VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV TELEKOMUNIKACÍ FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF TELECOMUNICATION ELEKTRONICKY ŘÍDITELNÉ KMITOČTOVÉ FILTRY S PROUDOVÝMI AKTIVNÍMI PRVKY DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR BC.TOMÁŠ SUCHÁNEK BRNO 2011

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV TELEKOMUNIKACÍ FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF TELECOMUNICATION ELEKTRONICKY ŘÍDITELNÉ KMITOČTOVÉ FILTRY S PROUDOVÝMI AKTIVNÍMI PRVKY ANGILCKY DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR BC.TOMÁŠ SUCHÁNEK ING. DAVID KUBÁNEK, PH.D. BRNO 2011

ZDE VLOŽIT LIST ZADÁNÍ Z důvodu správného číslování stránek

ABSTRAKT Cílem diplomové práce je studium možnosti elektronického řízení kmitočtových filtrů složených z aktivních prvků pracujících v proudovém módu. Hlavní možnosti řízení spočívají ve změně parametrů, nejčastěji to jsou činitel jakosti nebo mezní kmitočet. Jako aktivní prvky jsou uvažovány zejména CC (Current Convejor), říditelný proudový zesilovač DACA (Digitally Adjustable Current Amplifier), popř. kombinace s proudovým sledovačem MO-CF (Multiple Output Current Follower). Další část práce je zaměřena zejména na řízení výše uvedených parametrů pomocí digitálních potenciometrů a výběr vhodné filtrační struktury. Posledním úkolem bylo číslicové řízení parametrů pomocí PC a měření jeho vlastností. KLÍČOVÁ SLOVA Dolní propust, Horní propust, Pásmová propust, CC, DACA, MOCF, AD5242, digitální potenciometr, RS232, I2C, Digipot, CCII, el2082 ABSTRACT The aim of the thesis is to study the possibilities of the electronic frequency filter composed of active elements operating in current mode. The main opportunities lie in the change control parameters, most are marginal or quality factor frequency. As the active elements are considered especially CC (Current Convejor), controllable current amplifier DACA (Digitally Adjustable Current Amplifier) or combination with the current tracker MO-CF (Multiple Output Current Follower). Another part will focus on the management of the above parameters using digital potentiometers and choosing the appropriate filter structure. The final task was to digital control parameters using a PC and measuring its properties. KEYWORDS Low pass, High pass, Bandpass, CC, DACA, MOCF, AD5242, digital potenciometer,rs232, I2C, Digipot, CCII, el2082

SUCHÁNEK T. ELEKTRONICKY ŘÍDITELNÉ KMITOČTOVÉ FILTRY S PROUDO- VÝMI AKTIVNÍMI PRVKY. Brno: VUT v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. Ústav Telekomunikací, 2011. 58 s. Vedoucí bakalářské práce Ing. David Kubánek Ph.D.

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že svou diplomovou práci na téma Elektronicky říditelné kmitočtové filtry s proudovými aktivními prvky jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího diplomové práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené diplomové práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této diplomové práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení 152 trestního zákona č. 140/1961 Sb. V Brně dne................................................. (podpis autora)

OBSAH Úvod 8 1 Kmitočtové filtry 9 1.1 Dělení kmitočtových filtrů........................ 9 1.2 Režimy daných obvodů.......................... 11 2 Aktivní proudové prvky 13 2.1 Zobecnený proudový prvek........................ 13 2.2 Proudový konvejor CC.......................... 14 2.3 Proudový prvek DACA.......................... 14 2.4 Proudový prvek MO-CF......................... 15 3 Možnosti řízení parametrů filtrů 16 3.1 Řízení mezního kmitočtu a činitele jakosti pomocí DACA....... 16 3.2 Řízení mezního kmitočtu a jakosti pomocí digitálních potenciometrů. 22 3.2.1 Návrh obvodu pro změnu činitele jakosti Q........... 23 3.2.2 Návrh obvodu pro změnu mezního kmitočtu.......... 26 4 Praktický návrh 28 4.1 Převodník RS232/I2C.......................... 28 4.1.1 RS232............................... 28 4.1.2 I2C................................. 29 4.1.3 Popis zapojení........................... 30 4.2 Digitální potenciometr AD5242..................... 31 4.3 Říditelný filtr............................... 33 4.4 Programové vybavení........................... 36 4.4.1 Prvotní seznámení s programem................. 36 4.4.2 Nastavení komunikace...................... 38 4.5 Výroba desky plošného spoje....................... 38 4.5.1 Osazovací plán.......................... 39 4.5.2 Plány pro výrobu......................... 39 4.5.3 Seznam součástek......................... 40 5 Praktické měření 41 5.1 Změřené charakteristiky......................... 42 6 Závěr 45

Literatura 46 Seznam symbolů, veličin a zkratek 48 Seznam příloh 50 A Příloha A 51 B Příloha B 52 C Příloha C 55 D Příloha D 57 E Příloha E 58

ÚVOD Při zpracování signálů jsou kmitočtové filtry jedny z nejčastěji používaných obvodů. Používají se například v radiotechnice, elektroakustice, regulační technice, silnoproudé elektrotechnice atd. V dnešní době vzrůstají nároky na vlastnosti kmitočtových filtrů. Zejména se snažíme o dosažení větší šířky frekvenčního pásma a snížení napájecího napětí při udržení dostatečného dynamického rozsahu a odstupu signálu od šumu [7]. Cílem diplomové práce je studium možnosti elektronického řízení kmitočtových filtrů složených z aktivních prvků pracujících v proudovém módu. Hlavní možnosti řízení spočívají ve změně parametrů, nejčastěji to jsou činitel jakosti Q nebo mezní kmitočet f m. Jako aktivní prvky jsou uvažovány zejména CC (Current Convejor), říditelný proudový zesilovač DACA (Digitally Adjustable Current Amplifier) vyvinutý na Ústavu telekomunikací VUT v Brně, popř. kombinace s vícevýstupovým proudovým sledovačem MO-CF (Multiple Output Current Follower). Další část práce je zaměřena zejména na řízení výše uvedených parametrů pomocí digitálních potenciometrů a výběr vhodné filtrační struktury. Posledním úkolem byla samotná realizace filtru zahrnující číslicové řízení jeho parametrů pomocí PC a měření jeho vlastností. Výsledky měření budou uvedeny v jednotlivých závislostech. 8

1 KMITOČTOVÉ FILTRY Kmitočtový filtr je lineární dvojbran, který umožňuje kmitočtový výběr (selekci) pásma signálů. Je používaný v mnoha oblastech elektrotechniky a elektroniky. Činnost filtru spočívá v tom, že některé kmitočtové složky jsou propouštěny bez útlumu (propustné pásmo) a jiné kmitočtové složky jsou potlačeny (nepropustné pásmo). Tato vlastnost se popisuje obvykle modulovou kmitočtovou charakteristikou. Strmost filtru, což je vlastně přechod mezi propustným a nepropustným pásmem, je dána řádem filtru a typem aproximace. Průchod signálu filtrem vede obvykle k časovému zpoždění. Tato skutečnost se vyjadřuje fázovou kmitočtovou charakteristikou [1] 1.1 Dělení kmitočtových filtrů Filtry lze dělit podle přenášeného kmitočtového spektra dle [1] na: Dolní propust - u dolní propusti definujeme jako základní parametr mezní kmitočet F m, resp. f m, kdy modulová charakteristika poklesne o -3 db. Dolní propust tedy propouští nízké kmitočty (nižší než f m a vysoké potlačuje). Používá se například v usměrňovačích, kde je třeba oddělit stejnosměrnou složku a potlačit všechny střídavé složky, používá se také jako antialiasingový filtr. Přenosová rovnice pro filtr druhého řádu je obecně ve tvaru: K p = a 0 b 2 p 2 + b 1 p + b 0. (1.1) Horní propust - propouští vysoké kmitočty (vyšší než f m ) a nízké potlačuje. Přenosová rovnice pro filtr druhého řádu je obecně ve tvaru: K p = a 2 p 2 b 2 p 2 + b 1 p + b 0. (1.2) Pásmová propust - propouští určité kmitočtové pásmo a ostatní kmitočtové pásmo potlačuje. Používá se například v přijímačích, kde se vybírá pouze určité pásmo vysílače, které se poté přijímá v přijímači. Přenosová rovnice pro filtr druhého řádu je obecně ve tvaru: K p = a 1 p b 2 p 2 + b 1 p + b 0. (1.3) Pásmová zádrž - potlačuje určité kmitočtové pásmo a ostatní kmitočty propouští. Přenosová rovnice pro filtr druhého řádu je obecně ve tvaru: K p = a 2 p 2 b 2 p 2 + b 1 p + b 0. (1.4) 9

