Jump to content

    

Узкополосный фильтр на кварцевом резонаторе

В интернете уже искала - фильтры на кварцевых резонаторах бывают, но в виде готовых сборок, которые слишком дороги. Тогда как меня интересует самый дешевый вариант на китайских кварцах по 12 руб за штуку :). Хотелось бы, чтобы меня ткнули носом не в теоретические труды, а в практические схемы, где этот принцип применяется.

 

Из теоретических материалов поняла, что реактивное сопротивление кварцевого резонатора резко (где-то на порядок) уменьшается, когда частота приближается к его номиналу.

Вот и эквивалентную схему кварцевого резонатора рисуют, как последовательный колебательный контур, отличающий высокой добротностью. Цитирую:

Цитата

Добротность кварцевого резонатора достигает сотен тысяч, тогда как добротность LC-контура не превышает нескольких сотен единиц.

https://www.ngpedia.ru/id9582p1.html

Именно это и требуется, чтобы полоса пропускания (или подавления) была узкой. Тем более, что колебательный контур с высокой добротностью мне не намотать :), т.к. я всё больше по части программирования МК специализируюсь, а не в аналоговой технике.

 

Если моя постановка задачи вызывает затруднение своей неконкретностью, то могу сузить задачу до более конкретной:

Дано: Контроллер генерит своими двумя ЦАПами две гармоники - одну с частотой 153.0 КГц, другую с частотой 153.6 КГц, одинаковой амплитуды. Сами частоты могу сдвигать на 10-20% в любую сторону, но разность между ними в 600 Гц должна соблюдаться жестко и пересмотру не подлежит. Обе частоты суммируются на резисторном делителе и поступают в виде суммы на АЦП того же контроллера.

Вопрос: Как собрать фильтр, располагаемый перед входом на АЦП, чтобы задавить одну из частот в суммарном сигнале? Было было бы достаточно, если бы после фильтра амплитуды этих гармоник отличались не менее, чем в 20 раз. Или, другими словами подавленная гармоника не превышала 5% в суммарном сигнале.

 

Эти две частоты были выбраны мной с тем расчетом, чтобы одна из них (153.6 КГц) соответствовала моему китайскому кварцу:

https://aliexpress.ru/item/33012439575.html

Что это за кварц, точно не знаю, т.к. вижу на рисунке только тип KDS7H, для которого даташита до сих пор так и не нашла. Однако других предложений на частоту 153.6 КГц не было - пришлось довольствоваться этим экземпляром.

 

А потому и моя просьба к участникам этого форума помочь мне схему этого фильтра сочинить. Пока же я сама не вижу лучшего варианта кроме, как пропустить суммарный сигнал непосредственно через через кварцевый резонатор, а вход АЦП одновременно подтянуть в питанию и земле, чтобы уровень находился посредине.

Share this post


Link to post
Share on other sites
1 час назад, Xenia сказал:

Вопрос: Как собрать фильтр, располагаемый перед входом на АЦП, чтобы задавить одну из частот в суммарном сигнале? Было было бы достаточно, если бы после фильтра амплитуды этих гармоник отличались не менее, чем в 20 раз. Или, другими словами подавленная гармоника не превышала 5% в суммарном сигнале.

Думаю многие мысленно подумают, почему фильтрацию не сделать в самом контроллере.

 

Пока нарисую вариант режекторного фильтра, так на мой взгляд проще подавить одну частоту (40-50дБ).

 

803502312_NotchFilter153kHz.thumb.jpg.32835563930936792cd076e29b27c085.jpg

 

Краткие пояснения. Rq, Cq, Lq - эквивалентные параметры резонатора, CXq - емкость электродов резонатора, С3 компенсирует эту емкость. Принцип работы - на режектируемой частоте эквивалентное сопротивление резонатора станет чисто активным и равным Rq (исключая CXq), и при балансе моста, R1/R3 = R2/Rq, синфазная составляющая = 0. Выходом схемы может быть или симметрирующий балун или дифференциальный вход АЦП/усилителя.

 

В познавательных целях мост позволит оценить эквивалентные параметры резонатора.

Share this post


Link to post
Share on other sites
1 час назад, rloc сказал:

Думаю многие мысленно подумают, почему фильтрацию не сделать в самом контроллере.

