1 带阻滤波器设计

大家好，欢迎观看 “使用 TI 滤波器设计工具

在数分钟内完成 有源滤波器设计”。

在本视频系列中，我们将 探索如何使用德州仪器 (TI)

滤波器设计工具 设计有源滤波器，

来解决几个示例问题。

我们将首先考虑 这样一个场景：

在实验室环境中 测试旋转变压器。

不熟悉此概念的人请注意， 旋转变压器

是指一种可旋转的 变压器，

可用来确定轴的角度。

本质上，轴旋转的是变压器的 初级绕组或线圈，

而两个次级线圈

是固定的，并相互之间 偏移 90 度。

因此，初级和次级 之间的耦合

取决于轴角度，因此

正弦和余弦 次级输出

是分别经过轴角的 正弦和余弦调制过的

励磁信号。

这个特定的旋转变压器 通过 6 倍峰间 5 千赫兹

信号进行励磁。

旋转变压器转换比，

描述了初级和 次级线圈中的匝数比，

为 0.25。

因此，输出将仅为 1.5 伏峰间信号。

旋转变压器轴以 600 RPM 或 10 赫兹的速度旋转。

因此，正弦和余弦次级 绕组输出应该是

5 千赫兹 1.5 伏峰间信号，

并且经过了轴角的 正弦和余弦调制，

以使它们彼此之间 具有 90 度的相位差。

但是，在实验室中 测试该系统时，

发现 200 毫伏峰间信号，

大约 55 赫兹的 电力线噪声

被耦合到测量的 信号上。

我们的目标是 实施有源带阻

或陷波滤波器来消除 这种 50 至 60 赫兹的噪声，

而不显著 衰减输出信号。

可用的电源电压 为 ±5 伏。

在我们继续介绍 滤波器设计工具之前，

我们将通过在 TINA-TI 中模拟

来简要探索该场景。

如图所示，我们有一个 5 千赫兹的励磁信号，

根据指定轴的 RPM 而变化的

正弦波和余弦波， 以及一个 55 赫兹的

表示电力线噪声的波。

还显示了理想的 正弦和余弦次级绕组输出，

以及展示噪声耦合的

实际或非理想结果。

为了消除由于电力线嗡嗡声 产生的噪声，

我们将实施一个以 55 赫兹 为中心的陷波滤波器。

理想情况下， 通带将在 5 千赫兹时

没有衰减或增益。

我们将使用充裕的 50 赫兹阻带，

并且衰减 -20 分贝， 这将允许

我们使用低阶滤波器。

考虑到这些要求，我们

继续使用 TI 滤波器设计工具。

我们选择增益为 0 并且 中心频率为 55 赫兹。

我们将通带带宽 设置为 500 赫兹，

以更大程度地减小 5 千赫兹时的衰减。

我们的阻带 带宽为 50 赫兹。

我们可以设置 阻带衰减

为 -20dB，这有助于 降低滤波器阶数，

从而降低 电路复杂性。

在调整规格表

以匹配我们的所需 规格后，我们可以

考虑该工具提供的 一些选项。

我们可以比较 幅度、相位，

和多种滤波器类型的 群延时，

以及阶跃响应。

在本例中，我们将 选择切比雪夫滤波器，

以获得其滚降的陡度。

该工具推荐采用 Bainter 拓扑的 四阶滤波器。

这种拓扑因其干净且一致的

深度陷波和对组件不匹配的 低灵敏度而备受青睐。

如需更多信息， 请参阅《带阻滤波器

和 Bainter 拓扑》， 作者 Bonnie C. Baker。

如果需要，每个滤波器 阶段的响应