Obr. 1.1: Ideální modulové charakteristiky základních typů selektivních filtrů. Dále lze dělit filtry dle druhu použitých prvků na: Aktivní filtry Pasivní filtry Pasivní jsou sestaveny pouze z pasivních součástek (rezistory, kondenátory, cívky). Pasivní RC filtry samostatně vykazují jen slabě selektivní vlastnosti. Můžeme z nich sestavit jen nepříliš kvalitní filtry. Používají se běžně tam, kde nejsou příliš vysoké nároky na přesnost přenosové funkce filtru. Díky tomu, že se nahradí kmitočtově nezávislý rezistor kmitočtově závislým induktorem, se získá strmější pasivní RLC filtr. Snahou je však nahradit takové filtry odpovídajícími ekvivalenty s aktivními prvky z důvodu snažší nastavitelnosti či přeladitelnosti jejich parametrů. Pokud chceme kvalitnější filtr, dáváme přednost aktivním filtrům, které obsahují rezistory, kondenzátory a jeden nebo několik aktivních prvků (operační zesilovač, proudový či napěťový konvejor, transkonduktanční zesilovač atd). Hlavní výhodou aktivních filtrů je možnost vyloučení cívek při návrhu a realizaci přenosové funkce [2]. 10

1.2 Režimy daných obvodů Elektrické obvody mohou fungovat v několika režimech podle toho, s jakými signály pracují. V současné době je snaha přecházet z napěťového režimu na proudový nebo smíšený. Tyto režimy totiž umožňují dosáhnout lepších vlastností, jako je snižující se napájecí napětí. U napěťového módu dochází ke snížení dynamiky a SNR [2] Napěťový mód - Napěťový mód (VM) je režim, při kterém se využívá signálů napěťové odezvy při napěťovém buzení obvodu (obr.1.2). Tento mód bývá v klasických obvodech (obvody s operačními zesilovači). Obvod je pak buzen zdrojem napětí, který je připojen mezi pasivní dvojpól, resp. aktivní člen a zem. Na výstupu sledována napěťová odezva snímaná z výstupního uzlu vůči zemi [2]. Obr. 1.2: Napěťový mod. Proudový mód - Proudový mód (CM) je režim, při kterém se využívá signálů proudové odezvy při proudovém buzení obvodu (obr.1.3). Tento mód se začíná stále více uplatňovat hlavně v aktivních filtrech pro oblasti vyšších kmitočtů, kde se nedají už klasické filtry RC použít, protože vlastnosti dostupného reálného OZ to nedovolují. Obvod je tedy buzen zdrojem proudu a jako výstup je sledována proudová odezva v dané části větve. [2]. Smíšený mód - hovoří se o něm tehdy, pracuje-li část obvodu v proudovém módu, nejčastěji aktivní prvek nebo funkční blok, ale výsledně zpracovává obvod signál napěťový (smíšený mód V/CM), (obr.1.4). Pracuje-li naopak část obvodu v napěťovém módu, výsledně obvod zpracovává signál proudový (smíšený mód C/VM) [2]. 11

Obr. 1.3: Proudový mod Obr. 1.4: Smíšený mod Tento mód se pak rozděluje na: smíšený napěťový V/CM při zpracování signálu využívá napěťové odezvy při proudovém buzení smíšený proudový C/VM při zpracování signálu využívá proudové odezvy při napěťovém buzení 12

2 AKTIVNÍ PROUDOVÉ PRVKY V dnešní elektronice se sice nejčastěji využívá jako aktivní prvek operační zesilovač, který pracuje v napěťovým módu. Budoucnost směřuje spíše k proudovému módu díky možnosti spracovávat vyšší frekvence. Z tohoto důvodů se vyvíjejí stále nové aktivní prvky, které pracují v proudovém módu. Ty, které v této práci budou zmíněny, jsou proudový konvejor CC (Current Convejor), vícevýstupový proudový sledovač MO-CF (Multiple Output Current Follower) a digitálně řiditelný proudový zesilovač DACA (Digitally Controlled Current Amplifier). Jejich výhoda je, že lze zpracovávat kmitočty až 100 MHz, které lze s RC obvody a operačními zesilovači jen s těží dosáhnout [15]. 2.1 Zobecnený proudový prvek Zobecněný proudový aktivní prvek si lze představit jako součástku obsahující vlastnosti všech aktivních prvků pracující v proudovém módu. Využívá se signálů proudové odezvy při proudovém buzení obvodu. Tyto obecné proudové prvky fungují na principu proudových zrcadel a invertorů, které opakují vstupní signál na výstup, popřípadě ho invertují. Díky této součástce si pak lze zobecnit všechny možné aktivní prvky [13]. Níže uvedená schématická značka je převzata [15]. Obr. 2.1: Schématická značka zobecněného proudového prvku Jednotlivé vstupy a výstupy lze popsat rovnicemi: I 2 = AI 1, I 3 = BI 1. (2.1) (2.2) Koeficienty A, B je definován přenos proudu ze vstupu na výstupy. Tyto koeficienty se pak rovnají hodnotám jedna nebo mínus jedna. V prvním případě se jedná 13

o proudové zrcadlo, kde se vstupní proud zrcadlí na výstup, naopak u hodnoty mínus jedna jde o proudový invertor. Využitím jednotlivých výstupů lze vytvořit různé typy součástek. S využitím dvou výstupů: dva invertory, dva zrcadla, jedno zrcadlo a jeden invertor, nebo s využitím jednoho výstupu: jednoduchý invertor, nebo sledovač. Dále je možné vytvářet další prvky, které umožňují již širší vužití. Mezi ně patří CC, MO-CF, DACA [15]. 2.2 Proudový konvejor CC Ve vnitřní struktuře konvejoru je možné si mezi vstupními svorkami představit napěťový zesilovač, který má zesílení A. Vstupní odpor má svorka Y nekonečný a výstupní hodnota odporu napěťového zesilovače je ideálně nulová. Stejná podmínka musí platit i pro vstupní odpor svorky X. Pokud je zesílení A=1, bude napětí na svorce X sledovat potenciál svorky Y, aby bylo zajištěno mezi vstupy X a Y nulové napětí. Proud tekoucí svorkou X je zrcadlen pomocí proudového zrcadla a ideálního zdroje proudu řízeného tímto proudem na vysokoimpedanční výstup Z. Pokud proud tekoucí svorkou Z má stejnou orientaci jako proud svorkou X, hovoříme o pozitivním konvejoru. Bude-li mít opačnou orientaci než proud svorkou X, jedná se o negativní proudový konvejor. Značení proudových konvejorů, zda-li se jedná o pozitivní nebo negativní konvejor, se provádí příslušným znaménkem za zkratkou CCII. Plus pro pozitivní CCII+ a mínus pro negativní konvejor CCII- [16]. 2.3 Proudový prvek DACA Prvním užitým aktivním prvkem je digitálně řiditelný proudový zesilovač DACA (Digitally Adjustable Current Amplifier). Tento prvek se od jednoduchého diferenčního proudového sledovače odlišuje především tím, že má dva diferenční (rozdílové) vstupy a dva diferenční výstupy s proměnným zesílením proudu A, které je možné řídit prostředníctvím digitální čtyřbitové sběrnice. Obvod je v současné době vyvíjen na pracovišti VUT v Brně ve spolupráci s Firmou ON Semiconductor. Schematická značka je znázorněna na obr. 2.2. Platí pro něj následující vztahy [5]: I OUT + = 0, 5A 1 (I IN+ I IN ), (2.3) I OUT = 0, 5A 1 (I IN+ I IN ), (2.4) kde A 1 je proudové zesílení, které lze digitálně řídit pomocí sběrnice CTR[3:0], dále I IN+ a I IN jsou vstupní proudové svorky. I OUT + a I OUT jsou výstupní proudové svorky. 14