А вот этого не надо! :)

 

1 час назад, rloc сказал:

Пока нарисую вариант режекторного фильтра, так на мой взгляд проще подавить одну частоту.

Слишком сложно, просьба упростить. Вашу схему понимаю, как измерительный мост Уитстона, где кварцевый резонатор находится в одном из его плечей.

 

1. Назначение C2, C3, R2, R3 не понимаю, т.к. амплитуды обеих частот у меня равны по способу их генерации, и я не вижу причины искривлять их естественное соотношение.

2. Не вижу необходимости компенсировать CXq, т.к. резонансная частота с его участием (Fp) находится правее (т.е выше, чем 153.6 КГц), где у меня в спектре сигнала ничего нет.

Fs(%D0%BF%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BB)_Fp(%D

Т.е. каким бы ни был глубоким провал на частоте Fp, он совершенно не мешает моей цели отфильтровать одну моночастоту от другой. Именно с учетом этого провала я выбрала  для манипуляций с кварцем правую частоту 153.6 КГц, а не левую 153.0 КГц, чтобы второй резонанс не наезжал на соседку.

3. В подстройке кварца под свои частоты я тоже не нуждаюсь, поскольку могу изменять их величину непосредственно при генерации, подстраиваясь под данный экземпляр кварца, если его реальная резонансная частота окажется отличной от номинала.

4. Не пугайте меня трансформатором - я их мотать не умею :).

5. Зачем на вашей схеме изображен ОУ (AD1), да еще и дифференциальный? Тем более что он никуда не подключен.

Share this post


Link to post
Share on other sites
46 минут назад, Xenia сказал:

1. Назначение C2, C3, R2, R3 не понимаю

Добавил пояснения в исходное сообщение.

46 минут назад, Xenia сказал:

2. Не вижу необходимости компенсировать CXq

Это ключевой момент, без компенсации этой емкости не получить хорошую режекцию. Компенсировать индуктивностью сложнее, из-за большого номинала и необходимости подстройки. Для полосового фильтра компенсация тоже нужна, если конечно не делать фильтр N-го порядка.

46 минут назад, Xenia сказал:

5. Зачем на вашей схеме изображен ОУ (AD1), да еще и дифференциальный? Тем более что он никуда не подключен.

Он как раз предложен в качестве альтернативы, если трансформатор пугает, есть готовые между прочим (трансформаторы).

 

Включение усилителя может быть таким (забыл дорисовать R1=R3, R2=R4):

OA.thumb.jpg.cc9684ae1414df884103347c6317bc7c.jpg

 

Или просто на вход АЦП, если он истинно дифференциальный (вход не из двух отдельных буферов состоит).

 

Итого: 3 резистора + 1 конденсатор (переменный) - это много?

Share this post


Link to post
Share on other sites
1 час назад, rloc сказал:

Пока нарисую вариант режекторного фильтра, так на мой взгляд проще подавить одну частоту (40-50дБ).

Ну, а эти децибелы откуда следуют? Т.е. меня сильно волнует вопрос - достаточно ли в моем случае 600 Гц разницы, чтобы избирательно подавить одну из них, как можно менее затрагивая другую?

Иными словами, я интуитивно не чувствую, какой ширины будет резонансный "колокол". Будет ли он достаточно узким? Какие у вас есть по этому поводу соображения?

Share this post


Link to post
Share on other sites
6 минут назад, Xenia сказал:

Иными словами, я интуитивно не чувствую, какой ширины будет резонансный "колокол". Будет ли он достаточно узким?

Если брать для сравнения полосовой и режекторный на одном резонаторе, то режекторный будет более узким и с бОльшим подавлением. Мне не составит труда посчитать АЧХ, при наличии эквивалентных параметров, приблизительных. К сожалению слабо знаком с кварцами кГц диапазона, которые работают на изгиб.

Share this post


Link to post
Share on other sites
6 минут назад, rloc сказал:

Если брать для сравнения полосовой и режекторный на одном резонаторе, то режекторный будет более узким и с бОльшим подавлением. Мне не составит труда посчитать АЧХ, при наличии эквивалентных параметров, приблизительных.

