Filtro passa-banda

Ciao a tutti
Tramite il programma FilterPro Filter Designer | Design Resources | TI.com ho progettato un filtro attivo del quarto ordine che vorrei usare per generare una sinusoide (per esperimenti con gli ultrasuoni) partendo da un'onda quadra a 40kHz, ho impostato:

guadagno: 20dB
centro frequenza: 40kHz
ripple massimo: 1dB
banda passabanda: 2kHz
tipo di risposta: Butterworth 2 stage (Q Max: 28.289)

il guadagno non è essenziale e potrebbe essere per i miei scopi anche unitario (0 dB) per il momento.

Ho provato a simulare il circuito con LTSpice ma dato un segnale onda quadra a 40kHz in ingresso in uscita trovo un segnale molto piccolo e distorto (vedi immagine)...
Qualcuno che ci capisce qualcosa di op-amp e filtri può aiutarmi?

Per la simulazione l'op-amp è ideale con "Avol=1Meg GBW=300Meg Slew=1Meg"

Ciao

Filtro Passabanda 40kHz.pdf (191 KB)

BandPass.asc (2.56 KB)

Per quanto riguarda il filtri ti consiglio di dare un occhio agli appunti che ho caricato di la.. non ricordo se ho messo anche gli attivi ma cè molta roba ce ti può servire..
Per quanto riguarda l'IC con quelle caratteristiche non saprei aiutarti..

Più che IC per il momento ho problemi anche con la simulazione.. :astonished:
Il programma come puoi vedere dal PDF allegato mi da un GBW minimo di quasi 400 MHz... probabilmente costerà un'occhio della testa un op-amp doppio così..
Avete qualche aiuto per sbrigarmela con op-amp che ho in casa che possono avere un GBW di 8 MHz o comunque un op-amp con banda non così alta che posso comprare con poco?

Ciao e grazie a tutti

Ho rivisto i tuoi appunti (http://www.electroit.tk/index.php/topic,47.0.html) ma non mi sono stati molto d'aiuto..

Nel simulatore ho provato a cambiare i parametri degli op-amp impostando: Avol=30000Meg GBW=30000Meg Slew=30000Meg tanto per stare sicuri e migliora di qualcosina ma siamo ancora lontanissimi da un passa-banda. Ad 80kHz ad esempio ho ancora delle frequenze a solo 9dB in meno dei 40 kHz..

Non so se il problema è nel simulatore o nel filtro (creato in automatico dal programma)...

Ciao

Mmmh... ho provato dalla disperazione ad utilizzare il programma Tina (gratuito Spice-like di Texas Instrument) e devo dire che è molto bello e.. la simulazione col componente ideale è corretta, il filtro funziona perfettamente! Mentre simulando ad esempio con dei uA741 il risultato è come quello ottenuto con LTSpice...
Qualcuno sa dove sbaglio con LTSpice?

Ciao e grazie a tutti

flz47655:
Ho provato a simulare il circuito con LTSpice ma dato un segnale onda quadra a 40kHz in ingresso in uscita trovo un segnale molto piccolo e distorto (vedi immagine)...
Qualcuno che ci capisce qualcosa di op-amp e filtri può aiutarmi?

Gli spice, tutti, mentono, o meglio devi conoscere l'elettronica meglio di loro per poterli usare con successo :smiley:
Per un filtro come serve a te basta un qualunque opamp con banda => 1MHz, però deve essere del tipo rail to rail se vuoi alimentarlo con una tensione singola di 5V, altrimenti uno normale con alimentazione duale +/- 9V.
In tutti i casi per pilotare una capsula ultrasonica da 40 kHz non ti serve una sinusoide, va bene l'onda quadra direttamente perché viene comunque trasformata in una sinusoide dall'elemento piezoelettrico che non può muoversi in modo diverso quando è in risonanza.
La capsula puoi vederla come l'equivalente di un filtro passa banda (RLC) con un Q (fattore di merito, influisce sulla banda passante) molto alto, in pratica è molto meglio del tuo filtro attivo :smiley:
Un modo semplice per pilotare le capsule ultrasoniche è utilizzare un MAX232, o equivalente, collegando la capsula tra due Tx, pilotati in modo complementare, in modo da ottenere quasi 20V di tensione sul segnale.

