Сам когда-то искал, кроссы, порядок фильтров???)))

Кроссоверы— это устройства в звуковых системах, которые создают нужные рабочие частотные диапазоны для динамиков. Динамики сконструированы таким образом, чтобы работать в определенном частотном диапазоне. Они не приемлют частоты, не входящие в эти рамки. Если на высокочастотный динамик (твитер) подать низкую частоту, то звуковая картина испортится, а если сигнал еще и мощный, то твитер "сгорит". Высокочастотные динамики должны работать только с высокими частотами, а низкочастотные динамики должны получить от общего звукового сигнала только низкочастотный диапазон. Оставшаяся средняя полоса достается среднечастотным динамикам (мидвуферы). Следовательно, задача кроссоверов заключается в разделении звукового сигнала на нужные (оптимальные) частотные полосы для соответствующих типов динамиков.

Проще говоря, кроссовер — это пара электрических фильтров. Допустим, кроссовер имеет частоту среза равную 1000 Гц. Это означает, что один из его фильтров срезает все частоты ниже 1000 Гц и пропускает только частоты выше 1000 Гц. Такой фильтр называют high-pass фильтром. Другой фильтр, пропускающий частоты ниже 1000 Гц называется low-pass,. Графически работа этого кроссовера представлена на рисунке 3. Точка пересечения двух кривых есть частота среза кроссовера равная 1000 Гц. В трехполосных кроссоверах присутствует еще и среднечастотный фильтр (band-pass), который пропускает только средний диапазон частот (приблизительно от 600 Гц до 5000 Гц.) На рисунке изображена частотная характеристика трехполосного кроссовера.
Нажмите на изображение для увеличения Название: 6.gif Просмотров: 4968 Размер: 2.1 Кб ID: 109953Нажмите на изображение для увеличения Название: 7.gif Просмотров: 6739 Размер: 2.8 Кб ID: 109954

Порядок чувствительности — это отношение интенсивности выходного сигнала (dB) кроссовера к частоте входного сигнала при условии, что интенсивность входного сигнала постоянна. Обычно чувствительность (крутизну среза) характеризуют как отношение dB/octave. В силу многих математических причин чувствительность кроссоверов всегда кратна 6 децибелам на октаву (6 dB/octave). Кроссовер первого порядка имеет чувствительность 6 dB/octave. Кроссовер второго порядка имеет чувствительность 12 dB/octave, третьего порядка — 18 dB/octave, и чувствительность кроссоверов четвертого порядка равна 24 dB на октаву.
Рассмотрим low-pass фильтр третьего порядка с частотой среза равной 100 Гц. Как уже говорилось выше, этот кроссовер пропустит только частоты ниже 100 Гц, а частоты выше 100 Гц срежет. Срезание частот будет происходить следующим образом: все частоты выше 100 Гц будут терять на выходе из фильтра свою интенсивность кратно 18 dB в зависимости от октавы, в которую они входят. То есть, частота в 200 Гц (первая октава выше частоты среза) потеряет свою интенсивность на 18 Дб, интенсивность частоты в 400 Гц (вторая октава) упадет 36 Гц, а третья октава (800 Гц) ослабеет на 54 Дб. И так далее, все последующие октавы будут ослабевать кратно 18 Дб. Менее чувствительный low-pass фильтр первого порядка с частотой среза в 100 Гц будет делать тоже самое, только ненужные октавы будут ослабевать не на 18 Дб, а на 6 Дб.
Как видим, фильтры, из которых состоят кроссоверы, не могут сразу срезать ненужные частоты, а делают это постепенно, с разной чувствительностью в зависимости от своего порядка.

