1

PROGRAMOWALNE FILTRY AKTYWNE – ispPAC10

1. PRZEBIEG ĆWICZENIA

Zapoznać się z poniższym opisem układu ispPAC10. Uruchomić program „PAC-Designer”,

otworzyć plik ispPAC10_BF.pac i opanować posługiwanie się programem w zakresie

• konfigurowania połączeń, doboru wartości pojemności i wzmocnień w oknie „Schematic”
• obsługi symulatora (Tools/Run Simulator)

• odczytu wartości wzmocnienia i fazy z wykre-

sów w oknie „Plot” (View/Crosshair)

• zapisu schematu i wyników symulacji do pli-

ków (File/Export)

Zaprojektować bikwadratowy filtr o za-

danej transmitancji (częstotliwość gra-

niczna f

0

, dobroć Q, wzm. dla DC - patrz tabela

poniżej i przykład obliczeniowy). Zapisać do pli-

ków schemat układu (print screen) i odpowiadające

mu charakterystyki amplitudową i fazową (format

*.csv) obserwowane na wyjściu filtru. Połączyć

kabel programujący z płytką „Evaluation Board

ispPAC 10EV-2A”. Do płytki dołączyć napięcie

zasilające 5V a następnie połączyć układ do pomia-

ru charakterystyk amplitudowej i fazowej w funkcji

częstotliwości. Należy wykorzystać oscyloskop z

możliwością pomiaru częstotliwości, wartości sku-

tecznej napięć oraz fazy pomiędzy przebiegami w

obu kanałach. Przy konfigurowaniu wejść i wyjść

na płytce ispPAC 10EV-2A należy pamiętać o tym,

że

a) zwory powinny łączyć odpowiednie wejścia i

wyjścia układu ispPAC10 z gniazdami BNC

b) wszystkie wejścia i wyjścia układu ispPAC10

są różnicowe przy czym napięcie wspólne

(Common Mode Voltage) wynosi 2.5V.

Układ ispPAC10 firmy Lattice Semiconductor
zawiera 4 programowalne moduły, tzw. „PAC-
bloki” oraz również programowalny system połą-
czeń wewnętrznych. Każdy moduł zawiera wyj-
ściowy wzmacniacz sumujący (OA) oraz 2 wej-
ściowe wzmacniacze (IA1, IA2) o niezależnych
wzmocnieniach równych

±1, ±2, ... ±10. Pętla

sprzężenia zwrotnego wzmacniacza wyjściowego
(OA) zawiera rezystor R

F

, który może być włą-

czony lub wyłączony, oraz pojemność C

F

o war-

tości nastawianej w granicach 1 – 62 pF. W ten
sposób każdy z modułów ma możliwość sumo-
wania 2 sygnałów i ich wzmacniania i/lub całko-
wania. Łącząc kaskadowo „PACbloki” możemy
budować np. filtry drabinkowe lub bikwadratowe.
Programowanie układu polega na doborze
wzmocnień, wartości pojemności i połączeń
wewnętrznych. Odbywa się ono za pośrednic-
twem programu „PAC-Designer” poprzez kabel
łączący port równoległy komputera PC z wej-
ściami programującymi układu. Ustawienia są
zapamiętywane w nieulotnej pamięci wewnętrz-
nej E

2

CMOS układu (

www.latticesemi.com)

.

1.1

1.2

2

c) sterowanie wejścia tylko jed-

nym napięciem (np. na końców-

ce IN1+) jest możliwe jeśli sy-

gnał zawiera składową stałą o

wartości około 2,5V zaś do dru-

giej końcówki (IN1-) doprowa-

dzone jest napięcie stałe 2,5 V

np. przez połączenie tego wej-

ścia z napięciem odniesienia

VREF

OUT

= 2,5V

d) napięcie mierzone na końcówce

OUT+ jest połową napięcia

wyjściowego.

Zaprogramować układ (Tools/ Download), dokonać jego kalibracji (Tools/Auto-Calibrate) a następnie

przeprowadzić pomiary wzmocnienia (napięcia wyjściowego) i fazy w funkcji częstotliwości za po-

mocą oscyloskopu cyfrowego. Należy tak dobrać wartość napięcia wejściowego aby żaden z modułów

filtru nie uległ przesterowaniu.

parametry transmitancji

2

0

0

2

2

0

Q

s

s

T(s)

ω

ω

ω

+

+

=

wzmDC

zespół

1 2 3 4 5

f

0

/Q/

wzmDC

10,3/1/3 35,5/2,5/2

80/2,5/1 100/2/-2 53/3,9/-2

Bazując na tabelach projektowych zaprogramować i przeprowadzić pomiar charakterystyk

filtru wyższego rzędu jako kaskadowego połączenia sekcji bikwadratowych (rys. b) i/lub sekcji pierw-

szego rzędu (rys. a).

1.3.