Grazie astro,
Non sono ancora un grande esperto di op-amp, so proprio alcune cosette base ed il modello di Spice è molto più complesso della "mia teoria".
Per il rail-to-rail o l'alimentazione più alta dell'op-amp non è un problema, ma sei sicuro che basta così poca banda? Il programma mi dava un valore molto alto..
Il fattore Q lo consideravo in questo caso un fattore negativo in quanto volevo reiettare più disturbi possibili ed avere un qualcosa di molto selettivo, con banda quindi ristretta.
Ad ogni modo pensavo di mettere il filtro più che altro al ricevitore, l'onda quadra era un esempio più che altro per la simulazione per vedere se funzionava e tagliava le armoniche spurie

Ciao e grazie

flz47655:
Il fattore Q lo consideravo in questo caso un fattore negativo in quanto volevo reiettare più disturbi possibili ed avere un qualcosa di molto selettivo, con banda quindi ristretta.

Il Q determina la banda passante, più è alto e minore è la banda con questa relazione : "Bp = F/(2piQ)", ove Bp è la banda passante e F è la frequenza centrale in Hertz, detto in altri termini Q determina la selettività del filtro.

Ad ogni modo pensavo di mettere il filtro più che altro al ricevitore, l'onda quadra era un esempio più che altro per la simulazione per vedere se

Sul ricevitore non serve nessun filtro, al limite un passa basso tagliato a 50-60 kHz giusto per eliminare eventuali componenti emi, la capsula ultrasonica ricevente esce con un onda sinusoidale, semmai devi squadrarla, ed è un passa banda molto selettivo di suo, basta che la frequenza devia di poche centinaia di Hertz per non ricevere più nulla.
Se il tuo scopo è realizzare un sonar ti sarà molto utile uno stadio ricevente con gain variabile da 50 fino a 1000, almeno tre opamp in cascata con selettore di gain tramite potenziometri digitali, questo perché mano a mano che passa il tempo il segnale da ricevere è sempre più debole per via della distanza percorsa e tenere un elevato gain fisso porta facilmente ad ottenere falsi echi con conseguenti letture falsate.

Si scusami hai ragione, più Q è elevato più la banda è stretta.
Allora niente filtro se già trasmettitore e ricevitore fanno tutto :slight_smile: ci metterò un passa basso al limite come hai detto
Per il momento non devo costruire un sonar comunque grazie lo stesso per gli altri consigli
Ciao

Ciao a tutti ,

Se il tuo scopo è realizzare un sonar ti sarà molto utile uno stadio ricevente con gain variabile da 50 fino a 1000, almeno tre opamp in cascata con selettore di gain tramite potenziometri digitali, questo perché mano a mano che passa il tempo il segnale da ricevere è sempre più debole per via della distanza percorsa e tenere un elevato gain fisso porta facilmente ad ottenere falsi echi con conseguenti letture falsate.

sarebbe interessante approfondire la cosa,se non ricordo male , l'NE570 ha al suo interno due opamp con la resistenza di loop variabile e mi pare che sia variabile in tensione, se così fosse si potrebbe pensare ad un codice che varia il PWM in funzione del tempo ed utilizzarlo per variare il guadagno dell'opamp,non sarebbe male,no?

tonid:
se non ricordo male , l'NE570 ha al suo interno due opamp con la resistenza di loop variabile e mi pare che sia variabile in tensione,

Mai usato, però da una rapida occhiata al datasheet la banda passante è limitata al settore audio, 15-20000 Hz, il che significa che non va bene per gli ultrasuoni.
Ci sarebbe da fare tutta una serie di considerazioni sul fatto che il PWM di Arduino è troppo lento (490 Hz) per poterlo convertire in una tensione variabile sufficientemente veloce per poter modificare come serve il gain, inoltre serve un filtro passa basso e un opamp aggiuntivi, alla fine si fa prima con la cascata di opamp e il potenziometro digitale.

@astrobeed
Stavo guardando il datasheet ed effettivamente hai piena ragione,sinceramente non ricordo nemmeno in quale occasione mi sono imbattuto in quel componente ma ricordavo il fatto di poter variare la R di gain .Rimane comunque interessante il fatto del sonar.

