آنالوگ به روش دایدالوس

پیشگفتار

الکترونیک آنالوگ دانشی است که نمی‌توان آن را منسوخ کرد و تا درک صحیحی از آن نباشد، قادر نخواهیم بود به‌طور صحیح و اصولی کاری را به سرانجام برسانیم.

شوربختانه اشتیاق شدید جوان‌تر ها به سخت‌افزار دیجیتال رده‌بالا باعث غفلت آنها از الکترونیک آنالوگ شده است.

اگر بخواهیم از الکترونیک ناب سخن بگوییم، مبحث الکترونیک آنالوگ همواره عرض‌اندام می‌کند! و برای یک مهندس الکترونیک اجتناب از الکترونیک آنالوگ غیرممکن است و در هر حال روزی مدارات آنالوگ راه را بر شما سد خواهند کرد

اجازه دهید یک مثال بزنیم:

فرض کنید در حال کار بر روی یک پروژه آشکارسازی و نمایش امواج قلب هستید. یک تقویت‌کننده عالی دارید و سیگنال قلب را به مبدل A/D یک پردازنده اعمال کرده‌اید ولی نویزهای مزاحم برق شهر مانع از ادامه کارتان می‌شود. به مدیر پروژه مراجعه می‌کنید و پاسخی که دریافت می‌کنید این است:

برو یه فیلتر براش طراحی کن!

جستجو می‌کنید و در فکر این هستید از یک پردازنده DSP برای فیلتر کردن امواج استفاده کنید… نتیجه را به مدیرتان گزارش می‌کنید و او باخشم روی میزش می‌کوبد و می‌گوید:

برو یه فیلتر آنالوگ طراحی کن! 

و تنها دو راه خواهید داشت:

اگر فکر می‌کنید راه سومی هم هست، بلی هست! خواندن این مقاله و اجرای گزینه دوم!

فیلتر چیست؟

خیلی از ما امواج و سیگنال‌ها را در حوزه زمان می‌شناسیم و دید صحیحی از حوزه فرکانس نداریم.

در خیلی از کاربردها ما نیازمند جداسازی قسمتی از طیف یک موج و استفاده از آن هستیم.

فیلتر های طیف فرکانسی هم به صورت آنالوگ و هم به صورت دیجیتال قابل پیاده سازی هستند. مزیت فیلتر های آنالوگ به قیمت پایین، بلادرنگ بودن پردازش (سرعت بالا) و سادگی آن است به مداراتی که سیگنال را به صورت آنالوگ پردازش میکند، ASP گفته میشود. 

فیلتر های دیجیتالی عمدتا نیازمند سخت افزار هایی موسوم به DSP هستند تا بتوان عملیات های سنگین منطقی و ریاضی را بر روی سیگنال مورد نظر اجرا نمود. مزیت فیلتر های دیجیتالی در منعطف بودن طراحی آنها است، فیلتر های خیلی پیچیده را به صورت دیجیتال پیاده سازی میکنند اگر چه برخی از توابع فیلتر دیجیتال برای فرکانس های پایین قابل پیاده سازی با میکروکنترلر های عادی است ولی توجه داشته باشید برای بلادرنگ بودن عملیات، پردازنده ها و سخت افزار های خاصی مورد نیاز خواهد بود.

می‌دانیم که محاسبه و تحلیل فیلترهای خطی دشوار و زمان‌بر است. ازاین‌رو مهندسان همواره در پی توسعه نرم‌افزار محاسبه و تحلیل فیلترها هستند.

برای این منظور دو نرم افزار برای طراحی و تحلیل فیلتر های فعال به شما معرفی میکنیم:

معرفی نرم افزار Analog Filter Wizard

نرم‌افزار تحت وب Analog Filter Wizard یک نرم‌افزار بر پایه وب می‌باشد که قادر است فیلترهای فعال خطی تا مرتبه 10 را محاسبه کند.

این برنامه هم‌چنین به شما این امکان را می‌دهد تا منحنی‌های Bode plot و سایر مشخصه‌های فیلتر را در اختیار داشته باشید.

