Проектирование кварцевых фильтров на маленьком компьютере

Проектирование кварцевых фильтров на слабом компьютере

Автор разработки: Dr. Ulrich L Rohde, DJ2LR Текст сканировал: Анатолий Белых UA1OJ (ua1oj (at) atnet.ru) Перевод: Юрий Луцков RU3PA (ru3pa (at) uic.tula.ru) См. также программу YVF (автор UT1YV)

pnoto courtesy М-Ггоп Industries, Inc.

Думаете об изготовлении кварцевого фильтра? Эта программа обеспечивает превосходные результаты. Она позволяет рассчитывать даже широкополосные фильтры.

Кварцевые фильтры используются в тех случаях, когда требуется высокая избирательность при определенной ширине полосы частот от нескольких сотен герц до 100 кГц. Кварцевые фильтры в большинстве случаев имеют Чебышевскую характеристику, однако эти фильтры вызывают нарушение группового времени задержки и имеют неравномерность в полосе пропускания. Естественный вопрос - " Существует ли альтернатива и, если так, что это? В ответе, эта статья обеспечивает информацию относительно использования маленькой компьютерной программы на БЕЙСИКЕ, помогающей в проектировании более подходящих кварцевых фильтров. Программа приводится наряду с результатами расчетев. Кроме того, приведенные диаграммы иллюстрируют результаты использования дополнительных полюсов затухания фильтра. Программа написана таким способом, что позволяет рассчитывать кварцевые фильтры с большой шириной полосы частот. Такая информация ранее была недоступна.

Стандартные конструкции фильтров

Кварцевый фильтр с одним кристаллом показан на рис. 1. Фильтры этого типа были, популярны в конструкциях радиоприемников, но были недостаточно эффективными. Настраивая конденсатор нейтрализации, C1, полюс затухания может быть перемещен, при этом изменяется ширина полосы частот и глубина затухания.

Рис. 2A представляет характеристику однокристального фильтра на 300 кГц. Полюс затухания в правой части графика установлен конденсатором нейтрализации, ослабление в полюсе может превышать 100 dB.

Характеристики однокристального фильтра представлена на рис 2В и 2С в разных масштабах. Если полюс удален достаточно далеко, избирательность улучшается на левом скате, и характеристика фильтра становится симметричной. Тем не менее, такие фильтры имеют низкую эффективность и образуют класс фильтров редко используемых в настоящее время.

Типичный фильтр SSB имеет не менее шести кристаллов. Свойства фильтра этого типа проиллюстрированы рис.2D, реальное ослабление в полюсах затухания может достигать 120 dB.

Кварцевые фильтры часто используют в радиоприемниках с преобразованием вверх подобно DJ2LR "HF-1030". Характеристика такого фильтра приведена на рис.2E.

Соответствующей настройкой характеристика фильтра может быть сделана несимметричной с целью максимального подавления помехи на одном из скатов АЧХ Рис. 2F , если 60-dB ослабления на другом скате достаточно.

Практически, при проектировании кварцевого фильтра необходимо задать требуемую форму АЧХ, а затем рассчитать номиналы элементов фильтра с помощью приводимой программы.

Таблица 1 содержит листинг программы расчета разнообразных вариантов на базе универсального кварцевого фильтра. Базовая конфигурация такого кварцевого фильтра показана на рис. 3. Он состоит из трех настроенных трансформаторов, намотанных в маленьких броневых сердечниках, подходящих для высокочастотного применения.

Броневой сердечник, рекомендуемый для этого применения - тип Сименса 4.6 X 4.1 (мм), номер B65495-K0005-A017 для низкочастотного использования, для частот порядка 10 МГЦ, необходимо применять материал активной зоны K65495-K00016-A001.

Машинное проектирование кварцевого фильтра.

В строках 1-20 программа инициирует определяемые пользователем клавиши, доступные на Tektronix компьютерах 4051/52. После инициирования программы в строке 100 задается влпрос о выводе результатов на дисплей или принтер. Большинство маленьких компьютеров для которых разработана эта программа требуют указания порта вывода информации порт указан в переменной V5.