Ad ogni modo se volessi creare un passa-banda perchè il programma mi da un GBW minimo di quasi 400 MHz mentre dite che con 1 MHz si riesce a fare? Come siete arrivati alla conclusione che basta 1 MHz?

flz47655:
mentre dite che con 1 MHz si riesce a fare? Come siete arrivati alla conclusione che basta 1 MHz?

Ti pare una cosa logica dover usare un OpAmp da 400 MHz, molto costoso e non facilmente reperibile, per un banale filtro da 40 kHz ?
La banda si determina in base al guadagno necessario ed è pari a quella nominale del OpAmp (solitamente riferita al guadagno unitario) divisa il guadagno, un OpAmp da 1 MHz ti consente una banda di 40 kHz con un gain di 25, più che sufficiente per un filtro attivo.

Non sono esperto di filtri ma vuoi dire che il programma filterpro della texas è così fuorviante?
Guarda ho provato a fare la simulazione con TINA (bella la funzione che traccia i diagrammi di bode!) con un op-amp ideale e con un LM358 (1MHz di banda, alimentato a 9v, onda quadra a 5v), guarda i risultati sono totalmente differenti e anche il caso dell'op-ideale diverge da come dovrebbe essere la risposta del filtro secondo filterpro..

UPDATE: Allego anche il file dello schematico usato con TINA

PassBand.TSC (28.4 KB)

Direi che il problema sta in quello che ti aspetti in uscita, la banda passante è sempre riferita ad un segnale sinusoidale con attenuazione pari a 3db (Vout = Vin * 0.707).
In pratica non puoi applicare ad un filtro passa banda un segnale rettangolare e aspettarti di vedere quello in uscita, in realtà ottieni una sinusoide più o meno distorta a seconda della purezza del segnale in ingresso e le caratteristiche di banda del opamp utilizzato.
Nel tuo caso reale se applichi un segnale ad onda quadra a 40 kHz con duty cycle 50% , p.e. partendo dal generatore PWM di Arduino, ad un filtro passa banda del quarto ordine realizzato con dei comuni LM358 in uscita ottieni un sinusoide quasi accettabile di pari frequenza e di pari ampiezza se il filtro è per i 40 kHz.
Con altre frequenze ottieni sempre delle sinusoidi attenuate in accordo alle caratteristiche del filtro maggiormente ti allontani dalla frequenza centrale.

Dal filtro in uscita mi aspettavo come hai scritto:

  • segnale attenuato = Vin * 0.707
  • sinusoide a 40 kHz (le armoniche multiple devono essere tagliate dal filtro passabanda)

Dalla simulazione invece, se hai visto le immagini che ho allegato (attenzione grafici lineari non logaritmici), con un LM358 mi trovo il centro frequenza shiftato a 20kHz ed addirittura un guadagno inaspettato a tale frequenza... col l'op-amp ideale tutto è a posto invece.. volevo capire il perché per poter simulare in futuro correttamente i miei filtri, te che programma usi per le simulazioni? La simulazione ti torna?

Ciao e grazie

flz47655:
te che programma usi per le simulazioni?

Quelle rare volte che mi serve Multisim perché è un mixed modo (analogico e digitale) con capacità di emulare svariati micro, però è un prodotto abbastanza complesso, non facile da utilizzare e non mi pare esista una versione free, dovrebbe esserci solo la classica trial tot giorni e la versione accademica a basso costo.
Ti consiglio di lasciar perdere gli spice e usare le breadboard montando il circuito, ci vogliono pochi minuti e hai un riscontro reale strumentale.
La stragrande maggioranza dei progetti viene solo in parte simulata, e tocca saperlo fare, giusto per capire se non ci sono gravi errori progettuali, poi si realizza il prototipo e si fanno test strumentali correggendo gli eventuali problemi con taglia e cuci, ovvero tagli di piste e filature per modificare il circuito e/o aggiungere componenti.

Anche io uso multisim, cè la versione trial da 30 giorni oppure se lo compri assieme ad alcuni testi scolastici cè una versione per studenti come la mia che dura sempre e non ha limitazioni, forse (ma dovrei verificarlo) è limitato nel numero massimo di componenti utilizzabili nelle simulazioni ed in ultiboard

Il punto è che volevo proprio capire come simulare per bene i miei circuiti e capire i limiti delle simulazioni..
Con MultiSim potete provare a ricostruire il circuito me dirmi che risultati vi escono?

Ciao e grazie