Obr. 2.2: Schématická značka DACA 2.4 Proudový prvek MO-CF Obvod MO-CF (Multiple Output Current Follower), v překladu vícevýstupový proudový sledovač, představuje univerzální proudový prvek. Má jeden proudový vstup, několik proudových výstupů a svorku pro připojení k zemi. Obvod pracuje tak, že se ze vstupu přenese na výstup proud nezměněný (zrcadlený), nebo s opačnou polaritou (invertovaný). O zrcadlení, nebo invertování rozhodují proudové přenosové koeficienty. Funkci obvodu si můžeme vyjádřit čtyřmi rovnicemi [3]: I Z1 = n 1 I X, I Z2 = n 2 I X, I Z3 = n 3 I X, I Z4 = n 4 I X, (2.5) (2.6) (2.7) (2.8) kde n 1 4 jsou proudové přenosové koeficienty. Schématická značka pro variantu, kde je n 1, n 3 = 1 a n 2, n 4 = 1 je na obr. 2.3. Obr. 2.3: Schématická značka MOCF 15

3 MOŽNOSTI ŘÍZENÍ PARAMETRŮ FILTRŮ Pro řízení parametrů kmitočtových filtrů, jako jsou činitel jakosti Q nebo mezní kmitočet f m, byly teoreticky navrženy a simulacemi ověřeny tyto možnosti: Vložením prvků DACA do obvodu filtru Řízení hodnoty odporu pomocí digitálních potenciometrů Mezi další možnosti laďení některých parametrů filtrů patří vložení proudových konvejorů (CC), diamantových tranzistorů nebo transkonduktorů (OTA) do obvodu filtru. 3.1 Řízení mezního kmitočtu a činitele jakosti pomocí DACA Pro návrh filtru s nezávislým řízením mezního kmitočtu a činitele jakosti je nutno použít minimálně tři proudové zesilovače DACA a dva proudové konvejory [15]. Obr. 3.1: Schéma navrženého obvodu Výsledná charakteristická rovnice je [15]: CE = p 2 C 1 C 2 + pc 2 G 1 A 1 A Q + G 1 G 2 A 1 A 2, (3.1) 16

Z rovnice 3.1 lze odvodit, že za předpokladu A 1 = A 2 = A, bude možné změnou jeho hodnoty přelaďovat parametr mezní kmitočet nezávisle na činiteli jakosti. Dále podle vzorce (3.2) platí mezi Q a A Q nepřímá úměra, takže lze tímto zesílením u prvku DACA řídit činitel jakosti opět nezávisle na ostatních parametrech. Na základě níže uvedených rovnic lze též vypočítat přesné hodnoty odporů a kapacit, při určitém mezním kmitočtu a dané jakosti filtru. Rovnice jsou převzaty z [5]. f 0 = A G1 G 2, (3.2) 2 π C 1 C 2 Q = 1 C1 G 2. (3.3) A Q G 1 C 2 Zvolíme-li z řady E24 hodnoty kondenzátorů C1=C2=100 pf, činitel jakosti Q=0,707, mezní kmitočet 1 MHz a zesílení A 1 = A 2 = 1 a A Q = 2, získáme vodivosti: G 1 = ω C 1 Q A 3 = 4, 44 10 4 S, (3.4) G 2 = ω2 C 1 C 2 G 1 = 8, 89 10 4 S. (3.5) Po převodu vodivostí G 1 a G 2 na rezistory R 1 a R 2, které se upravily na hodnoty z řady E24: R 1 = 1 G 1 = 2, 25kΩ, (3.6) R 2 = 1 G 2 = 1, 12kΩ. (3.7) Tyto vypočtené hodnoty budou implementovány do obvodu obr: 3.1 složeného ze dvou CCII- konvejoru a tří DACA. Tímto zapojením se realizují jednotlivé filtry tří typů a to dolní propusti (DP), horní propusti (HP) a pásmové propusti (PP). Uvedené zapojení bylo převzato z [15] a dále upraveno. Konkrétní hodnoty Q lze vypočítat ze vztahu (3.3) následovně: Q = 1 8, 89 4 100 12 0, 2 4, 44.10 4 = 7, 05. (3.8) 100 12 V tabulce č. 1 jsou uvedeny další vypočítané hodnoty činitele jakosti Q pro zvolené hodnoty přenosu A = (2; 1; 0, 5; 0, 2). 17

i A Q [-] Q[-] 1 2 0,707 2 1 1,41 3 0,5 2,82 4 0,2 7,05 Tabulka č.1 - Hodnoty činitele jakosti Q v závislosti na A Q. Vypočtené hodnoty Q lze jednoduše oveřit simulacemi v PSpice. Jednotlivé výstupy jsou na obr.3.2, obr.3.3, obr.3.4. Pro změnu jakosti jednotlivých filtrů bylo nastaveno zesílení A Q = (0,2 ;0,5 ; 1; 2). Obr. 3.2: Modulová frekvenční charakteristika se změnou Q filtru DP. 18

Obr. 3.3: Modulová frekvenční charakteristika se změnou Q filtru HP. Obr. 3.4: Modulová frekvenční charakteristika se změnou Q filtru PP. 19

Aby byla docílena změna mezního kmitočtu f m, bylo nutné dodržet podmínku A 1 = A 2 = A. Dosazením hodnoty A do vztahu (3.2) se vypočtou jednotlivé mezní frekvence: f 0 = 2 2π 4, 44.10 4 8, 89 4 100 12 100 12 = 2, 02MHz. (3.9) V tabulce č. 2 lze najít další vypočítané hodnoty mezního kmitočtu f m pro zvolené hodnoty přenosu A = (2; 1; 0, 5; 0, 2). i A[-] f m [MHz] 1 2 2,02 2 1 1,01 3 0,5 0,55 4 0,2 0,20 Tabulka č.2 - Hodnoty mezního kmitočtu v závislosti na A. Simulace dolní propusti, horní propusti a pásmové propusti jsou na obr:3.5, obr:3.6, obr:3.7. Obr. 3.5: Modulová frekvenční charakteristika se změnou f m filtru DP. 20

Obr. 3.6: Modulová frekvenční charakteristika se změnou f m filtru HP. Obr. 3.7: Modulová frekvenční charakteristika se změnou f m filtru PP. 21