都可在该页面上查看。

但我们将继续查看 设计页面。

因为我们有 ±5 伏电源可用，

我们将保持 电源电压设置不变。

为了探讨容差对 我们设计的影响，

我们会将电阻器系列 设置为 e24，

或 5% 容差，将电容器 系列设置为 e12，

或 10% 容差。

我们会将灵敏度分析 类型设置为

“Monte Carlo”和“Corner”， 然后点击“Update Design”。

您会注意到 “Target”/“Actual”列中的实际值

已更新。

在这种情况下，该工具会注明 选定的无源器件

容差可能会损害 第一阶段的完整性。

通过放大各种图，

我们可以看到 器件容差是如何

通过引入不确定带 来影响滤波器的。

为了恢复我们的设计 完整性，我们会

将电阻器系列更改为 e48 或容差 2%， 并将电容器

系列更改为 e24，然后 再次更新设计。

默认情况下，该工具 建议使用 LMC7111 运算放大器。

我们可以把这部分换成一个 更高增益带宽，

方法是选择 “Choose Alternate Op Amp”。

请注意，为了将 您的设计导出到 TINA-TI，

您需要选择一个具有 spice 模型的放大器。

我们将使用 TLC27L7 放大器，

它具有双封装，可节省空间， 还具有更高增益

带宽和更低的偏移。

现在我们的设计已经 准备就绪，我们可以点击“Export”了。

这会将我们带入一个 摘要页面，在这里

可以将设计导出到 TINA-TI，查看响应图，

查看我们的物料清单等。

点击“Export Design”， 该工具

将开始生成 TINA-TI 设计。

这可能需要等一会儿。

完成后，点击 页面底部的“Download”，

以下载 滤波器设计。

在 TINA-TI 中打开 导出的设计。

我们将通过运行交流 传输特性扫描来测试它。

结果显示，我们在 阻带中心

获得了一个 -118dB 的陷波，

在 50 至 60 赫兹范围内， 实现了

至少 -65dB 的衰减。

在 5 千赫兹时，我们获得了 0.066dB 的轻微增益，

以及 -719 度的相移。

对于旋转变压器信号， 产生的相位和延时时间

将忽略不计。

我们现在可以测试我们的滤波器， 方法是将每个旋转变压器

输出应用到其输入，如图所示。

电路是滤波器 设计工具输出的

略精简版，

目的是减小原理图区， 但不会

更改设计。

我们看到滤波余弦 信号需要等待一会儿

才能稳定， 但大约在 2 毫秒内，

我们的电力线噪声 被成功

滤除。

放大滤波输出 并与理想绕组输出

进行比较， 我们可以看到相位延时

可以忽略不计，如预期一样。

甚至将噪声级别 提高 10 倍至 2 伏

峰间信号，我们可以看到 滤波器仍然

能够成功地衰减 电力线噪声输出。

我们的带阻滤波器设计 示例到此结束，

此设计是使用 TI 滤波器 设计工具创建的。

在下一个示例中， 我们将探索

两个带通滤波器的设计

以实施部分 DTMF 接收器滤波器组。

大家好，欢迎观看 “使用 TI 滤波器设计工具

在数分钟内完成 有源滤波器设计”。

在本视频系列中，我们将 探索如何使用德州仪器 (TI)