Кроссоверы первого порядка — это простейший пассивный кроссовер, который состоит из одного конденсатора, и одной катушки индуктивности. Конденсатор работает как high-pass фильтр для защиты твитера от ненужных низких и средних частот. Катушка используется как low-pass фильтр. Чувствительность кроссоверов первого порядка низкая — всего 6 Дб на октаву. Положительная черта этих кроссоверов -отсутствие фазового сдвига между твитером и другим динамиком.
Нажмите на изображение для увеличения Название: xover6_big.gif Просмотров: 6853 Размер: 1.9 Кб ID: 109956Нажмите на изображение для увеличения Название: xover3_big.gif Просмотров: 4952 Размер: 5.9 Кб ID: 109959
Кроссоверы второго порядка. Их также называют кроссоверами Баттерворта, по имени создателяматематической модели этих кроссоверов. Конструктивно они состоят из одного конденсатора и катушки на твитере и одного конденсатора и катушки на низкочастотном динамике. Они обладают более высокой чувствительностью, равной 12 Дб на октаву, но дают фазовый сдвиг в 180 градусов, что означает несинхронный ход мембран твитера и другого динамика. Для устранения этой проблемы небходимо поменять полярность подключения проводов на твитере.
Нажмите на изображение для увеличения Название: xover7_big.gif Просмотров: 10443 Размер: 2.3 Кб ID: 109955Нажмите на изображение для увеличения Название: xover4_big.gif Просмотров: 3703 Размер: 5.9 Кб ID: 109958

Кроссоверы третьего порядка. У таких кроссоверов на твитере ставится одна катушка и два конденсатора, тогда как на динамике низкой частоты наоборот. Чувствительность таких кроссоверов равна 18 Дб на октаву, и они имеют хорошие фазовые характеристики при любой полярности. Негативная черта кроссоверов III-го порядка — неприемлемость использования временных задержек для устранения проблем, связанных с динамиками не излучающими на одной и той же вертикальной плоскости.

Нажмите на изображение для увеличения Название: xover8_big.gif Просмотров: 3393 Размер: 2.5 Кб ID: 109960Нажмите на изображение для увеличения Название: xover5_big.gif Просмотров: 2885 Размер: 5.9 Кб ID: 109957

Кроссоверы четвертого порядка. Кроссоверы Баттерворта четвертого порядка имеют высокую чувствительность равную 24 дБ на октаву, что резко уменьшает взаимовлияние динамиков в области разделения частот. Сдвиг по фазе составляет 360 градусов, что фактически означает его отсутствие. Однако величина фазового сдвига в данном случае непостоянна и может привести к неустойчивой работе кроссовера. Эти кроссоверы практически не применяются на практике.
Оптимизировать конструкцию кроссовера четвертого порядка удалось Линквицу и Рили. Данный кроссовер состоит из двух последовательно соединенных кроссоверов Баттерворта второго порядка для твитера, и тоже самое для басового динамика. Чувствительность их также равна 24 дБ на октаву, однако уровень выходного сигнала на каждом фильтре меньше на 6 дБ, чем уровень выходного сигнала кроссовера. Кроссовер Линквица-Рили не имет фазовых сдвигов и позволяет проводить временную коррекцию для динамиков, не работающих в одной физической плоскости. Эти кроссоверы по сравнению с другими конструкциями дают самые лучшие акустические характеристики.

Конструирование пассивных кроссоверов

Как говорилось выше, пассивный кроссовер состоит из конденсаторов и катушек индуктивности. Для того, чтобы собрать пассивный кроссовер первого порядка необходимо иметь один конденсатор и одну катушку индуктивности. Конденсатор устанавливается последовательно на твитер (high-pass filter), а катушка последовательно на вуфер (low-pass filter). Номинальные значения индуктивности для катушки ((H — микрогенри) и емкости ((F — микрофарады) приводятся в таблице в зависимости от желаемой частоты среза кроссовера и сопротивления динамиков.
Кроссовер I порядка (6 dB/octave)
Нажмите на изображение для увеличения Название: табл.jpg Просмотров: 235 Размер: 57.8 Кб ID: 109961
К примеру, подберем емкость и индуктивность для кроссовера с частотой среза 4000 Гц при сопротивлении динамиков 4 Ом. Из вышеприведенной таблицы находим, что емкость конденсатора первого порядка должна быть равной 10 мФ, а индуктивность катушки 0.2 мГ.
Для определения номинальных значений компонентов для кроссовера второго порядка (12 дБ/октава) необходимо значения из этой же таблицы для конденсатора умножить на коэффициент равный 0.7, а значение для катушки индуктивности умножить на коэффициент 1.414. Надо помнить, что для кроссовера второго порядка необходимо два конденсатора и две катушки индуктивности. Составим кроссовер второго порядка для частоты среза 4000 Гц. Для определения значений для обоих конденсаторов умножаем значение из таблицы 10 мФ на коэффициент 0.7 и получим 7мФ. Далее, значение индуктивности 0.2 мГ умножим на коэффицент 1.414 и получим значение индуктивности для каждой катушки 0.28 мГ. Один из этих конденсаторов устанавливается последовательно на твитер, а второй параллельно на вуфер. Одна катушка параллельно на твитер, а вторая последовательно на вуфер.