3.2 Řízení mezního kmitočtu a jakosti pomocí digitálních potenciometrů Dalším prvkem pro elektronické řízení parametrů kmitočtových filtrů mohou být digitální potenciometry. Snahou všech výrobců je přiblížit se vlastnostem běžných mechanických potenciometrů či nastavitelných rezistorů, odstranit nevýhody mechanického řešení a umožnit jejich plnohodnotné nahrazení. Řešení typického digitálního potenciometru ukazuje obr:3.8. Obr. 3.8: Řešení digitálního potenciometru. Jestliže N je celkový počet poloh jezdce, pak mezi vývody A a B je sériově zapojeno N-1 rezistorů, které tvoří odporovou dráhu. Jezdec je představován vývodem W. Ten je pomocí elektronických spínačů připojován do rezistorové sítě podle řídicího kódu. Digitální řízení probíhá převážně po třívodičové sériové sběrnici SPI, dvouvodičové I2C nebo méně častá je paralelní sběrnice. Tento digitální vstup je možno řídit buď mikroprocesorem nebo využitím některého portu počítače. Další možnost pro řízení odporu je potenciometr s řízením (nahoru-dolů). Dvěma tlačítky připojenými přímo k potenciometru se krokově mění poloha jezdce a tím i výsledný odpor. Počet poloh jezdce bývá obvykle mocnina dvou (32, 64, 128, 256,...). V současné době nejvyšší rozlišovací schopnost je 1024 poloh. Výrobci nabízejí potenciometry s odporem dráhy 1kΩ, 10kkΩ, 50kkΩ, 100kkΩ, 500kkΩ, 1MkΩ. Přesnost odporu dráhy se pohybuje mezi 20-30%, ale není to na závadu, neboť si lze změřit u každého kusu skutečnou hodnotu a přizpůsobit podle toho vyslané digitální slovo. Při řízení filtrů je často zapotřebí zajistit souběh hodnot odporů u dvou nebo více potenciometrů. V těchto případech je výhodné použít vícenásobné potenciometry v jednom pouzdře. Vyrábí se dvojité, trojité i čtyřnásobné typy. U všech bývá zaručena vzájemná odchýlka velikostí odporů řádově na desetiny procenta [6]. 22

3.2.1 Návrh obvodu pro změnu činitele jakosti Q Pro návrh filtru s proměnným činitelem jakosti využívající digitální potenciometry plně dostačuje zapojení, které bylo využito výše s tím rozdílem, že jednotlivé rezistory budou nahrazeny digitálními potenciometry. Jednotlivými výstupy tohoto zapojení lze realizovat filtry, které lze rozdělit podle jejich přenosové charakteristiky na DP, HP a PP. Výsledná charakteristická rovnice je dle [2]: CE = p 2 C 1 C 2 + pc 2 G 1 + G 1 G 2. (3.10) Z rovnice (3.12) lze odvodit, že bude možné změnou poměru hodnot G 2 / G 1 při zachování stejného součinu přelaďovat parametr činitel jakosti Q beze změny mezního kmitočtu filtru. Dále podle vzorce (3.11) platí, že pokud součin hodnot G 1 a G 2 bude vzrůstat při zachování stejného poměru mezi sebou, bude se zvyšovat mezní kmitočet resp. snižovat v případě odporů: f 0 = 1 G1 G 2, (3.11) 2π C 1 C 2 Q = G2 C 1 C 2 G 1. (3.12) Při návrhu byly ponechány kondenzátory C 1, C 2 s hodnotou 100 pf, tím se zjednodušší vzorec (3.12) pouze na poměr vodivostí. Jednotlivé hodnoty vodivostí resp. odporů byly zvoleny R 1 = 700 Ω, R 2 = 1400 Ω, aby počáteční jakost filtrů byla 0,707. Mezní kmitočet nebyl uvažován. Pokud by ovšem bylo nutné stanovit i přesný mezní kmitočet, hodnoty odporů by musely byt voleny na základe obou rovnic (3.11) a (3.12). Q = G2 R1 700 = = = 0, 707. (3.13) G 1 R 2 1400 i R 1 [kω] R 2 [kω] Q[-] 1 0,7 1,4 0,707 2 3 0,3 3,16 3 5 0,2 5 4 7 0,14 7,07 Tabulka č.3 - Hodnoty činitele jakosti Q v závislosti odporech R 1, R 2. 23

Obr. 3.9: Schéma navrženého obvodu. Obr. 3.10: Modulová frekvenční charakteristika se změnou Q filtru DP. 24

Obr. 3.11: Modulová frekvenční charakteristika se změnou Q filtru HP. Obr. 3.12: Modulová frekvenční charakteristika se změnou Q filtru PP. 25

3.2.2 Návrh obvodu pro změnu mezního kmitočtu Pro splnění podmínky laditelného mezního kmitočtu je plně dostačující zapojení, které bylo využito ke změně činitele jakosti. Taktéž lze realizovat DP, HP a PP. Jak již bylo zmíněno výše, pro změnu f m je nutné dodržet poměr odporů mezi sebou a se stejným poměrem je zvyšovat. Pro Q=0,707 bylo zvoleno R 1 = 800 Ω,R 2 = 1600 Ω a po dosazení do vzorce (3.11): f 0 = 1 G1 G 2 = 1 1 = 1, 25MHz, (3.14) 2π C 1 C 2 2π C 1 C 2 R 1 R 2 Další hodnoty jsou uvedeny v tabulce č.4 i R1[kΩ] R2[kΩ] f m [MHz] 1 0,8 1,6 1,25 2 0,4 0,80 3,23 3 0,2 0,4 5,62 4 0,1 0,2 11,25 Tabulka č.4 - Hodnoty f m v závislosti na odporech R 1, R 2. Vypočtené hodnoty byly oveřeny simulacemi všech tří filtrů. Obr. 3.13: Modulová frekvenční charakteristika se změnou f m filtru DP. 26

Obr. 3.14: Modulová frekvenční charakteristika se změnou f m filtru HP. Obr. 3.15: Modulová frekvenční charakteristika se změnou f m filtru PP. 27

4 PRAKTICKÝ NÁVRH V této kapitole bude řešeno kompletní obvodové zapojení. Blokově lze řešit tuto problematiku tak, jak je znázorněno na obr: 4.1. Jednotlivé obvody jsou popsány samostatně v každé kapitole. Programové vybavení musí řešit vysílání daných bitů podle přesné specifikace digitálního potenciometru. Tyto bity budou vysílány na rozhraní RS232 (sériové rozhraní), které ale neumí komunikovat se sběrnicí použitého potenciometru, proto je nutné navrhnout převodník, který umožní tuto komunikaci. Jakmile proběhne navázání, je již možné řídit potencimetr, který mění potřebné parametry výše uvedeného filtru. Rozhraní RS232 není přímo kompatabilní se sběrnicí použitého potenciometru, proto je nutné zapojit převodník, který již zajistí správnou funkci digitálního potenciometru AD5242, který bude využitý v obvodovém zapojení kmitočtového filtru navrženého v kapitole 3.1. Obr. 4.1: Blokové schéma návrhu. 4.1 Převodník RS232/I2C 4.1.1 RS232 Je rozhraní, které umožňuje propojení a vzájemnou sériovou komunikaci dvou zařízení. Nejčastěji se používá konektor s devíti vývody. Aby byla zajištěna vyšší odol- 28