В строке 200 компьютер спросит центральную частоту / в строке 230 ширину полосы частот, в то время как в строке 250 запросит индуктивность кварца.

На рис. 4 показана взаимосвязь индуктивности и частоты для кристалла, который может быть реально изготовлен. Параметры индуктивность и добротность кварца желательно уточнить у фирмы изготовителя или определить экспериментально.

В строке 260, компьютер спросит Вас относительно емкости кварцедержателя, емкость корпуса HC-18/U примерно 1.5 pF, HC-6/U - 6 pF.

В строке 280 необходимо выбрать тип фильтра. Если основное требование - избирательность, должен быть выбран Чебышевский фильтр, если постоянное групповое время задержки -Flat delay, если совершенная импульсная характеристика,- или линейный фазовый фильтр или Гауссов.

Любители желающие дополнительных сведений из теории фильтра могут воспользоваться литературой указанной в приложении.

Поскольку многоие любители могут быть меньше заинтересованы точной теорией, предпочитая изготавливать и испытывать фильтры без обращения к математике на рис 5 приведены амплитудно-частотные характеристики фильтров различного типа.

'Details on Siemens' pot cores are found in the Siemens book, Ferrites Soft-Magnetic Materi-al Data Book 1979/80, p. 98. This book is available from the Siemens Corporation, 186 Wood Ave. S., Iselin, NJ 08830, tel. 201-494-1000

Рис. 2 - Характеристики кварцевых фильтров. А - амплитудно-частотная характе-ристика кварцевого фильтра на рис. 1 с регулировочным конденсатором C1, позволяющим генерировать полюс затухания на 500 Гц выше центральной частоты . тот же самый фильтр приведен в B в другом масштабе, характеристика представленная в C соответствует случаю, когда полюс настроен значительно дальше от центральной частоты. D - амплитудная характеристика шести-кристального однополосного фильтра в 300 кГц. Шести-кристальный фильтр Чебышева на 40.455 МГЦ представлен кривой в E. Кривая F - для амплитудной характеристики 72.03-MHz кварцевого фильтра с полюсом затухания на левой стороне.

Информация по компьютерной настройке схемы

После того, как Вы ответили на запрос относительно типа фильтра, компьютер использует таблицу "просмотра". Цель этой части программы состоит в том, чтобы вычислить значения компонентов (строки 380 до 580). Вы можете удалять строки 140 и 590, команда стирания экрана для компьютера Tcktronix. Команды в строках 600 до 840 передают характеристические значения принтеру или экрану. В строках 600 до 650 вводятся заголовок, центральная частота, ширины полосы частот, индуктивность, внутренний импеданс и внешняя емкость. Другая информация включает полное входное сопротивление, которое напечатано в строке 660 с требуемой индуктивностью, емкость в строке 700, и выходные значения в строках 670 - 710.

Команды 680, и 690 определяют параметры резонансного контура для середины диапазона. Чтобы получить правильный кристалл от изготовителя, четыре требуемые частоты напечатаны в строках 720 до 750. Шестиразрядная точность желательна для заказа кристаллов. Строка 800 дает напряжение эталонного входного сигнала для второй части компьютерной программы, чтобы определить фактическую полосно-пропускающую характеристику. Команды 820 - 840, уточняют настройку всех резонансных контуров на центральную частоту.

При проектировании фильтров учтите, что любая расстройка каскадов приведет к появлению полюсов как показано в рисунках. 2A и 2F. Чтобы получить более крутые скаты желательно использовать полюса. Они могут всегда определяться экспериментально. Процедура расчета устанавливает все три резонансных контура точно на центральной частоте с установленными кристаллами.

Для любителей не имеющих компьютера некоторые вычисления, представляющие интерес также приводятся в таблицах.