Пассивные и активные кроссоверы

Отличие между эти двумя типами кроссоверов очень простое. Активный кроссовер требует подвода питания извне, а пассивный — нет. В силу этого активный кроссовер занимает место в звуковой системе до усилителя, обрабатывая звуковой сигнал с предусилителя головного устройства (допустим, автомагнитолы). Далее, после активного кроссовера устанавливаются два или три усилителя мощности. Один усилитель в этом случае не ставится, так как нет смысла разделенные активным кроссовером сигналы сводить в усилителе в единый сигнал. Разделенные сигналы надо усиливать по отдельности. Как видим, активные кроссоверы применяются в дорогих звуковых системах высокого качества.
Пассивные кроссоверы обрабатывают уже усиленный сигнал и устанавливаются перед динамиками. Возможности пассивных кроссоверов ограничены по сравнению с активными, однако их правильное применение может дать хорошие результаты при минимальных финансовых затратах. Пассивные кроссоверы хорошо себя зарекомендовали при требовании к порядку чувствительности менее 18 дБ на октаву. Выше этого предела хорошо работают только активные кроссоверы.

Пассивные кроссоверы в основном применяются для обработки сигнала твитеров и среднечастотных динамиков. Для низкочастотных динамиков эти кроссоверы применять можно, однако резко возрастает требование в качеству конденсаторов и катушек индуктивности, что приводит к их удорожанию и увеличению в размерах. Пассивные кроссоверы плохо переносят перегрузки. Пиковые интенсивности сигнала, поступающие от усилителя, могут менять частоту среза фильтров. Кроме того, перегруженный фильтр ослабляет звуковой сигнал (damping). Поэтому при выборе пассивных кроссоверов обращайте внимание на их способность выдерживать пиковые нагрузки, создаваемые усилителем.
Активные (или электронные) кроссоверы представляют из себя множество активных фильтров, которыми можно управлять и легко изменять частоту среза любого канала. Порядок чувствительности активных кроссоверов может быть любым, от 6 Дб до 72 Дб на октаву (и выше).В основном активные кроссоверы для автомобильных аудиосистем имеют чувствительность 24 Дб на октаву. При такой чувствительности обмен частотами между динамиками практически исключен. Звуковая картина получается очень качественной. Единственный недостаток активных кроссоверов, — это их дороговизна по сравнению с пассивными.

Фазовый сдвиг

Теперь поговорим о фазовых сдвигах, которые могут возникать в звуковых системах, использующих кроссоверы. Фазовый сдвиг — это неизбежное явление, являющееся следствием конструктивных особенностей high-pass, low-pass и band-pass фильтров.
Фаза — это временная связь двух сигналов. Измеряется фаза в градусах от 0 до 360. Если два одинаковых динамика излучают звуковые волны в противоположной фазе (фазовый сдвиг 180 градусов), то происходит ослабление звука. Проблема устраняется изменением полярности на одном из динамиков .
Когда акустическая система состоит их разных динамиков, работающих в различных частотных диапазонах (твитер и мидвуфер), то устранение фазового сдвига не всегда решается простой сменой "+" на "-". Длина волны от твитера короче, чем от мидвуфера. Поэтому фронт высокочастотной волны может достигнуть слушателя позже (или раньше) фронта среднечастотной (или низкочастотной) волны. Эта временная задержка является следствием фазового сдвига. Оптимизировать звуковую картину в данном случае можно путем физического выравнивания двух динамиков относительно друг друга в вертикальной плоскости до момента улучшения звуковой картины. К примеру, при частоте волны 1000 Гц временная задержка в одну милисекунду устраняется сдвигом динамиков друг относительно друга на 30 см.