nost proti rušení, je informace přenášena větším napětím, než je standardních +5 V. Přenos informací probíhá asynchronně pomocí pevně nastavené přenosové rychlosti a synchronizací sestupnou hranou startovacího impulzu. Pro přenos úrovně logické 1 se používá záporné napětí -12 V, pro přenos logické 0 je to +12 V [11]. obr:4.2 s rozložením jednotlivých vývodů [8]. Obr. 4.2: Schéma jednotlivých výstupů RS232 Vývod 0značení Funkce 1 DCD úroveň přijímaného signálu 2 RXD přijímaná data 3 TXD vysílaná data 4 DTR koncové zařízení připraveno 5 GND pracovní zem 6 DSR připravenost k provozu 7 RTS zapnout vysílací zařízení 8 CTS připravenost k vysílání 9 RI zvonek (příchozí volání) Tabulka č.1 - Význam jednotlivých pinů 4.1.2 I2C Tento typ sběrnice byl původně navržen pro řízení pomocí jednočipových mikroprocesoru. Sběrnice využívá sériovou datovou linku SDA a hodinovou linku SCL. Data a adresy se přenášejí společně jedním hodinovým taktem. Aby byla sběrnice funkční, 29

musí být obě linky zapojeny na kladné napájecí napětí přes tzv. zdvihací rezistory. Během jednoho hodinového cyklu se přenese právě jeden datový bit. Po celou dobu trvání kladného impulzu musí být data na lince SDA neměnná. V případě nějaké změny může být tato část vyhodnocena jako řídící impuls. Klidový stav je nastaven v případě, kdy jsou linky SDA i SCL na vysoké úrovni. Začátek přenosu je vyžádáno nastavením SDA na nízkou úroveň a zároveň SCL zůstává na vysoké úrovni, tzv. START bit. Ukončení přenosu nastane přejítím SDA z nízké na vysokou úroveň a SCL je nastavené na vysoké úrovni. Samotný přenos dat může být obecně popsán jako vyslání osm datových bitů postupně bit po bitu s posunem po jednom hodinovém impulzu na lince SCL. Počet datových bitů mezi START bitem a STOP bitem není nijak omezen. Potvrzení, nebo-li ACK, je potvrzováno na straně přijímače nízkou úrovní vloženou na sběrnici s devátým hodinovým impulzem. Na základě tohoto potvrzení se má přijímat další bajt [14]. 4.1.3 Popis zapojení Na obr: 4.3 je schéma realizace převodu z RS232 na I2C sběrnici. Napěťové úrovně u vlastního sériového portu počítače neodpovídají úrovním TTL využívaných při komunikaci s digitálně řízenými prvky. Z teoretického hlediska je možné odebírat ze vstupů a výstupů napětí přibližně ± 12V. Řešením jak zajistit příslušné napěťové úrovně pro řízené prvky je použítí dvojice NPN tranzistorů, které jsou řízeny linkami DTR a RTS. V neaktivním stavu jsou tranzistory zavřené a sběrnice I2C je tak v klidovém stavu díky zdvihacím rezistorům. Třetí NPN tranzistor, nebo-li doplňkový, je zapojený se společným kolektorem jako impedanční měnič. Důvod je odizolování vnitřního odporu linky SDA od CTS, který by samotnou linku zatěžoval a napětí signálu by nedosáhlo potřebných +5V. Obvod je napájen z externího zdroje napětím +5 V [10]. 30

Obr. 4.3: Zapojení převodníku RS232/I2C 4.2 Digitální potenciometr AD5242 Tento digitální potenciometr, vyraběný firmou Analog Devices, využívá přímého připojení na sběrnici I2C. Jedná se o dvoukanálový potenciometr, což znamená, že se vyskytují v jednom pouzdru dva nezávisle na sobě řiditelné rezistory. Jejich hodnoty se nastavují 8 bitovým slovem pro každý rezistor samostatně, to je 256 možných pozic. Vyrábí se ve více variantách s nominálníma hodnotama 10,100 a 1000k Ω. Dále obsahuje paměť závislou na napětí, což způsobuje resetování nastavené velikosti odporu při dalším připojením k napájení. Mimo dva potenciometry má navíc i jeden registr, díky kterému lze ovládat další jednoduché součástky jako jsou hradla nebo indikátory a to pomocí logických výstupů 0 1 a 0 1. Tento obvod spadá do kategorie součástek s možností programování adresy pomocí vstupů AD 0 a AD 1 jak lze vidět na obr: 4.4 převzatého z [8]. Tyto adresy slouží k rozpoznání více stejných obvodů na jedné sběrnici. Pokud se v obvodu neobjeví další stejná součástka, připojí se oba tyto vstupy na společnou zem [8]. 31

Obr. 4.4: Vnitřní blokové schéma AD5242. Název Číslo pinu Význam 0 1, 0 2 1, 13 Logický výstup A 1, B 1, W 1 2,4,3 Výstup potenciometru 1 A 2, B 2, W 2 16,14,15 Výstup potenciometru 2 V dd, V ss 5,12 Napájení SHDN 6 Propojí W 1, W 2 k B 1, B 2 SCL,SDA 7,8 Připojení k sběrnici I2C DGND 11 Zem AD 0, AD 1 9,10 Programovatelné adresní bity Tabulka č.6 - Význam jednotlivých pinů. Průběh samotné komunikace, která probíha po sběrnici I2C lze vidět na obrázku obr: 4.5, převzatého z [8]. Počet bajtů a jejich obsah se mění na základě čtení nebo zápisu z (do) uvedené součástky. Z obr: 4.5 lze vidět, že při přenosu se přenáší třetí bajty resp. druhý při čtení a jsou složeny z adresního, instrukčního a datového bajtu. U adresního bajtu je pevně nastavená hodnota prvních pět bitů MSB na hodnotu 01011. Následují adresní bity AD 0 a AD 1, které umožňují rozlišit další připojené zařízení ke sběrnici se stejnou počáteční adresou 01011. Pokud bude využíván jen jeden obvod, připojí se svorky na nulový potenciál a ve vysílaném slově budou AD 0 = 0 a AD 1 = 0, ale 32

Obr. 4.5: Průběh komunikace po I2C u AD5242 a) zápis b) čtení jakmile se připojí další zařízení ke sběrnici, je nutné připojit svorku AD 0 ke kladnému napájecímu napětí a ve vyslaném slově bude AD 0 = 1. Poslední bit adresního bajtu R/W slouží k rozeznání zápisu nebo čtení z paměti. V případě vyslání R/W=0 bude proveden zápis do paměti a naopak. Po adresním bajtu následuje instrukční bajt, kde jeho první bit MSB (A/B) určuje registr RDAC, pro něhož je určen bajt data. Pokud A/B = 0 bude ovládáný jezdec W 1, analogicky se postupuje při vysoké úrovni. Následující bit RS má za úkol při své vysoké úrovní nastavit výstupní odpor na střední hodnotu. Bit SD rozepíná výstupní obvod, čímž se docílí nulového napětí na výstupu. Poslední bajt přenáší informaci o hodnotě, na kterou se má nastavit daný potenciometr. Tento popis odpovídá funkci zápisu. Jakmile je potřeba číst z paměti, stačí k tomu pouze první a poslední bajt [10]. Výstupní hodnota digitálního potenciometru se spočítá podle vzorce [8]: R W B (D) = D 256 R AB + R W, (4.1) kde R W B (D) je nastavený odpor, D je desítkový ekvivalent vůčí binárnímu číslu v podobě 0 až 255, R AB je nominální hodnota odporu potenciometru a R W odpor jezdce. 4.3 Říditelný filtr Pro praktickou realizaci říditelného kmitočtového filtru bylo nutné navrhnout součástku DACA pomocí známých obvodů, protože není v současné době fyzicky dostupná. Lze jej do jisté míry nahradit vhodným zapojením součástek EL 2082, neboli proudového konvejoru CCII-, jehož proudový přenos B má záporné znaménko. 33

