Полосовые фильтры НЧ: на какой элементной базе создать?


Требуется создать портативное экономичное устройство (желательно с питанием от батареи «Крона») для измерения в спектре звукового сигнала шумового характера амплитуды двух составляющих, а именно частот 225 и 265 Гц. Входной звуковой сигнал аналоговый и лежит в основном в полосе частот от 160 до 890 Герц. Индикацию амплитуды этих двух составляющих думаю сделать на светодиодных полосах, предположительно от Kingbright.

Есть идея сначала аналоговый входной сигнал преобразовать в цифровой, а затем уже фильтровать. Но это излишне усложнит схему и увеличит ее энергопотребление, сложность, стоимость конструкции, поэтому лучше, думаю, следует обрабатывать аналоговый сигнал, хотя как знать? Что думаете по этому поводу?

Столкнулся с проблемой, как лучше и на чем сделать полосовые фильтры для выделения из звукового шумового сигнала двух выше указанных составляющих частот 225 и 265 Гц. Частоты расположены очень рядом, поэтому полосовые фильтры должны быть очень узкополосные и с достаточной добротностью. На чем их можно было бы создать? Катушки какие – то не хотелось бы мотать. Кроме того, думаю, необходимо будет иметь возможность в некоторых границах немного перестраивать в процессе испытания устройства фильтры в ту или иную сторону по частоте пропускания. Выложу некоторую информацию, которую нашел в Интернете по данной теме.

Попались сведения о микросхеме BA3834F – семиполосный фильтр японской корпорации ROHM. BA3834F имеет семь полосовых фильтров: 68 Гц, 170 Гц, 420 Гц, 1000 Гц, 2400 Гц, 5900 Гц, 14400 Гц. Но мне то нужны иные частоты и столько много фильтров в одном корпусе не нужно, так что эта микросхема мне не подойдет. Но, может быть, есть нечто подобное и попроще? Подскажите, если знаете.

Попалась информация о схемотехнике диапазонного полосового фильтра в DATA SHEET на микросхему LM324. Этот DATA SHEET выкладываю здесь в теме – посмотрите схему полосового фильтра на странице 17 в документе. Но там номиналы элементов приведены на частоту 1 кГц. И добротность фильтра равна 25. Мне эта микросхема нравится, так – как она широко распространена, недорогая и к тому же я ее имею, но получатся ли на ней довольно узкополосные и с достаточной добротностью фильтры на указанные мной в самом начале этой статье частоты? Номиналы для перестройки на другие частоты можно было бы подобрать. Что скажете по этому поводу?

Попадалась еще информация о фильтрах - гираторах, то есть полупроводниковых аналогах индуктивности на операционных усилителях. Перестройка центральной частоты фильтра и его добротности там осуществляется подстроечными резисторами. Делал ли кто – нибудь такое? Если да, то поделитесь информацией и схемами. Может быть мне такое подошло бы.

Попалась информация о микросхемах полосовых фильтров на MAX260, MAX261, MAX262, но цена на эти микросхемы уж слишком большая - просят по 8,6 доллара за штуку, а хотелось бы что – то подешевле. Кроме того, там мне не все понятно с программированием этих микросхем. Смотрел также MAX7490/MAX7491, но опять таки, микросхемы от MAXIM слишком дорогие.

Думаю, некоторые идеи для решения поставленной задачи можно было бы взять из статей по ссылке: http://labkit.ru/html/show_meter

В общем, если кто – то смог бы дать еще какие – то советы о путях решения описанной мной задачи, то просил бы их высказать здесь в теме. Может быть существуют какие – то другие простые микросхемы полосовых фильтров НЧ, на которых можно было бы сделать задуманное мной устройство, то просил бы это подсказать.

И еще один вопрос. Как я писал выше, индикацию амплитуды двух составляющих 225 и 265 Гц думаю сделать на светодиодных полосах, предположительно от Kingbright. Но светодиоды довольно прожорливы в отношении потребления тока, тем более, что устройство должно питаться от батареи «Крона», емкости которой надолго не хватит. Можно конечно запитать светодиодные полосы импульсным током, что уменьшит их потребление. Но, может быть, есть какие – то простые графические ЖК - индикаторы, которые можно было бы использовать вместо светодиодных полос. Нужны небольшие какие то и экономичные. Что – то не удалось найти подходящих для поставленной цели. Может быть кто – нибудь подсказал бы мне и это.

Взять какой-нибудь ADUC или dsPIC, там уже есть АЦП внутри, и сделать все на основе цифровой обработки. Едва ли ваши аналоговые фильтры выйдут проще и дешевле ...

IMHO, все надо делать в цифре и, полагаю, вполне хватит ширпотребных MCU (AVR, например). Индикатор - навалом сегментных LCD с контроллером (TICxxx от "Гаммы"), а если сегментные не подходят - графических модулей (от нее же), или знакосинтезирующих индикаторов (на 44780, либо на PCF2119, в COG-варианте, опять же от "Гаммы") - на знакосинтезирующих тоже такие полоски-уровни неплохо получаются.

Ограничить полосу сигнала низкодобротным фильтром ~150-400 Гц, затем оцифровать и обработать тем, или иным способом. Ресурсов ширпотребных ATMega вполне на это хватает - проверено.

Есть решение Audio Spectrum Monitor - простой анализатор спектра
http://elm-chan.org/works/akilcd/report_e.html

Если Вам нужно экономичное решение (по энергопотреблению), то нельзя применять цифровую обработку сигнала для реализации ФНЧ (наподобие описанной в статье "AVR223: Digital Filters with AVR (цифровые фильтры на AVR)"), так как от микроконтроллера потребуется максимальная производительность. Нужно искать специализированные микросхемы для аппаратной реализации фильтров.