Я только резонансную частоту хочу использовать (на моем рисунке она Fs), т.к. ее значение задано номиналом, а где находится другая (Fp) мне совершенно неведомо.

А что про параметры, то сама ищу даташит на этот резонатор, но пока безуспешно.

Share this post


Link to post
Share on other sites
10 minutes ago, Xenia said:

 А что про параметры, то сама ищу даташит на этот резонатор, но пока безуспешно.

На Digikey'е есть похожие резонаторы вместе с даташитами: ECS-1.536-12.5-13.

Только мощность (DRIVE LEVEL) в своей схеме сначала посчитайте..

Share this post


Link to post
Share on other sites
7 минут назад, blackfin сказал:

На Digikey'е

Мне кажется Xenia не составит труда съездить на Буженинова или шоссе Энтузиастов.

http://www.quartz1.com/price/price.php?group=430&freq1=100&freq2=200&p=2

Там еще можно откопать кварцы советских времен, на приличные мощности ))

image.png.be97b05409d6944264ef7d19544ab2c0.png

Share this post


Link to post
Share on other sites
21 минуту назад, blackfin сказал:

Только мощность (DRIVE LEVEL) в своей схеме сначала посчитайте..

Вот ведь незадача! Там писано, лишь 1 мкВт максимум. Что ж так мало-то?

А что случится, если я эту мощность превышу? Скажем, на порядок?

 

Впрочем, если перед АЦП поставить повторитель на ОУ, то потребляемый ток можно сделать совсем маленьким (т.к. у ОУ очень высокое входное сопротивление), удовлетворив при этом ограничение по DRIVE LEVEL.

Share this post


Link to post
Share on other sites
7 минут назад, Xenia сказал:

А что случится, если я эту мощность превышу? Скажем, на порядок?

Разрушится ))

Шучу конечно, разрушение наступит при единицах мВт, до 100мкВт потянет с запасом. Drive Level пишут для генераторов, на том уровне, на котором тестируют резонатор, когда гарантированно нет нелинейных искажений. Для фильтра допускаются более высокие мощности.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Взял данные из китайского даташита на похожий резонатор на 150кГц, добротность 60К.

 

http://www.quartz1.com/price/model.php?akt=449.15

 

Если ничего на напутал с преобразованием параметров, то картинки получаются такие (тр-р для простоты измерения):

image.thumb.png.c2e9b841096270eab30e9bf94a17aebb.png

image.thumb.png.ab08d979f4c9b5399baa320a5b08594e.png

 

При такой добротности очень узкополосный фильтр получается, при отстройке на 5Гц уже -40дБ, даже без компенсирующей емкости. Боюсь температурный уход сильно влиять будет.

Share this post


Link to post
Share on other sites
16 часов назад, rloc сказал:

При такой добротности очень узкополосный фильтр получается, при отстройке на 5Гц уже -40дБ, даже без компенсирующей емкости.

Из огня да в полымя - боялась, что область резонанса будет слишком широкой, а она оказалась слишком узкой. Я-то другого ожидала, глядючи на картинки из журнала Радио:

8800KHz.png

Там при 1% отклонения подавление всего -3dB.

 

16 часов назад, rloc сказал:

Если ничего на напутал с преобразованием параметров, то картинки получаются такие (тр-р для простоты измерения):

Можно ли тогда вашу последнюю схему переделать так, чтобы частоту 153.6 КГц не подавлять, а выделять (чтобы АЧХ торчала в другую сторону - не как у вас, а как у этого радиолюбителя)? На мой взгляд, для этого достаточно поменять местами на вашей схеме кварц с резистором R2, но уточнить надо. Т.к. таким узким фильтром лишнюю частоту мне полностью не подавить, но в режиме выделения бы получила чистую гармонику, хотя и меньшей интенсивности.

 

На счет вашей 1-ой схемы. Если использовать ОУ, то он мог бы заменить собой нижнюю часть мостика Уитстона (которая земли касается)

Тогда получилась бы совсем простая схема:

Uвх делится на 2 рукава, 1-ый из которых через кварцевый резонатор поступает на положительный вход ОУ (+in), а 2-ой рукав поступает на отрицательный вход того же ОУ (-in) через переменный конденсатор. Пустив на Uвх одну лишь лишнюю частоту, вращаем рукоятку конденсатора до полной компенсации +in и -in, после этого можно смело подавать смесь обоих частот. Что вас в этой моей идее кажется подозрительным?