Настройка активного кроссовера

Самое важное в настройке кроссовера — это правильный выбор частоты среза. Если мы имеем трехполосный активный кроссовер, то значит перед нами стоит задача в определении двух точек (частот) среза. Первая точка определяет частоту среза для сабвуфера (low-pass) и начало среднечастотного диапазона для мидвуфера (high-pass). Вторая точка определяет частоту окончания среднего диапазона (low-pass) и отправную частоту высокочастотного диапазона для твитера (high-pass). Самое главное, при установке частот среза кроссовера помнить о частотных характеристиках динамика и не в коем случае не нагружать динамик частотами, которые не входят в его рабочий диапазон.
К примеру, если сабвуфер немного гремит или издает гул (неприятный резонанс корпуса автомобиля) значит он перегружен нежелательными для него средними частотами (выше 100 Гц). Перенесите частоту среза (low-pass) на отметку 75 Гц и/или установите, если возможно, чувствительность на 18 Дб или 24 Дб на октаву. Напомним, что увеличение порядка чувствительности кроссовера (величина dB/octave) более качественно срезает ненужные частоты, не давая им просачиваться через фильтр. Порядок чувствительности high-pass фильтров для мидвуфера можно оставить на 12 Дб/октава (для "мягких" среднечастотных динамиков). Подобная настройка активного кроссовера называется асимметричной.
Нажмите на изображение для увеличения Название: таб2.jpg Просмотров: 8312 Размер: 24.0 Кб ID: 109962

В этой таблице приведены начальные величины частот среза для различных типов динамиков при настройке активных кроссоверов.

magnitola.org

Фильтры Баттерворта

Отличительной особенностью амплитудно-частотной характеристики фильтра Баттерворта является отсутствие минимумов и максимумов в полосе пропускания и задерживания. Спад АЧХ на границе полосы пропускания этих фильтров равен 3 дБ. Если от фильтра требуется меньшее значение неравномерности в полосе пропускания, то верняя частота фильтра fв выбирается выше заданной верхней частоты полосы пропускания. Функция аппроксимации АЧХ для ФНЧ-прототипа фильтра Баттерворта выглядит следующим образом:

Формула функции Баттерворта      (1),

где ξ — нормированная частота;
      n — порядок фильтра.

При этом реальную амплитудно-частотную характеристику разрабатываемого фильтра можно получить, умножив нормированную частоту ξ на частоту среза фильтра. Для фильтра Баттерворта нижних частот функция аппроксимации АЧХ будет выглядеть следующим образом:

Порядок фильтра      (2).

Сейчас обратим внимание, что при расчете фильтров широко используется понятие комплексной s-плоскости, на которой по оси ординат отложена круговая частота , а по оси абсцисс — величина, обратная добротности. Таким образом можно определить основные параметры LC-контуров, которые входят в состав схемы фильтра: частоту настройки (резонансную частоту) и добротность. Переход в s-плоскость осуществляется при помощи преобразования Лапласа.

Подробный вывод положения полюсов фильтра Баттерворта на комплексной s-плоскости приведен в [2]. Для нас главное, что полюса этого фильтра расположены на единичной окружности на равном расстоянии друг от друга. Количество полюсов определяется порядком фильтра.

На рисунке 2 приведено расположение полюсов для фильтра Баттерворта первого порядка. Рядом показана АЧХ, соответствующая данному расположению полюсов на комплексной s-плоскости.

Порядок фильтра Порядок фильтра
Рисунок 2. Расположение полюса и АЧХ фильтра Баттерворта первого порядка

На рисунке 2 видно, что для фильтра первого порядка полюс должен быть настроен на нулевую частоту и его добротность должна быть равна единице. На графике АЧХ видно, что частота настройки полюса действительно равна нулю, а добротность полюса такова, что на частоте среза нормированного фильтра Баттерворта, равной единице, его коэффициент передачи равен −3дБ.

Точно таким же образом определяются полюса для фильтра Баттерворта второго порядка. На этот раз частота настройки полюса выбирается на пересечении единичной окружности с прямой, проходящей через центр окружности под углом 45° Пример расположения полюсов на комплексной s-плоскости и АЧХ фильтра Баттерворта второго порядка приведен на рисунке 3.