3

Dla filtru jednobiegunowego przyjąć że,

5

F

F

0

2.5

R

C

R

f

1

2

1

0

⋅

=

=

π

(1)

Dla sekcji bikwadratowej przyjąć, że (patrz przykład obliczeniowy)

5

F

2

F

1

F

0

2.5

R

C

QR

1

C

R

Q

f

1

π

2

π

2

0

⋅

=

=

=

(2)

Tabele projektowe

4

2. SPRAWOZDANIE

Przyjmując, że „PACblok” realizuje funkcję przenoszenia

• przy włączonym R

F

:

F

5

F

F

IN2

2

IN1

1

OUT

C

0

2.5

R

C

s

1

V

k

V

k

V

1

τ

τ

⋅

=

=

+

+

−

=

(3)

• przy wyłączonym R

F

:

τ

s

V

k

V

k

V

IN2

2

IN1

1

OUT

+

−

=

(4)

2.1. Wykonać obliczenia projektowe filtrów z p.1.2 i 1.3.

2.2. Wyznaczyć analitycznie charakterystyki amplitudową i fazową filtru badanego w pkt. 1.2

2.3. Wyniki obliczeń analitycznych, symulatora (pliki) i pomiarów porównać na wykresie |ku(f)| w

skali log-log. Na rysunku powinny znajdować się 3 wykresy. Podobny rysunek wykonać dla fazy

φ =

arg(ku(f)) w skali lin-log.

2.4. Korzystając z charakterystyk wyznaczonych przez symulator w p.1.2 i p.1.3 i zapisanych w pli-

kach „*.csv” sporządzić wykresy Nyquista, Re[ku] w funkcji Im[ku] dla obu badanych filtrów.

3. WYKAZ WKŁADEK I PRZYRZĄDÓW

płytka

Evaluation

Board

ispPAC

10EV-2A

zasilacz napięcia stałego

5V

woltomierz DC

generator napięcia przemiennego,

np. METEX, Unitech 5621

oscyloskop cyfrowy

np. HP lub Agilent

trójnik BNC

5

4. PRZYKŁAD OBLICZENIOWY

Mając do dyspozycji układ ispPAC10 zaprojektować filtr dolnoprzepustowy I-go rzędu, o wzmocnie-

niu

wzmDC

=H

0

= 2, dobroci Q = 2,5 i częstotliwości f

0

= 35,5kHz. Transmitancja filtru:

2

0

0

2

2

0

0

ω

s

Q

ω

s

ω

H

T(s)

+

+

=

Projektowanie filtrów w układzie ispPAC10 opiera się na metodzie zmiennych stanu. Ogólnie taki filtr

składa się z czwórnika wzmacniacza oraz czwórnika sprzężenia zwrotnego (s.z.). Sygnał sprzężenia

zwrotnego musi być podany na wejście ze znakiem przeciwnym, aby układ pozostał stabilny. Trans-

mitancja układu z zamkniętą pętlą s.z. (rysunek) wynosi:

u

u

k

β

1

k

T

⋅

+

=

Transmitancję projektowanego filtru można przekształcić do powyższej postaci dzieląc licznik i mia-

nownik przez

s

Q

ω

s

0

2

+

. Jest

s

Q

ω

s

ω

1

s

Q

ω

s

ω

H

T(s)

0

2

2

0

0

2

2

0

0

+

+

+

=

.

Wynika z tego, że

czym

przy

1,

β

,

s

Q

ω

s

ω

(s)

k

0

2

2

0

u

=

+

=

wzmocnienie H

0

należy ustalić w końcowym procesie projek-

towania poprzez dobór wartości wzmocnienia w pierwszym

PAC-bloku (na wejściu). Ponieważ k

u

jest transmitancją dru-

giego rzędu, a bloki w układzie ispPAC10 to transmitancje

rzędu pierwszego, k

u

(s) należy zapisać jako iloczyn

s

Q

ω

1

1

1

s

ω

Q

1

s

Q

ω

1)

s

ω

Q

(

ω

s

Q

ω

s

ω

k

0

0

0

0

2

0

0

2

2

0

u

⋅

+

=

+

=

+

=

=

k

u1

(s)k

u2

(s), gdzie

s

Q

ω

1

1

k

,

1

s

ω

Q

1

k

0

u2

0

u1

−

=

+

−

=

Transmitancja k

u

(s) składa się z dwóch części (inercyjnej i całkującej), które można zrealizować w

jako kaskadowe połączenie PAC-bloków. Filtr będzie więc wyglądał następująco:

k

u

U

we

U

wy

β

6

Porównując transmitancje PAC-bloków:

F

F2

PACc

F

F1

c

PACp

R

sC

k3

-

(s)

T

,

1

R

sC

k1

-

(s)

T

=

+

=

−

z transmitan-

cjami k

u1

(s), k

u2

(s) otrzymuje się wzory projektowe:

k1 = H

0

,

0

F

F1

ω

Q

R

C

=

,

0

F

F2

Qω

1

R

C

=

Obliczenia:
H

0

= 2

→ k1 = 2

44,8pF

250000

35500

2π

2,5

R

ω

Q

C

F

0

F1

=

⋅

⋅

=

=

7,17pF

250000

35500

2π

2,5

1

R

Qω

1

C

F

0

F2

=

⋅

⋅

⋅

=

=

rysunki poniżej pokazują wyniki symulacji zaprojektowanego filtru