В случаях, когда требуется повышенная избирательность, два фильтра могут каскадироваться или непосредственно с 1-dB резистивной согласующей схемой или с транзисторной ступенью усиления от 3 до 4 dB.

Table Программа расчета широкополосных фильтров

1 GOTO 100 4 RUN 280
8 PAGE
9 GO TO 200
20 UST 1290, 2000
100 EN!T
110 SET KEY
120 DIM C(13)
130 C$=""
140 PAGE
150 PRINT "*'1'* CRYSTAL FILTER PROGRAM *** J_J_"
160 REM COPY-RIGHT RESERVED
170 REM ULRICH L. ROHDE, PH.D., SC.D.
180 PRINT "DO YOU WANT OUTPUT AT SCREEN (32) OR PRINTER (41)?"
190 INPUT V5
200 PRtNT "WHICH CENTER FREQUENCY DO YOU WANT?"
210 INPUT F0
220 PRINT "WHICH BANDWIDTH DO YOU WANT?"
230 INPUT B0
240 PRINT "WHICH INDUCTANCE DO YOU HAVE?"
250 INPUT L
260 PRINT "WHAT HOLDER CAPACITANCE DO YOU HAVE"
270 INPUTC(9)
280 PRINT "WHICH FILTER TYPE DO YOU WANT, BUTTERWORTH."
290 PRINT "CHEBYSHEV, FLAT DELAY, LIN. PHASE, GAUSS RESP. (B,C,F,L,G)?"
300 INPUTA$
310 IFA$=""THEN 1290
320 IFA$="B"THEN 890
330 IFA$="C"THEN 970
340 IF A$="F"THEN 1050
350 IF A$="L"THEN 1130
360 IFA$="G"THEN 1210
370 RETURN
380 R0=PI*L*B0
390 C0=:1/(2*B0*Plt2*F0*L)
400 Q0=150000*B0/F0
410 R1 =R0*(K2+2+(1/01 -1/Q0)t2)/(1/Q1 -1/Q0)
420 R2 = R0*(K2f2 + (1/Q4 - 1/Q0)t2)/(1/Q4 - 1/00)
430 C(1)=C0*K2/(K2+2+(1/Q1-1/Q0)f2)-2*C(9)
440 C(8)--C(1)+2*C(9)
450 GOTO 1300
460 C(2) = C0*K2/(K2t2 + (1/04 - 1/Q0)t2) - 2*C(9)
470 C(10)=C(2)+2*C(9)
480 GOTO 1340
490 C(11)=C0/K2-4*C(9)
500 C(3)=1/((2oltPI*F0)t2*L1)+C(11)
510 F1=F0-B0/2*(K2+K1)
520 F2=F0-B0/2*(K2-K1)
530 F3=F0-B0/2*(K2+K3)
540 F4=F0-B0/2*(K2-K3)
550 C(4)=1/(4'l(P^t2*F1f2'ltL)
560 C(5)=1/(4*Plt2*F2t2*L)
570 C(6)=1/(4*Plt2*F3+2*L)
580 C(7)=1/(4*Plt2*F4+2*L)
590 PAGE
600 PRINT @V5:F$;"J""
610 PRINT @V5:"F0= ";F0
620 PRINT @V5:"B0= ";B0
630 PRINT @V5:"L= ";L
640 PRINT @\/Ь:^ф= ";R0
650 PRINT @V5:"C0= ";C0
660 PRINT @V5:"R!N= ";R1
670 PRINT @V5:"ROUT= ";fl2
680 PRINT @V5:"CK= ";C(3)
690 PRINT @V5:"LK'= ";L1
700 PRINT @V5:C$;L1,"CIN= ";C(12)
710 PRINT @V5:D$;L2,oiCOUT= ";C(13)
720 PRINT @V5:"F1= ";F1
730 PRINT @V5:"F2== ";F2
740 PRINT @V5:"F3= ";F3
750 PRINT @V5:"F4= ";F4
760 PRINT @V5:"CS1= ";C(4)
770 PRINT @V5:"CS2= ";C(5)
780 PRINT @V5:"CS3= ";C(6)
790 PRINT @V5:"CS4= ";C(7)
800 V0=(R1+R2)/R1
810 PRINT @V5:"V0= ";V0
820 W0=1/(2-Pt*SQR(L1*(C(12)+C(1))))
830 W1 =1/(2*Р1^0Р^2*(С(13)+С(2))))
840 PRINT @V5:"POLE FREQUENCIES ARE ";W0;" ";W1
850 CALL "WAIT",I
860 PRINT @V5:"J_J_J_"
870 GO TO 280
880 END
890 Q0==100
900 F$="BUTTERWORTH RESPONSE 4TH ORDER CRYSTAL FILTERJ""
910 01=1.0457
920 04=1.0457
930 K1= 0.7369
940 К2= 0.5413
950 КЗ =0.7369
960 GO TO 380
970 Q0=1000
980 F$ = "CHEBYSHEV RESPONSE 4TH ORDER CRYSTAL FILTER 0.01DB R!PPLE1_J_
990 Q1=1.8258
1000 Q4=1.8258
1010 K1= 0.6482
1020 К2= 0.5446
1030 КЗ =0.6482
1040 GO TO 380
1050 Q0=1000
1060 F$= "MAXIMALLY FLAT DELAY 4TH ORDER CRYSTAL FILTERJ_"
1070 Q1=0.2334
1080 Q4=2.2404
1090 K1= 2.5239
1100 К2= 1.1725
1110 КЗ =0.6424
1120 GOTO 380
1130 Q=1000
1140 F$= "LINEAR PHASE 4TH ORDER CRYSTAL FILTER 0.05DEG PHASE ERRORJ_"
1150 Q1 =0.4934
1160 04=0.7182
1170 K1= 1.632
1180 К2= 0.7181
1190 КЗ =0.7391
1200 GO TO 380
1210 00=1000
1220 F$="GAUSS)AN RESPONSE 4TH ORDER CRYSTAL FILTERJ_"
1230 01=0.2747
1240 04=0.4083
1250 K1 =2.2792
1260 K2= 0.7553
1270 КЗ =0.9896
1280 GOTO
380 1290 END
1300 C$ = "TUNED INPUT L1="
1310 C(12)=1.0E-11*1.0E+8/F0
1320 L1 =1/((2*PI*F0)^2*(C(12)+C(1)))
1330 GO TO 460
1340 D$= "TUNED INPUT L2="
1350 СО^^.ОЕ-Ц*-!. 0E+8/F0
1360 L2 = 1 /((2*PI * F0)+2*(C(13) + C(2)))
1370 GO TO 490