Порядок фильтра Порядок фильтра
Рисунок 3. Расположение полюсов и АЧХ фильтра Баттерворта второго порядка

В данном случае резонансная частота полюса расположена недалеко от частоты среза нормированного фильтра. Она равна 0,707. Добротность полюса по графику расположения полюсов в корень из двух раз выше добротности полюса фильтра Баттерворта первого порядка, поэтому крутизна спада амплитудно-частотной характеристики получается больше. (Обратите внимание на цифры в правой части графика. При отстройке по частоте, равной 2, подавление равно уже 13 дБ) Левая часть амплитудно-частотной характеристики полюса получается плоской. Это связано с влиянием полюса, расположенного в зоне отрицательных частот.

Расположение полюсов и амплитудно-частотная характеристика фильтра Баттерворта третьего порядка показано на рисунке 4.

Порядок фильтра Порядок фильтра
Рисунок 4. Расположение полюсов фильтра Баттерворта третьего порядка

Как видно из графиков, показанных на рисунках 2…5, при увеличении порядка фильтра Баттерворта увеличивается крутизна спада амплитудно-частотной характеристики и возрастает требующаяся добротность цепи второго порядка (контура), реализующего полюс характеристики передачи фильтра. Именно возрастанием требующейся добротности и ограничивается максимальный порядок фильтра, который удается реализовать. В настоящее время удается реализовать фильтры Баттерворта вплоть до восьмого — десятого порядка.

digteh.ru

Фильтры — частотно избирательные устройства, которые пропускают или задерживают сигналы, лежащие в определённых полосах частот.

Фильтры нижних частот пропускают на выход все частоты, начиная от нулевой (постоянный ток) и до некоторой заданной частоты среза fср и ослабляют все частоты, превышающие fср. Частотная характеристика такого фильтра показана на рисунке. Диапазон частот от нуля до fср называется полосой пропускания фильтра, а диапазон частот, превышающих fb-полосой подавления. Интервал между fср и fb называется переходным участком, а скорость, с которой на этом участке изменяется величина ослабления, является важной характеристикой фильтра. Частота среза fср – это та частота, при которой напряжение на выходе фильтра падает до уровня 0,707 от напряжения в полосе пропускания (т.е. падает на 3 дБ); частота fb— это та частота, напряжение на которой на 3 дБ выше, чем напряжение в полосе подавления.

Фильтр верхних частот ослабляет все частоты, начиная от нулевой и до частоты fср, и пропускает все частоты, начиная с fср и до верхнего частотного предела схемы. Пассивные фильтры построены из катушек индуктивности, конденсаторов и сопротивлений. Пассивные фильтры ослабляют частоты не только в полосе подавления, но и в полосе пропускания, хотя частоты в полосе подавления ослабляются сильнее. Используемые в пассивных фильтрах катушки индуктивности обладают активным сопротивлением, межвитковой ёмкостью и потерями в сердечнике (если таковой имеется), что делает их свойства далёкими от идеальных.

По сравнению с пассивными фильтрами, активные фильтры имеют следующие преимущества:

— в них используются только сопротивления и конденсаторы, т.е. компоненты, свойства которых ближе к идеальным, чем свойства катушек индуктивности;

— они относительно дёшевы;

— они могут обеспечивать усиление в полосе пропускания и, в отличие от пассивных фильтров, редко вносят потери;

— использование в активных фильтрах операционных усилителей обеспечивает им развязку входа от выхода (поэтому активные фильтры легко делать многокаскадными и тем самым улучшать их показатели);

— активные фильтры относительно легко настраивать;

— фильтры для очень низких частот могут быть построены на компонентах, имеющих умеренные значения параметров;

— Активные фильтры невелики по размерам и массе.

Активные фильтры имеют и недостатки. Они нуждаются в источнике питания, а их рабочий диапазон ограничен сверху максимальной частотой работы операционного усилителя. Это приводит к тому, что большинство активных фильтров может работать на частотах, не превышающих нескольких мегагерц, хотя отдельные типы операционных усилителей могут обеспечивать работу фильтров и на более высоких частотах.

ФЧХ фильтра верхнич частот (ФВЧ) представлена на рисунке 4.