اگر در کشوری که در تحریم‌های ایالات‌متحده است نباشید، قادر خواهید بود نمونه قطعات مدار و حتی یک برد آماده (Eval Board) سفارش دهید!

این نرم افزار توسط کمپانی Analog Devices توسعه داده شده است و در نهایت شما قادر خواهید بود علاوه بر اطلاعات دقیق فیلتر خود، یک بورد نمونه هم سفارش دهید.

قدم صفرم

به نشانی اینترنتی https://tools.analog.com/en/filterwizard/ بروید.

ابتدا نوع فیلتر خود را انتخاب نمایید، توجه فرمایید که قدری آشنایی با انواع فیلتر و مشخصات کلی آن‌ها الزامی است!

قدم اول

ما یک فیلتر بالا گذر انتخاب کرده‌ایم و اکنون در زبانه Specifications هستیم. در سمت چپ قادریم مشخصات فیلتر اعم از:  فرکانس و بهره باند عبور، فرکانس و بهره باند قطع و پاسخ فیلتر را انتخاب کنیم. با مشخصات واردشده نرم‌افزار به ما یک فیلتر مرتبه 4 با استفاده از 2 تراشه OPAMP و پاسخ باترورث می‌دهد.

 در قسمت View میتوانید انتخاب کنید که نرم افزار چه چیزی را به شما نمایش بدهد. (نمای مدار ، پاسخ فاز ، پاسخ پله و….)

اکنون پاسخ پله را انتخاب کرده‌ام؛ یعنی خروجی فیلتر به ازای یک لبه پالس مربعی و…. در تصویر زیر پاسخ فیلتر با مشخصه بِسِل را ملاحظه می‌کنید.

همان‌طور که ملاحظه می‌کنید با فرکانس انتخاب‌شده، فیلتر بسل مرتبه 6 حاصل می‌شود، و اگر مشخصه چبیشف مدنظرمان باشد، فیلتر مرتبه 3 می‌شود.

این نرم‌افزار برخط قادر به محاسبه فیلتر تا مرتبه 10 می‌باشد، اگر مرتبه بالای 10 شد و نرم‌افزار هشدار داد موارد زیر را امتحان کنید:

• کاهش بهره باند قطع

• کاهش ضریب Q فیلتر بافاصله دادن بین بازه‌های فرکانس عبور و قطع

• تغییر پاسخ فیلتر به سمت چبیشف (فیلتر چبیشف بهره قطع بیشتری دارد و مرتبه پایین‌تری در بهره قطع یکسان خواهد داشت ولی پاسخ فاز خطی ندارد)

قدم دوم

یک فیلتر با مشخصه باترورث انتخاب‌شده است. فیلتر مرتبه چهار است. با زدن بر روی فلش سمت راست به مرحله بعد می‌رویم و نمای مدار و قطعات را تنظیم می‌کنیم.

مطمئن شوید که نمایش مدار را انتخاب کرده اید… به پنل سمت چپ توجه کنید:

در قسمت Voltage Supplies شما قادر خواهید بود که ولتاژ تغذیه مدار را انتخاب کنید، نرم افزار با توجه به ولتاژ  و فرکانس انتخابی برای شما تراشه مناسب را توصیه یا انتخاب میکند.

اگر در قسمت Components شما گزینه Pick for me را انتخاب کنید، با توجه نوع Optimization انتخاب شده قطعات برای شما انتخاب میشود. (این گزینه برای آن دسته از عزیزانی که Noob هستند ایده آل است! پ.ن LOL??)

اما اگر شما یک تازه کار و فردی ناشی نیستید، توصیه میشود که گزینه I want to choose  را فعال کنید و طبقات این فیلتر را سفارشی کنید!

اگر این کار را انجام دهید ، قادر خواهید بود از لیستی که نرم‌افزار به شما ارایه میکند، تراشه OPAMP توصیه شده را انتخاب کنید.

همچنین از قسمت Implementation ساختار فیلتر پیاده‌سازی شده را می‌توانید سالِن کِی (Sallen Key) یا فیدبک چندگانه (Multiple Feedback) انتخاب کنید. (معمولاً سالن کی رفتار بهتری دارد).