 

Нашла (с чужой помощью) еще один даташит на кварцевый резонатор:

http://ftp.kds.info/products/DT_en.pdf

Здесь уже на картинке в точности изображен мой KDS7H, хотя в тексте это название нигде не встречается. Да и величина 153.6 КГц не подходит ни под один столбец таблицы (там резонансные частоты до 90 КГц).

Share this post


Link to post
Share on other sites

С кварцем очень много специфики. Вы получите очень узкополосный фильтр и с неизвестными коэф-тами. И потом Ваш контроллер немного уплывет по частоте и вся фильтрация нарушится. Возможно, поможет взять 2 кварца из одной партии, склеить их вместе и на одном сделать фильтр, а на другом - генератор для контроллера (с умножителем частоты?).

И еще другой момент.

Вы, наверное, собираетесь эти свои сигналы чем-то модулировать и затем подавать на вход АЦП.

Так вот, при модуляции в сигнал добавятся составляющие, и они могут вылезти из полосы фильтра (которую мы не знаем) и пройти на выход с приличным уровнем!

В общем, Вам не зря предлагали фильтрацию на контроллере. Там можно все как надо сделать.

 

Share this post


Link to post
Share on other sites
20 часов назад, Xenia сказал:

боялась, что область резонанса будет слишком широкой, а она оказалась слишком узкой. Я-то другого ожидала, глядючи на картинки из журнала Радио:

Вы правы, поспешил, полосовой фильтр действительно в данном случае будет более уместен.

 

20 часов назад, Xenia сказал:

Можно ли тогда вашу последнюю схему переделать так, чтобы частоту 153.6 КГц не подавлять, а выделять (чтобы АЧХ торчала в другую сторону - не как у вас, а как у этого радиолюбителя)?

Можно. Попробовал совместить резисторы в обратной связи ОУ с мостовой схемой фильтрации, чтобы сократить кол-во элементов, надеюсь не превратится в генератор. При внимательном рассмотрении, схема повторяет предложенную в журнале Радио, за исключением того, что контур с трансформатором заменен на ОУ. Конкретно в данном случае, для частоты ~150кГц, емкости электродов резонатора ~1pF и эквивалентном последовательном сопротивлении резонатора ~35кОм, трансформатор скорее не получится использовать. Его необходимо брать с большой индуктивностью обмоток - порядка десятков мГн, что приведет к большой паразитной емкости обмоток и перекосу симметрии. C ОУ - более работоспособное решение - его необходимо выбирать с минимально возможной емкостью входов, сравнимой или незначительно превосходящей емкость электродов резонатора (~1пФ). Дополнительно к ОУ предъявляются требования устойчивой работы с КУ=1.

 

Краткие пояснения к схеме. R1 = R2 - резисторы с точностью не хуже 1% и по порядку величины близкие к последовательному сопротивлению резонатора - ~35кОм. С1 ~ 1пФ - емкость компенсации электродов резонатора, желательна подстройка, далее покажу зачем. R3 = R4 = 1МОм - нужны для того, чтобы на резонаторе не было постоянного потенциала. Источник V1 - смещение, необходимое для работы усилителя при однополярном питании - это может быть резистивный делитель VCC/2 с большой фильтрующей емкостью.

 

  827447422_BPFQuartz150kHz.thumb.png.faa9c8871d8a56e165c3d6b36ba8e9d8.png

 

При условии равенства С1 емкости электродов резонатора, АЧХ будет такой (назовем это идеальным случаем):

 

1368940019_FreqRes150kHzBalance.thumb.png.773715521f8b996886ba3da4ca4ced6b.png

 

Если емкость C1 увеличить в два раза относительно идеального значения (0.75пФ -> 1.5пФ), то АЧФ станет такой:

 

1301336418_FreqRes150kHzDisBalance.thumb.png.a47078a2ac1977033e192c9935c56cd5.png

 

Или такой, если перекос баланса емкостей будет в другую сторону:

 

1603610703_FreqRes150kHzDisBalance2.thumb.png.9ad0b223398707f72709aa33f2075c3c.png

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now