[Xenia 46]

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.

[rloc 58]

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).

 

 

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.

[Xenia 46]

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.

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.

[rloc 58]

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):

 

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

 

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

[Xenia 46]

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?

[rloc 58]

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.

[Xenia 46]

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.

[blackfin 32]

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..

[rloc 58]

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 ))

[Xenia 46]

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.

[rloc 58]

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.

[rloc 58]

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):

 

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

[Xenia 46]

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:

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).

[alexvu 5]

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.

 

[rloc 58]

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.

 

 

 

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

 

 

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

 

 

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