Согласно ГОСТ, нижняя граница полосы пропускания для сигналов ЭКГ составляет 0,5 Гц. Этого достаточно для корректного снятия сигнала ЭКГ и подавления постоянной составляющей сигнала, которая возникает при наложении электродов на кожу человека. Поэтому, необходимо получить ФВЧ с частотой среза 0,5 Гц. В качестве фильтра используем активный RC-фильтр первого порядка, схема которого представлена на рисунке 5.

Порядок фильтра

Частота среза фильтра нижних частот f=35 Гц. Этого достаточно для снятия сигналя ЭКГ и подавления синфазной составляющей сигнала (50 Гц). В качестве ФНЧ выберем фильтр третьего порядка (наклон переходной характеристики 18 дБ/октава). Фильтр третьего порядка обеспечит достаточно крутую переходную характеристику и не очень сложен в реализации (содержит относительно малое количество компонентов, поэтому достаточно дёшев).

Порядок фильтра – это число полюсов его передаточной функции. Например, фильтр нижних частот второго порядка – это двухполюсный фильтр нижних частот, и его характеристика на переходном участке имеет наклон 12 дБ/октава (каждый полюс увеличивает наклон на 6 дБ/октава).

Соединяя последовательно (каскадно) фильтры низких порядков, можно получить фильтры более высоких порядков. Например, три последовательно соединённых фильтра второго порядка дают фильтр шестого порядка.

Рассмотрим три основных типа фильтров: фильтр Баттерворта, фильтр Чебышева и фильтр Бесселя.

Фильтр Баттерворта. Частотная характеристика фильтра Баттерворта в пределах полосы пропускания близка к равномерной, и её называют максимально плоской. Наклон переходного участка фильтра Баттерворта равен 6 дБ/октава на полюс.

Фильтр Баттерворта имеет нелинейную фазово-частотную характеристику, т.е. время, которое требуется для прохождения сигнала через фильтр, зависит от частоты сигнала нелинейно. Поэтому импульс, поданный на вход фильтра Баттерворта, вызывает выброс на его выходе.

Фильтр Чебышева. Характеристика фильтра Чебышева имеет волнообразные зубцы в полосе пропускания и равномерна в полосе подавления; количество зубцов в характеристике в полосе пропускания такого фильтра тем больше, чем выше его порядок.

На переходном участке наклон характеристики фильтра Чебышева может превышать 6 дБ/октава на один полюс. Фильтр Чебышева оказывается весьма полезным в тех случаях, когда на переходном участке необходима очень высокая скорость изменения ослабления, т.е. очень крутой наклон характеристики.

Фильтр Бесселя. О фильтрах Бесселя говорят как о фильтрах с линейной задержкой. Это значит, что запаздывание по фазе сигнала на его входе линейно возрастает с частотой. Поэтому фильтры Бесселя практически не дают выброси при подаче на их вход ступенчатого сигнала.

Фильтры Бесселя имеют наклон характеристики на переходном участке менее 6 дБ/октава. Частота среза фильтра Бесселя определяется как частота, на которой запаздывание по фазе равно половине запаздывания, максимально возможного для данного фильтра. При этом частота среза фильтра Бесселя не равна его частоте на уровне -3 дБ.

В качестве фильтра ФНЧ используется фильтр Бесселя, так как он не имеет выброса в полосе пропускания и задержка сигнала не зависит от его частоты.

Для получения фильтра третьего порядка, необходимо последовательно соединить фильтр второго порядка и фильтр первого порядка. Необходимо учесть, что при каскадном соединении фильтров наблюдается сужение полосы пропускания!

Согласно техническому заданию, частота среза ФНЧ на уровне -3 дБ составляет f-3дБ=35 Гц. Согласно справочной литературе, для фильтра Бесселя третьего порядка справедливо следующее соотношение:

Порядок фильтра

откуда:

Порядок фильтра

Проведём расчет параметров для звеньев первого и второго порядка.

Для звена первого порядка:

Порядок фильтра

Для звена второго порядка:

Порядок фильтра

Вычислим коэффициент усиления в звене второго порядка. Сигнал ЭКГ с размахом 5 мВ усиливается на инструментальном усилителе в 10 раз, т.е. обработке фильтром нижних частот подвергается сигнал с размахом в 50 мВ. Зададим коэффициент усиления звена второго порядка фильтра нижних частот К=20. Таким образом на вход АЦП будет подан сигнал с размахом в 1 В. Если задать К>20, то рассматриваемое звено будет более чувствительно к разбросу номиналов входящих в него элементов.