Fig. 4 - Этот график показывает взаимозависимость индуктивности и частоты конкретного кристалла в качестве примера.

Fig. 5 - The Bessel, flat-delay and Chebyshev характеристики представлены в сравнении.

n^ is determined from L1 or L2 To obtain the required value for n^ let	Пд is determined from L4 or L5. To obtain the value ng let For different impedance, n^ and П4 may be changed or the source on board changed from 50ohms.
F'g. 3 - 4-х кристальный фильтр. Входной и выходной импедансы зависят от отношения числа витков входного и выходного трансформаторов.

Для интересующихся проектированием радиоприемников с двойным преобразованием, параметры 41-MHz кварцевого фильтра приведены в Таблице 4. Таблица 5 - фильтр с Гауссовской характеристикой предназначенный для использования в радиолокационном приемнике.

I Заключение

Это короткое представление относительно проектирования и формирования кварцевых фильтров при помощи маленького компьютера должно поощрить экспериментирование с различными типами фильтров. В прошлом расчет широкополосных фильтров подобных 72.225-MHz, с полосой 31 кГц (Таблица 5) требовал специальной вычислительной программы. Теперь эта уникальная программа поможет решить проблему конструирования чрезвычайно широкого ассортимента полос пропускания.

Table 2 Расчеты для некоторых широкополосных фильтров

Table 3 SSB фильтры