Например, есть специализированные микросхемы фильтров на переключаемых конденсаторах, наподобие LMF100, см. [1], этот фильтр как раз двухканальный. На выходе фильтра нужно поставить амплитудный детектор (например, на операционном усилителе) и сигнал с него подать на АЦП микроконтроллера. Можно применить активные фильтры на операционных усилителях (как рассчитать см. [2]), на выходе фильтра также поставить аналоговый детектор амплитуды, и уже с выхода детектора также подавать сигнал на АЦП микроконтроллера. Тогда можно добиться низкого энергопотребления путем использования энергосберегающих режимов, либо путем снижения тактовой частоты микроконтроллера.

Если не нужен анализ амплитуды сигнала, а нужен просто релейный тональный декодер (на срабатывание от частот 225 и 265 Гц), то можно применить очень хорошую микросхему KA567, см. [3]. Для детектирования двух частот понадобится 2 микросхемы KA567. С выхода микросхем информацию о наличии нужной частоты можно подать прямо на микроконтроллер.

[Ссылки]

1. Микросхема LMF100 - аппаратный двухканальный ФНЧ.
2. Инструменты для радиоинженеров от National Semiconductor.
3. Тональный декодер KA567.

При необходимости выводить результат на индикатор для рассматри вания глазками, результат нужен 1 раз в 0.3-0.5 сек. Производительность процессора при этом нулевая. Особенно при том, что Вам не нужен фильтр как таковой. Посчитайте спектр по БПФ и получите результат. Хотя, возможно, что при двух точках фильтр окажется эффективнее по затратам времени. Так что по электричеству вполне пройдет. Аналоговые фильтры делать и не пытайтесь. Они, конечное, экономичные по потреблению, но при такой крутизне совершенно невыполнимые. Один экземпляр, может и сделаете, а серийно Вам понадобятся конденсаторы с точностью 0.5%, и где Вы будете их искать? Вариант на специализированных м/сх фильтров вполне возможен, но следует оценить потребление и затраты. Опять же, перестройка частот при регулировке проблематична.

Аналоговых решений принципиально 3 (если без катушек):
1. Фильтр на операционниках
2. Фильтр на гираторах (не знаю, выпускаются ли серийно)
3. Фильтр на переключаемых конденсаторах или синхронный фильтр.

Последний как бы полуцифровой, его можно реализовать на аналоговом мультиплексоре (например, 74HC4051) и счетчике либо слабеньком проце. Меняя частоту переключения адресных входов мультиплексора, меняем центральную частоту. Емкости конденсаторов, подключенных к входам каналов, определяют добротность. Последовательно выставив тактовую частоту счетчиков 225*8 и 265*8 Гц, можно померить уровни требуемых составляющих. Единственно, надо точно знать и выставлять частоту, на то фильтры и синхронные.

4.Фильтр на аналоговых динамических переключаемых ПЛИС,а современные ис фильтров по пунктам 1-3 посмотрите тут

Всем спасибо за высказанные мнения в этой теме.

Хочу еще спросить. Как известно, для узкоспециализированных фильтров можно применять даже однобитное аналогово-цифровое преобразование (с помощью компаратора). Например, такое решение применяется для тональных декодеров (DTMF, например, MT8870 и т. д.). А нельзя ли было бы такое решение использовать для поставленной мной задачи? Ответ просьба аргументировать.

Можно, но это уже цифровая фильтрация. И если мы чуть раньше говорили об энергетической неэкономичности цифровой фильтрации, то тут она (фильтрация) должна происходить на повышенной частоте (однобитное преобразование делают на частотах, в десятки раз превышающих верхнюю частоту спектра), и этот недостаток только усугубляется

А это ничего, что потребление вышеназванных микросхем существенно превышает потребление, скажем, ATmega88 на максимальной тактовой частоте ?



1. Утверждение о энергетической неэкономичности реальности не соответствует.

2. Вовсе не обязательно. Ограничение те же самые - частота дискретизации должна превышать максимальную частоту спектра не менее чем вдвое. Никаких таких "десятков раз".

Мы не знаем требуемого топикстартеру порядка фильтра. Вы хотите сказать, что фильтр на 1-2 операционниках менее экономичен, чем фильтр на процессоре?


Однобитное преобразование - название условное (если только вас не устраивает сигнал, "оцифрованный" одним компаратором на удвоенной верхней частоте спектра). Для сохранения качества обработки частота дискретизации 16-разрядного (но однобитного по входу!) дельта-сигма (к примеру) АЦП должна превышать верхнюю частоту спектра более чем 2*16=32 раза. Сотни кГц и мегагерцы - нормальная частота для звуковых дельта- и дельта-сигма АЦП. Другое дело, что после первичной обработки цифровым ФНЧ в процессоре можно провести децимацию, но все-таки это задачи не для AVR.

Да, на операционниках можно сделать экономичнее (только радости от прецизионного набора резисторов и конденсаторов никакой, да и громоздко). Однако предложено было на специализированных микросхемах - а это точно прожорливее. И в конечном итоге обойдется дороже.


Совершенно верно. Поэтому такой вариант даже и не рассматривается, и под "однобитным преобразованием" однозначно подразумевается "оцифровка" компаратором. Вполне жизнеспособное решение, надобно отметить (много лет применялось в самодельных АОНах). Но имея встроенный ADC, все же лучше оцифровать. хотя бы 8-битно.