В качестве звена второго порядка используется ФНЧ на основе конверторов полного сопротивления, схема которого представлена на рисунке 6. Достоинствами данного фильтра являются:

— Достижимы как малые, так и большие значения добротности.

— Высокое входное сопротивление.

— Простота настройки.

— Большие значения Q реализуются при небольшом диапазоне номиналов элементов

— Невысокая чувствительность к отклонениям величин R и С.

ФНЧ на основе конверторов полного сопротивления

Передаточная функция данного фильтра:

Порядок фильтра

Параметры схемы:

Коэффициент усиления данного фильтра рассчитывается по формуле К=1+R2/R6

Круговая частота среза Порядок фильтра

Порядок фильтра

Добротность:

Порядок фильтра

Откуда:

Порядок фильтра

Порядок фильтра

Порядок фильтра

Порядок фильтра

Так же

Порядок фильтра

Откуда:

Порядок фильтра

Таким образом, номиналы элементов в данном звене связаны следующими зависимостями:

Порядок фильтра

Порядок фильтра

Порядок фильтра

Порядок фильтра

Резисторы выберем из ряда номиналов E-96, типоразмер 0805, точность номинала ±1%. Конденсаторы выберем из ряда номиналов E-24, с типом диэлектрика NPO (параметры конденсаторов с данным типом диэлектрика наименее подвержены влиянию температуры окружающей среды на номинал) , типоразмер 0805, точность номинала ±5%.

Зададим резистор R2=1 Мом. Из соотношения (2): R6= R2/19=52631.58

Из ряда номиналов: R6=52300 Ом.

Из соотношения (1): R3* R7* С1* С4=5,409*10-7.

Для удобства расчета примем С1= С4=3 нФ.

После подстановки из (1) получаем: R3* R7=6,01*1010

Примем

Порядок фильтра

Из ряда номиналов: R=R7=243 кОм.

Конденсаторы С1 и С4 на схеме представим в виде двух параллельно подключённых конденсаторов ёмкостью 1,5 нФ.

В качестве звена первого порядка применяется инвертирующий ФНЧ первого порядка на одном операционном усилителе первого порядка, схема которого представлена на рисунке 7.

Для данного фильтра:

Порядок фильтра

Порядок фильтра

Как было рассчитано ранее: Порядок фильтра

Порядок фильтра

Порядок фильтра

Примем R2=105кОм

Тогда С=33нФ. Конденсатор выбран с типом диэлектрика X7R. Ёмкость конденсатора с данным типом диэлектрика зависит от параметров окружающей среды сильнее, чем с диэлектриком NP0, но в звене первого порядка отклонение номинала не столь критично.

Так как усиление в этом звене не требуется, примем R2=R1=R=105кОм.

Сигнал ЭКГ является биполярным. Так как после фильтрации и усиления сигнал подаётся на вход АЦП, необходимо сделать этот сигнал униполярным. Для этого приведём схему инвертирующего ФНЧ первого порядка к виду, представленному на рисунке 8.

Для данной схемы: Uвых= Uсдв(R1`/R2`)-Uвх(R1/R2). Примем диапазон входного напряжения Uвх=±1В. Опорное напряжение АЦП URef =2,4В, т.е. на вход АЦП должен подаваться униполярный сигнал в диапазоне от 0 до 2,4В. Поэтому, зададим напряжение смещения Uсдв=0,5URef=1,2 В. Примем R2`=R1`=R2=R1=105 кОм.

Цифро-аналоговый преобразователь с выходом по напряжению, используемый в данной схеме, формирует сигнал калибровки для канала ЭКГ. Это синусоидальный сигнал, причём всегда положительный и лежащий в диапазоне от 0В до опорного напряжения ЦАП. Нам необходимо этот сигнал сделать биполярным (т.е. сместить) и ослабить, так как чувствительность кардиоканала ограничивается величиной в 5 мВ.

Сформируем напряжение сдвига. Опорное напряжение ЦАП составляет 2,4 В. Необходимо сдвинуть этот сигнал на половину величины (1,2В).

Схема для получения такого сигнала представлена на рисунке 9.