Označíme-li vstupní svorky symboly X, Y a výstupní svorku Z, potom tedy platí vztah I X = I Z. Proudový přenos lze v jistém rozsahu měnit externím řídícím napětím V GAIN, které se může pohybovat v rozsahu od 0 až do 2V. Další vstup Y je napěťový a po připojení na zem se mezi vstupním pinem I X a výstupním pinem I Z jeví daný obvod jako reálný odpor, který lze měnit napětím V GAIN. Obr. 4.6: Schematická značka EL2082. Prvním krokem k návrhu DACA bylo nutné vhodně zapojit čtyři EL2082. Dva pro diferenční vstup a dva pro diferenční výstup. Neinvertovaný vstup je připojen přímo na svorku X. Aby bylo možne realizovat druhý (invertovaný) vstup připojí se na svorku Y druhého prvku. Svorka Y u prvního prvku a svorka X u druhého jsou propojeny se zemí. Výstupy jsou vzájemně propojeny v jeden výstup a ten je připojen přímo na Y třetí EL2082. To vyvolá na jeho výstupu inverzi. Aby byl zajištěn i neinvertující výstup, propojí se svorka X třetí součástky s vstupem X čtvrté součástky a zároveň zbylý vstup Y k zemi, jak je poukázáno na obr: 4.6. Řízení výstupu lze pomocí řídícího napětí V GAIN. Ověření funkčnosti bylo provedeno v PSpice. Výsledky jednotlivých zesílení jsou zaznamenány v tabulce č.7. Výsledné obvodové schéma se nachází v příloze A. Ve výsledném zapojení obvodu lze vidět, že DACA Q a DACA 2 jsou zapojeny pouze jako proudový sledovač, proto dostačuje využít pouze jednu EL2082 pro každý z nich. Řídíci napětí Proudový přenos 0,2 0,2 0,5 0,5 1 1 1,5 1,5 2 2 Tabulka č.7 - Přenos závislý na řídícím napětím. 34

Aby mohlo DACA být plně funkční pro další použití, je nutné pomocí sběrnice digitálně řídit řídící napětí, což zajistí digitální potencimetr AD5242, který je podrobněji popsán v podkapitole 4.2. Princip digitálního řízení tkví ve změně hodnoty odporu potenciometru AD5242 pomocí sběrnice I2C. K libovolné svorce B potenciometru je potom připojeno kladné napětí a k svorce W rezistor, který je druhým koncem připojen k zemi. Toto zapojení vytvoří napěťoví dělič, který má dělící poměr závislí na změně již zmíněného potenciometru. Princip je znázorněn na obrázku 4.7. Obr. 4.7: Princip digitálního řízení. Takto realizovaný obvod je vložen do známého zapojení filtru uvedené v kapitole 3.1 a výsledné obvodové schéma lze vidět v příloze A. Vztah pro výpočet konkrétního zesílení DACA je odvozen: U OUT = U OUT = R W B R W B + R U IN, (4.2) D 256 R AB + R W D 256 R AB + R W + R U IN, (4.3) Dosazením konkrétních hodnot do vzorce 4.3 pro vyslanou pozici 256 se získá zesílení: U OUT = 256 256 10 103 + 60 256 256 10 5 = 2, 09V, (4.4) 103 + 60 + 14 103 35

což přímo odpovídá danému zesílení A=2,09. V tabulce č.8 je několik vypočtených hodnot zesílení v závislosti na vyslaném digitálním slově. Vyslané slovo Hodnota odporu Přenos DACA 00001010 0,45 0,16 00011000 0,99 0,34 00110010 2,01 0,63 01001010 2,98 0,88 01100100 3,96 1,1 01100100 3,96 1,1 10000001 4,94 1,29 10010110 5,9 1,45 10101111 6,9 1,6 11001000 6,87 1,73 11100001 8,84 1,85 11111111 10,06 2,09 Tabulka č.8 - Konkrétní hodnoty přenosu. Na základě těchto přenosů si lze jednoduše určit výsledný mezní kmitočet popř. jakost filtru dosazením do vzorců (3.2), resp. (3.3). 4.4 Programové vybavení V teto sekci bude podrobněji popsán univerzální software Digipot, který umožňuje řízení digitálních prvků po sériové sběrnici. Zejména jeho nastavení pro navázání komunikace a ovládání z hlediska uživatele. Program je volně ke stažení na stránkách VUT v Brně, jehož autorem je Ing. Břetislav Ševčík [12]. 4.4.1 Prvotní seznámení s programem Po spuštění programu DIGIPOT je vidět hlavní menu, které je zobrazeno na obr. 4.8. V horní části programu je kontextové menu, ve kterém si uživatel může nastavit veškeré funkce nutné k průběhu komunikace. V levé části lze vidět analogový ukazatel nastavené hodnoty odporu. Jeho součástí je i digitální ukazatel hodnoty, jenž zobrazuje přesnou hodnotu v ohmech. Nad nima je zobrazen orientační indikátor cejchovaný v kilo ohmech. Pokud uživatel pracuje s digitálním potenciometrem jako s děličem, lze si pomocí tlačítka A/b přepínat hodnoty mezi jezdcem a zvolenou krajní pozicí, což simuluje jakýsi otočný potenciometr, který zároveň ukazuje nastavené hodnoty. Pod zobrazovačem hodnot se nachází dvojice tlačítek, která umožnují zapsání do paměti resp. čtení řidícího slova. 36

V pravé části se nastavují a zobrazují jednotlivé části výsledného slova k odeslání. Ve vrchním řádku si uživatel může nastavit adresní bajt, který určuje řízení konkrétního zařízení. Druhý řádek umožňuje nastavení specifických vlastností obvodu. Mezi základní patří členění, pro který registr data patří. Potom se jednoduchým stiskem zvolených tlačítek uloží do každého ze čtyř kanálů zvolená adresa a pozice. Ve spodní části programu se během práce s programem zobrazují nejdůležitější údaje jako jsou třeba číslo a stav portu, který je nastavený jako výstupní nebo hodnota potenciometru a počet možných pozic. Taktéž všechny hlavní ovládací prvky umožňují jednoduchou nápovědou v případě najetí na příslušný ovladač [12]. Obr. 4.8: Základní menu Digipotu. Main menu-v hlavním menu si uživatel nastaví důležité parametry pro navázání komunikace a správné řízení. Nejprve to je výběr čísla portu, na který má software odesílat jednotlivé data, potom je nutné nastavit nominální hodnotu potenciometru a počet jeho pozic. Taktéž hlavní nabídka obsahuje doplňkové funkce jako kalibraci popř. načtení posledního nastavení. Another function- po rozkliknutí lze nastavovat doplňkové funkce u novějších typů potenciometrů. Některé obsahují vnitřní paměť nebo možnost rychlého nastavení příkazy. Zároveň tato sekce obsahuje manuální přístup k řídícím signálům, což umožňuje provádět některé jednodušší operace, které vyžadují potenciometry s jednoduchým rozhraním Up/Down. Poslední část teto sekce slouží k řízení potenciometrů s rozhraním SPI a to i v souběhu s I2C. 37