با کمک اسلایدر RC Sizing قادر خواهید بود که نسبت بین خازن و مقاومت‌های فیلتر را تغییر دهید. توصیه می‌کنم که خازن‌ها را روی یک مقدار مناسب تنظیم کنید و از قطعات خیلی کوچک یا خیلی بزرگ اجتناب کنید.

در تصویر بالا مشاهده می‌کنید که طبقه B فیلتر از نوع فیدبک چندگانه انتخاب‌شده است.

با تغییر اسلایدر RC Sizing خازن ها را بر روی 4.7nF تنظیم می‌کنیم .

همین کار را برای طبقه A تکرار می‌کنیم.

قدم سوم

در این قدم تلرانس قطعات قابل انتخاب می‌باشد و نتیجه بر روی منحنی‌های پاسخ فیلتر قابل‌مشاهده خواهد بود.

در شکل بالا پاسخ فیلتر با توجه به نوع OPAMP و تلرانس قطعات برحسب دسی‌بل ترسیم‌شده است.

نوار آبی‌رنگ، محدوده تغییرات این اعداد برحسب تلرانس داده‌شده می‌باشد.

همچنین شما در این مرحله می‌توانید رنج مقاومت و خازن‌های مطلوب را انتخاب کنید. به طور مثال در این شکل من به نرم‌افزار تفهیم کرده‌ام که با مقاومت‌های 5 درصدی مقادیر ضرایب مقاومت‌های 1 درصد را ایجاد می‌کنم!

قدم چهارم

در این مرحله کار طراحی به اتمام می‌رسد و شما قادر خواهید بود از قسمت Get Files فایل‌های خروجی را دانلود کنید یا برای یک نفر ایمیل کنید….. از قسمت Order  قادر خواهید بود بورد نمونه و یا قطعات این مدار را بخرید. (کاش در منطقه ما نیز قابل‌دسترسی بود)

در این تصویر من منحنی پاسخ نویز فیلتر را قرار داده‌ام.

نرم افزار Filter Lab

با شنیدن نام کمپانی میکروچیپ، همه ما یاد کنترلر های PIC می‌افتیم ولی این کمپانی محصولات متنوع دیگری هم دارد، همچنین چند سال پیش کمپانی اتمل توسط میکروچیپ خریداری شد!

این کمپانی درزمینه الکترونیک آنالوگ نیز تولیداتی دارد و ازاین‌رو نرم‌افزاری برای محاسبه فیلترهای فعال منتشر کرده است.

تصویر زیر محیط نرم‌افزار را نمایش می‌دهد.

به‌عنوان اولین تجربه کار با این نرم‌افزار توصیه می‌کنم که از ابزار Filter selection wizard استفاده کنید.

ویزارد باز شده و ادامه میدهیم.

نوع فیلتر را در اینجا تعیین کنید

سپس محدوده های فرکانسی و بهره فیلتر را انتخاب کنید.

در مرحله بعد نوع پاسخ فیلتر را انتخاب کنید.

در این مرحله ویزارد به پایان میرسد و نرم افزار منحنی های فیلتر انتخابی را نمایش میدهد.

اگر از ابزار Design circuit استفاده کنید می‌توانید فیلتر را سفارشی کنید.

از منوی view  گزینه Filter View را انتخاب کنید سپس نمایش مدار را بزنید.

فیلتر شما آماده است!

سخن پایانی

فیلتر های الکترونیکی در خیلی از کاربرد ها مورد نیاز هستند، به خصوص در زمینه مخابرات، مدارات صوتی و مهندسی پزشکی.

از این رو شما با دانستن تئوری کارکرد فیلتر های فعال میتوانید با کمک راهنمایی های این مقاله در زمینه اجرای فیلتر های فعال خطی تا حدی خود اتکا شوید.

نرم افزار ها و محاسبه گر های متعددی برای فیلتر های پسیو و اکتیو وجود دارد که با کمی جستجو میتوانید نرم افزار های مفیدی بیابید!

امیدواریم این مقاله برای شما کاربردی و مفید واقع شود.