Входное напряжение величиной 2,4В делится пополам на резисторном делителе, который состоит из 2 резисторов величиной 20 кОм. Далее в схеме установлен буфер, который представляет собой операционный усилитель с отрицательной обратной связью. Буфер обладает изолирующими свойствами (большим входным сопротивлением и малым выходным).

Сформированное таким образом напряжение сдвига используется для смещения сигнала калибровки, а так же сигналов с каналов регистрации ЭКГ и дыхания.

На рисунке 10 представлена схема сигнала калибровки.

Сигнал с ЦАП инвертируется на операционном усилителе А1В и смещается на величину 1,2В. В результате, мы получаем синусоидальный сигнал с амплитудой 1,2 вольта без постоянной составляющей. Далее на двух резистивных делителях происходит ослабление сигнала, после чего ослабленный сигнал проходит через буфер (повторитель).

Схема делителя напряжения представлена на рисунке 11.

Порядок фильтра

На выходе усилителя А1В формируется синусоидальный сигнал с размахом 2,4В. Для калибровки канала ЭКГ размах сигнала должен быть сопоставим с размахом сигнала ЭКГ, т.е. составлять около 5 мВ. Таким образом, коэффициент деления должен составлять:

Порядок фильтра

Так как на одном делителе получить такой коэффициент деления нельзя, необходимо последовательно соединить два делителя с коэффициентами деления 0,02 и 0,04.

Исходя из этого номиналы резисторов, входящих в делитель, будут следующими:

R31=1кОм;

R26=24кОм;

R32=100Ом;

R27=20кОм.

Частота дыхательных движений регистрируется с помощью датчика Compumedics Piezo Respiratory Effort Belt. Характеристики датчика и требования к каналу обработки снятого с него сигнала представлены в таблице 4.

Таблица 4

Выходной ток 0,15 мкА
Частота дискретизации 25 Гц
Разрядность АЦП 8 бит

Преобразователь тока в напряжение. Простейшим преобразователем тока в напряжение является резистор. Однако у него есть недостаток, который состоит в том, что для источника входного сигнала входное сопротивление такого преобразователя не равно нулю. Так как имеющийся датчик обеспечивает очень малый выходной диапазон, этот недостаток является очень серьёзным. На рисунке 12 представлена схема преобразователя, лишенного этого недостатка.

В данной схеме входному току 1мкА соответствует выходное напряжение, равное 1 вольту.

Номинал сопротивления R необходимо принять равным 1,5 МОм. Так же на инструментальном усилителе необходимо задать коэффициент усиления равным 10.

Тогда в преобразователе:

Порядок фильтра

На выходе ИУ напряжение будет составлять 2,25В, что меньше опорного напряжения АЦП. Так же необходимо реализовать сдвиг сигнала на величину 1,2В. Таким образом, схема канала дыхания представлена на рисунке 13.

Выше была рассмотрена часть схемы, отвечающая за усиление и фильтрацию сигналов. Для передачи обработанных сигналов на персональный компьютер с целью их отображения на мониторе, обработки результатов исследования и последующего их хранения необходимо перевести сигнал в соответствующий ему цифровой код. Для этой цели необходимо использовать аналогово-цифровой преобразователь. Рассмотрим различные типы аналогово-цифровых преобразователей и выберем необходимый для регистрации сигналов ЭКГ и дыхания в разрабатываемом приборе.

Существует несколько основных типов архитектуры АЦП, хотя в пределах каждого типа существует также множество вариаций. Различные типы измерительного оборудования используют различные типы АЦП. Например, в цифровом осциллографе используется высокая частота дискретизации, но не требуется высокое разрешение. В цифровых мультиметрах нужно большее разрешение, но можно пожертвовать скоростью измерения. Системы сбора данных общего назначения по скорости дискретизации и разрешающей способности обычно занимают место между осциллографами и цифровыми мультиметрами. В оборудовании такого типа используются АЦП последовательного приближения либо сигма-дельта АЦП. Существуют также параллельные АЦП для приложений, требующих скоростной обработки аналоговых сигналов, и интегрирующие АЦП с высокими разрешением и помехоподавлением.

На рисунке 14. показаны возможности основных архитектур АЦП в зависимости от разрешения и частоты дискретизации.

studopedia.ru