Help-poslední sekce obsahuje základní položky jako volba jazyka, napověda a informace o autorovi programu. 4.4.2 Nastavení komunikace Pro navázání spojení je nutné otevřít správný komunikační port, který lze jednoduše zjistit spravcem zařízení v počítačí, na kterém je provozován software. Po vybrání čísla portu je nutné port otevřít tlačítkem OPEN PORT, jak je vidět na obr. 4.9. Pokud vše proběhne v pořádku, rozsvítí se zelené okýnko u zvoleného čísla portu. Pokud uživatel přesně neví jaký port má zapojený, stiskne tlačítko FIND PORT. Tato funkce rozsvítí všechny dostupné porty. Obr. 4.9: Ukázka otevírání portu. Jakmile je komunikace navázána, doporučuje se provést nastavení a kalibraci odporového rozsahu potenciometru. Dále je nutné v adresním bajtu nastavit konkrétní zařízení a v instrukčním bajtu požadavky, které si uživatel klade na potenciometr. Zvolí hodntou odporu a pak už se pouze zakřížkuje počet kanálů, do kterých se data odešlou. Tím se nastaví jednotlivé registry potenciometrů na žádanou hodnotu. 4.5 Výroba desky plošného spoje Při simulacích v programu PSpice byly uvažovány samotné obvody izolovaně a za ideálních podmínek. Při realizaci návrhu celého systému je však potřeba postupovat systematicky. Celý systém, včetně propojů, se vloží na společnou desku plošného 38

spoje (DPS), čímž nastává nová situace, ve které se mohou jednotlivě navržené sočástky ovlivňovat a rušit. Vzájemným propojením jednotlivých součástek získáme kompletní schéma zapojení říditelného filtru. Pro návrh DPS a kreslení schémat je možno využít několik programů. Mezi profesionální programy patří například Formica, PCB Expedition nebo EAGLE. Na vytvoření DPS v teto diplomové práci je využito programu EAGLE, jelikož je volně ke stažení v demo verzi s dostačujícími vlastnosmi. Samotný návrh spočívá v překreslení kompletního schématu zapojení doplněné o všechny potřebné prvky a ručním kreslení cest DPS. Program sice umožňuje i automatické vykreslování tzv. AUTOROUTE, avšak se to moc nedoporučuje, protože program není seznámený s jednotlivými propoji a hodnotí je všechny se stejnou prioritou, což není vhodné pro signálové spoje, které by měly splňovat co nejkratší cesty. Návrh desky pro říditelný filtr vychází z blokového zapojení na obr. 3.1. Kompletní schéma zapojení je součástí přílohy A. Z tohoto schématu vycházíme při návrhu DPS. Rozmístění jednotlivých bloků na DPS je rozděleno do tří základních skupin. Signálové součástky a spoje Řídící a ovládací část Napájecí část Při návrhu DPS je vždy cílem získat předlohy pro výrobu vlastní desky. Nejčastěji se využívá fotolitografická metoda výroby a to buď s pozitivním nebo negativním fotorezistem. Dále je potřeba vytvořit osazovací plány a seznam součástek. Při návrhu jsou využity jak SMD součástky pro povrchovou montáž, tak i klasické vývodové součástky. Deska je navržena oboustranně ve vrstvě TOP a vrstvě BOTTOM viz. příloha B. 4.5.1 Osazovací plán Osazovací plán slouží pro přehlednou orientaci na DPS a ke správnému rozmístění součástek při osazování desky plošného spoje. V programu EAGLE je vygenerovány osazovací plán a je zobrazen na obrázku v příloze B. 4.5.2 Plány pro výrobu Předlohy, určené pro výrobu, jsou na obrázcích v příloze B.2 a B.3 Předlohy obou stran DPS jsou pro pozitivní fotorezist. Ten se volí podle užité technologie výroby. U technologie s pozitivním fotorezistem se odleptají všechna světlá místa, kdežto u technologie s negativním všechna tmavá. Předlohy se tisknou na pauzovací papír nebo fólii, které se prosvěcují na desku s nanesenou světlocitlivou vrstvou tzv. fotorezistem. 39

4.5.3 Seznam součástek Při modelování DPS se musí brát v úvahu hodnoty součástek i s typem jejich pouzdra, které je nutné znát pro vytvořéní správných pájecích bodů a otvorů na DPS. V návrhu bylo taktéž použito součástek s technologií pro povrchovou montáž. Pro snadné ruční osazení je zvolen rozměr SMD součástek 1206 u kondenátorů a 0805 u rezistorů. Integrované obvody EL2082 používají patici SO08 a digitální potenciometry AD5242 pouzdro SO16. Ostatní vývodové součástky jsou vhodně voleny podle základních rozměrů a dostupnosti. Seznam všech součástek s typem jejich pouzdra je uveden v příloze C. 40

5 PRAKTICKÉ MĚŘENÍ Jelikož výše navržený filtr pracuje v proudovém modu a pro ověření neexistuje proudové buzení ani měření signálů, je nutné na vstup i výstup zapojit převodníky. Na vstupu je použit U/I, navržen s obvodem EL2082, kde odpor připojený ke svorce X nastavuje velikost výstupního proudu z brány Z. Pokud zvolíme hodnotu odporu 1k Ω, je nastaven převodní poměr při vstupním napětí 1 V na 1 ma. Pro snímání odezvy výstupu se připojí převodník I/U, kde je použit OPA 860 s interním sledovačem. Hodnota odporu, připojeného k bráně Z, určuje převodní poměr. Pokud snímaný signál bude mít 1 ma a hodnota odporu 1kΩ, bude proud převeden na 1 V. Jednotlivé zapojení převodníků jsou na obrázcích 5.1, 5.2. Předlohy pro výrobu DPS jsou v příloze C. Obr. 5.1: Převodník napětí na proud. Obr. 5.2: Převodník proudu na napětí. 41

5.1 Změřené charakteristiky Obr. 5.3: Modulová frekvenční charakteristika DP. m Obr. 5.4: Modulová frekvenční charakteristika HP. 42

Obr. 5.5: Modulová frekvenční charakteristika PP. Obr. 5.6: Modulová frekvenční charakteristika DP. 43

Obr. 5.7: Modulová frekvenční charakteristika HP. Obr. 5.8: Modulová frekvenční charakteristika PP. 44

6 ZÁVĚR Úkolem diplomové práce bylo studium a realizace řízeného kmitočtového filtru s proudovými aktivními prvky. Díky říditelnému zesílení aktivního prvku je možné měnit základní parametry, jako je jakost a mezní kmitočet. Daný návrh byl realizován pomocí proudových konvejorů CC a digitálně řízených proudových zesilovačů DACA. V první části je základní seznámení s kmitočtovými filtry a problematikou aktivních proudových prvků. Tyto aktivní prvky, pracující v proudovém módu, mají v porovnání s napěťovým módem několik výhod. Hlavní výhody tohoto režimu jsou širší kmitočtové pásmo a větší dynamický rozsah vstupních a výstupních signálů. Další kapitola se zaměřuje na možnosti řízení parametrů filtrů, kde jsou vybrány dvě základní možnosti řízení. U první varianty je zajištěno řízení vložením prvků DACA do obvodu filtru. Díky nim bylo umožněno řízení jakosti a mezního kmitočtu nezávisle na sobě. Jelikož aktivní prvek DACA dosud není dostupný, bylo nutné daný aktivní prvek nahradit zapojením se čtyřmi EL 2082. V druhém řešení byl vložen digitální potenciometr místo běžných odporů, což umožňuje změnu parametrů. Navržené obvody byly následně ověřeny simulací. V částí praktického návrhu jsou rozebrány všechny podstatné části, bez nichž by nebylo možné zrealizovat a zprovoznit navržený filtr. Podle blokového schéma bylo potřeba nejprve zajistit komunikaci zvoleného digitálního potenciometru s PC. To umožní jednoduchý převodník RS232/I2C složený z NPN tranzistorů a zdvíhacích odporů. Dále k zajištění komunikace byl použit univerzální program Digipot, který umožňuje komunikovat se sériovým rozhraním PC. Poslední částí této kapitoly řeší návrh zapojení v programu Eagle, který umožní výrobu desky plošného spoje z překresleného schématu. Závěr práce obsahuje měření, které probíhalo pro všechny navržené typy filtrů jak pro změny jakosti, tak i mezního kmitočtu. Změřené hodnoty byly zaznamenány do jednotlivých grafů. Ze změřených grafů lze usoudit, že hodnoty se podobají hodnotám s teoretického návrhu. Určité odchýlky jsou způsobeny nepřesností měřících převodníků a nepřesností pasivních prvků. 45