滤波器设计工具 设计有源滤波器，

来解决几个示例问题。

我们将首先考虑 这样一个场景：

在实验室环境中 测试旋转变压器。

不熟悉此概念的人请注意， 旋转变压器

是指一种可旋转的 变压器，

可用来确定轴的角度。

本质上，轴旋转的是变压器的 初级绕组或线圈，

而两个次级线圈

是固定的，并相互之间 偏移 90 度。

因此，初级和次级 之间的耦合

取决于轴角度，因此

正弦和余弦 次级输出

是分别经过轴角的 正弦和余弦调制过的

励磁信号。

这个特定的旋转变压器 通过 6 倍峰间 5 千赫兹

信号进行励磁。

旋转变压器转换比，

描述了初级和 次级线圈中的匝数比，

为 0.25。

因此，输出将仅为 1.5 伏峰间信号。

旋转变压器轴以 600 RPM 或 10 赫兹的速度旋转。

因此，正弦和余弦次级 绕组输出应该是

5 千赫兹 1.5 伏峰间信号，

并且经过了轴角的 正弦和余弦调制，

以使它们彼此之间 具有 90 度的相位差。

但是，在实验室中 测试该系统时，

发现 200 毫伏峰间信号，

大约 55 赫兹的 电力线噪声

被耦合到测量的 信号上。

我们的目标是 实施有源带阻

或陷波滤波器来消除 这种 50 至 60 赫兹的噪声，

而不显著 衰减输出信号。

可用的电源电压 为 ±5 伏。

在我们继续介绍 滤波器设计工具之前，

我们将通过在 TINA-TI 中模拟

来简要探索该场景。

如图所示，我们有一个 5 千赫兹的励磁信号，

根据指定轴的 RPM 而变化的

正弦波和余弦波， 以及一个 55 赫兹的

表示电力线噪声的波。

还显示了理想的 正弦和余弦次级绕组输出，

以及展示噪声耦合的

实际或非理想结果。

为了消除由于电力线嗡嗡声 产生的噪声，

我们将实施一个以 55 赫兹 为中心的陷波滤波器。

理想情况下， 通带将在 5 千赫兹时

没有衰减或增益。

我们将使用充裕的 50 赫兹阻带，

并且衰减 -20 分贝， 这将允许

我们使用低阶滤波器。

考虑到这些要求，我们

继续使用 TI 滤波器设计工具。

我们选择增益为 0 并且 中心频率为 55 赫兹。

我们将通带带宽 设置为 500 赫兹，

以更大程度地减小 5 千赫兹时的衰减。

我们的阻带 带宽为 50 赫兹。

我们可以设置 阻带衰减

为 -20dB，这有助于 降低滤波器阶数，

从而降低 电路复杂性。

在调整规格表

以匹配我们的所需 规格后，我们可以

考虑该工具提供的 一些选项。

我们可以比较 幅度、相位，

和多种滤波器类型的 群延时，

以及阶跃响应。

在本例中，我们将 选择切比雪夫滤波器，

以获得其滚降的陡度。

该工具推荐采用 Bainter 拓扑的 四阶滤波器。

这种拓扑因其干净且一致的

深度陷波和对组件不匹配的 低灵敏度而备受青睐。

如需更多信息， 请参阅《带阻滤波器

和 Bainter 拓扑》， 作者 Bonnie C. Baker。

如果需要，每个滤波器 阶段的响应

都可在该页面上查看。

但我们将继续查看 设计页面。

因为我们有 ±5 伏电源可用，

我们将保持 电源电压设置不变。

为了探讨容差对 我们设计的影响，

我们会将电阻器系列 设置为 e24，

或 5% 容差，将电容器 系列设置为 e12，

或 10% 容差。

我们会将灵敏度分析 类型设置为

“Monte Carlo”和“Corner”， 然后点击“Update Design”。

您会注意到 “Target”/“Actual”列中的实际值

已更新。

在这种情况下，该工具会注明 选定的无源器件

容差可能会损害 第一阶段的完整性。

通过放大各种图，

我们可以看到 器件容差是如何

通过引入不确定带 来影响滤波器的。

为了恢复我们的设计 完整性，我们会

将电阻器系列更改为 e48 或容差 2%， 并将电容器

系列更改为 e24，然后 再次更新设计。

默认情况下，该工具 建议使用 LMC7111 运算放大器。

我们可以把这部分换成一个 更高增益带宽，

方法是选择 “Choose Alternate Op Amp”。

请注意，为了将 您的设计导出到 TINA-TI，

您需要选择一个具有 spice 模型的放大器。

我们将使用 TLC27L7 放大器，

它具有双封装，可节省空间， 还具有更高增益

带宽和更低的偏移。

现在我们的设计已经 准备就绪，我们可以点击“Export”了。

这会将我们带入一个 摘要页面，在这里

可以将设计导出到 TINA-TI，查看响应图，

查看我们的物料清单等。

点击“Export Design”， 该工具

将开始生成 TINA-TI 设计。

这可能需要等一会儿。

完成后，点击 页面底部的“Download”，

以下载 滤波器设计。

在 TINA-TI 中打开 导出的设计。

我们将通过运行交流 传输特性扫描来测试它。

结果显示，我们在 阻带中心

获得了一个 -118dB 的陷波，

在 50 至 60 赫兹范围内， 实现了

至少 -65dB 的衰减。

在 5 千赫兹时，我们获得了 0.066dB 的轻微增益，

以及 -719 度的相移。

对于旋转变压器信号， 产生的相位和延时时间

将忽略不计。

我们现在可以测试我们的滤波器， 方法是将每个旋转变压器

输出应用到其输入，如图所示。

电路是滤波器 设计工具输出的

略精简版，

目的是减小原理图区， 但不会

更改设计。

我们看到滤波余弦 信号需要等待一会儿

才能稳定， 但大约在 2 毫秒内，

我们的电力线噪声 被成功

滤除。

放大滤波输出 并与理想绕组输出

进行比较， 我们可以看到相位延时

可以忽略不计，如预期一样。

甚至将噪声级别 提高 10 倍至 2 伏

峰间信号，我们可以看到 滤波器仍然

能够成功地衰减 电力线噪声输出。

我们的带阻滤波器设计 示例到此结束，

此设计是使用 TI 滤波器 设计工具创建的。

在下一个示例中， 我们将探索

两个带通滤波器的设计

以实施部分 DTMF 接收器滤波器组。