LITERATURA [1] HÁJEK, K.,SEDLÁČEK, J: Kmitočtové filtry. Praha, BEN, 2002. 535 s. ISBN 80-7300-023-7. [2] ZELINKA, M : Kmitočtové filtry s proudovými zesilovači. Brno, VUT v Brně, 2010. 61 s. Diplomová práce [3] KUBÍK, M : Plně diferenční kmitočtové filtry v proudovém módu. BRNO, VUT v Brně, 2009. 55 s. Bakalářská práce [4] PREKOP, P.: Řiditelné kmitočtové filtry v proudovém modu. BRNO, 2009. 50 s. Bakalářská práce [5] JEŘÁBEK, J.,ŠOTNER,R. VRBA, K., KOUDAR,I.: Plně diferenční univerzální a říditelný filtr s proudovými aktivními prvky. BRNO, www.elektrorevue.cz, 2009. 6 s. Internetový článek. [6] KUBÁNEK,D.,VRBA, K.: Použití digitálních potenciometrů k řízení parametrů kmitočtových filtrů. BRNO, www.elektrorevue.cz, 2002. Internetový článek. [7] KUBÁNEK,D.,VRBA, K.: State-Variable Higher-Order Filters with Differential Input/Output Current Followers. International Transaction on Computer Science and Engineering, 2008. Vol. 49, No.1, 186-196 s. ISSN: 1738-6438. [8] ANALOG DEVICES, Inc P.O.Box 9106 Norwood, MA 02062-9106, USA. 256-Position Digital Potentiometers [online]. Datasheet 20s. Dostupné: <http://www.analog.com/static/importedfiles/data sheets/ad5241 5242.pdf>. [9] TEXAS INSTRUMENTS, Wide Bandwidth operational transconductance amplifier (OTA) and buffer [online]. Datasheet 33s. Dostupné: <http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/opa860.pdf>. [10] KAINKA, Burkhard. Měření, řízení a regulace pomocí PC. Praha: Nakladatelství BEN technická literatura, 2005. 272 s. ISBN 80-7300-089-X. [11] HW server, Převodníky z RS232 na RS422/485/Proudová smyčka/usb/ethernet [online]. 2003 [cit. 20. května 2011]. Dostupné: <http://hw.cz/products/rs232 konvertory/index.html>. [12] ŠEVČÍK, B.: Elektroniky říditelný aktivní filtr 2. řádu. BRNO, 2009. 90 s. Diplomová práce [13] HOMOLA, R.: Návrh kmitočtových filtrů s proudovými aktivními prvky. BRNO, 2009. 66 s. Diplomová práce 46

[14] SEDLÁŘ, P.: Digitálně řízený rezistor. BRNO, 2009. 82 s. Diplomová práce [15] ZBOŘIL, J.: Aktivní řiditelný kmitočtový filtr v proudovém módu. BRNO, 2010. 53 s. Diplomová práce [16] PAČÍNSKÝ, J.: Aktivní kmitočtový filtr v proudovém módu. BRNO, 2009. 55 s. Bakalářská práce 47

SEZNAM SYMBOLŮ, VELIČIN A ZKRATEK DP Dolní propust HP Horní propust PP Pásmová propust PZ Pásmová zádrž Q Činitel jakosti DACA Říditelný proudový zesilovač CC Current Convejor CCII+ Proudový konvejor 2. generace VUT Vysoké učení technické MOCF Multiple Output Current Follower OrCAD Software pro návrh obvodů K Přenos filtru RC Filtr složený z odporů a kapacitorů RLC Filtr složený z odporů, cívek a kapacitorů SNR Odstup signál-šum VM Napěťový mód CM Proudový mód OZ Operační zesilovač C/VM Smíšený mód V/CM Smíšený mód A Zesílení CTR Komunikační sběrnice SPI Sériová sběrnice I2C Dvouvodičová sběrnice a,b,c Koeficienty přenosu 48

X Proudový vstup Y Napěťový vstup Z Výstup RS232 Seriový výstup SDA Sériová datová linka SCL Hodinová linka ACK Potvrzení MSB Bit s nejvyšší váhou RDAC Registr DIGIPOT Řídící software DPS Deska plošného spoje EAGLE Software pro návrh DPS SMD Součástky pro povrchovou montáž 49

SEZNAM PŘÍLOH A Příloha A 51 B Příloha B 52 C Příloha C 55 D Příloha D 57 E Příloha E 58 50

A PŘÍLOHA A Obr. A.1: Obvodové schéma filtru. 51

B PŘÍLOHA B Obr. B.1: Návrh desky obvodového zapojení BOTTOM. 52

Obr. B.2: Návrh desky obvodového zapojení TOP. 53

Obr. B.3: Osazovací plán. 54

C PŘÍLOHA C Obr. C.1: Návrh převodníku U/I vrstva TOP. Obr. C.2: Návrh převodníku I/U vrstva TOP. 55

Obr. C.3: Osazovací plán U/I převodníku. Obr. C.4: Osazovací plán I/U převodníku. 56

D PŘÍLOHA D Číslo součástky Pouzdro Hodnota C1 C1206 100pF C2 C1206 100pF C4 C1206 100nF C5 C1206 100nF C10 C1206 100nF C12 C1206 100nF R1 R0805 1k2 R2 R0805 330 R3 R0805 470 R4 R0805 680 R5 R0805 27k R6 R0805 27k R7 R0805 27k R8 R0805 27k R9 R0805 4k7 R10 R0805 4k7 R11 R0805 390 R12 R0805 1k5 R13 R0805 390 R14 R0805 390 R15 R0805 1k5 R16 R0805 390 R17 R0805 390 R18 R0805 390 IC1 SO08 EL2082 IC2 SO08 EL2082 IC3 SO08 EL2082 IC4 SO08 EL2082 IC5 SO08 EL2082 IC11 SO08 EL2082 IC7 SO16 AD5242 IC10 SO16 AD5242 Q1 TO-92 BC548 Q2 TO-92 BC548 Q3 TO-92 BC548 Tabulka č.1 - Seznam součástek filtru. 57

E PŘÍLOHA E Číslo součástky Pouzdro Hodnota K1 ARK500/3 svorkovnice K2 ARK500/3 svorkovnice K3 ARK500/3 svorkovnice X2-x CON 2 x pin X4-x CON 2 x pin X5-x CON 2 x pin X6-x CON 2 x pin X8-x CON 3 x pin X9-x CON 3 x pin X10-x CON 3 x pin Tabulka č.1 - Seznam součástek filtru. Číslo součástky Pouzdro Hodnota R1 R0805 50 R4 SM53 5k IC2 SO08 EL2082 X3 CON 2 x pin X4 CON BNC konektor Tabulka č.1 - Seznam součástek převodníku U/I. Číslo součástky Pouzdro Hodnota R2 R0805 50 R3 SM53 5k IC1 SO08 EL2082 X1 CON 2 x pin X2 CON BNC konektor Tabulka č.1 - Seznam součástek převodníku I/U. 58