“圆化”方波的角落?

电器工程 过滤
2022-01-29 10:18:32

我正在尝试创建一个用于发送莫尔斯电码的键控信封,而不会产生讨厌的点击和随之而来的额外带宽。

我目前的计划是进行切换(基本上是方形,但不是恒定频率的波)和“圆角”。用一张图来说明:

在此处输入图像描述

(1) 表示键控波形 (2) 表示我通过简单的 RC 网络得到的结果,(3) 表示我想要实现的结果。圆圈突出显示“问题区域”。在 (2) 中,这些区域是尖锐的,会导致点击和多余的带宽,在 (3) 中,它们是更温和的变化率。

需要在不使用过多组件的情况下合理简单地实现结果(最好使用无源组件,当然也无需借助 CPU 和 D/A 转换器——这是迄今为止我设法想到的唯一可靠的方法)。如果不能合理地简单地完成,我将不得不忍受咔嗒声,也许试图通过发射器上的输出滤波器来限制它们以抑制杂散发射。

我很确定这不能用作简单的低通滤波器。如果我只使用一个简单的 L 型 R/C 滤波器,我会得到 (2) 中的效果。如果我把它做成一个 L/C 过滤器,它就会像铃铛一样响起(当然这并不奇怪),而且效果也好不到哪里去。或者也许我只是没有识别出正确的时间常数。

有简单的方法吗?我开始怀疑没有。但是,通常当我有这种感觉时,我只是错过了显而易见的事情。

4个回答

您需要时间过滤,而这最好通过贝塞尔和高斯过滤器来实现。贝塞尔具有线性相位,高斯具有最低的时间延迟,但在您的情况下,高斯将是首选。两个滤波器都使用近似值,因为贝塞尔是\$\exp(-st)\$,而高斯是\$\exp(-t^2)\$

对于您的情况,两者都可以使用无源滤波器实现,但您需要 LC,因为简单的 RC 无法做到。一个答案建议使用它,并且通过足够的阶段,您将收敛到高斯,但这只会在许多阶段之后发生,而高斯滤波器的逼近通常使用 MacLaurin 级数来完成。您还需要 4 阶或更高阶以获得最佳结果,因为简单的 2 阶不会使脉冲足够平滑。

如果您愿意考虑 LC 方法,则必须决定输入和输出负载——这是无源滤波器的罪过。对于同样端接的 50 Ω Cauer 阶梯,您将获得这组标准化值——选择您想要的任何一个。我使用了第二个,因为它对电感器具有更合理的值:

[L2=26.49682875264271,L1=112.1909090909091,C2=0.003541405021327631,C1=0.01863151013292656]
[L2=35.02617328519855,L1=20.4061135371179,C2=0.005490132961363412,C1=0.04998496692723993]
[L2=124.9624060150376,L1=13.72533333333333,C2=0.008162446057605459,C1=0.01401046936172085]
[L2=46.57877813504823,L1=8.853512705530642,C2=0.04487636709462672,C1=0.01059873200624362]

您可能可以找到这些表格。元素如下所示(4个结果之一):

高斯液相色谱

使用升余弦滤波器可以获得最好的结果,但祝你好运以模拟方式实现。不过,高斯是最好的选择,因为它的(近似)对称脉冲响应可以为您提供干净、带限的脉冲。请注意,这是 4 阶,输出仍然不像您想要的那样对称。如果您需要 5 次或 6 次订单,最好的办法是找到这些表格,因为我正在尝试求解方程,而 wxMaxima 一直在处理。


如果要添加主动过滤,则可以使用此归一化传递函数,然后使用此站点分别设计每个二阶部分:

$$H(s)=\dfrac{3.63465}{s^2+2.83724s+3.63465}\cdot\dfrac{2.80538}{s^2+3.2559s+2.80538}$$

昨天还想继续,可惜已经晚了。您可以仅使用一个(四)运算放大器来获得 8 阶高斯滤波器。以下是LT1058(蓝色)与理想对应物(红色)在 1 Hz 方脉冲驱动下的响应:

8 阶高斯

响应有轻微的过冲,这是由于运算放大器的组件公差和非理想情况造成的。面包板上的情况可能会稍差一些(这些上限不会完全相同)。缩放值非常容易:将它们除以频率。例如,如果您的频率为 1 kHz,则将电阻器缩小 1000 倍,或者将电容器缩小。

我不建议将电阻器设置得太低,因为电流最终可能会大于运算放大器可以提供/吸收的电流;与电容器相同的事情:不要让它们太大,因为它们的电抗可能会变得太低并且你会遇到同样的电流问题。常见值为 1 kΩ 或更大,或 1...10 μF 或更小。反之亦然:太大的电阻器意味着更多的噪声和偏移,太小的电容器意味着它们将与运算放大器和 PCB 的寄生效应相媲美。

为简洁起见,这里是归一化的传递函数:

$$\begin{align} H(s)=&\dfrac{7.41638}{s^2+2.99117s+7.41638}\cdot\dfrac{5.55929}{s^2+3.65986s+5.55929} \\ {}& \cdot\dfrac{4.75899}{s^2+4.01438s+4.75899}\cdot\dfrac{4.43336}{s^2+4.17382*s+4.43336} \end{对齐}$$

正如我在开始时所说,[edit]从 ISI 的角度来看,因此,脉冲的对称性[/edit],这里需要的是高斯,而不是贝塞尔,因为贝塞尔处理线性相位(平坦群延迟),在处理脉冲时会产生轻微的过冲。与高斯(红色)对应物相比,这是一个理想的 8 阶贝塞尔(蓝色):

贝塞尔与高斯

如您所见,只有轻微的过冲(并且延迟稍大),因此您可能会想说“没关系”,直到您查看(准)真实设置和理想设置之间的差异,上面——那时你会意识到差异会被放大。 最终,这将取决于面包板的实现,这将带来元素之间的差异——很可能——使贝塞尔和高斯响应足够接近。由于在OP中没有特殊要求,只有一些关于脉冲整形的模糊概念,两者都会做出不错的选择。为了说明我的意思,这里是 100 步的蒙特卡罗分析,对于 1% 的电阻器和 5% 的电容器(左),以及 5% 的电阻器和 10% 的电容器:

1%R,5%C,5%R,10%C

此外,这是一个具有可变宽度脉冲的随机输入,以及它们如何被贝塞尔(蓝色)和高斯(红色)理想滤波器过滤,fc=1.25 Hz:

随机输入

使用正确的低通滤波器,您可以实现您所追求的。

对于您的简单 RC,方波的前沿与下降沿如此不同的原因是这种滤波器的“群延迟”与频率的差异。在通带中具有更多恒定延迟的滤波器将具有更对称的上升和下降。

顺便说一句,RLC 滤波器不一定有振铃,你只是设计了一个太高的“Q”。

一种在通带中具有更恒定延迟的低通滤波器称为“贝塞尔”滤波器。对于单节 RLC,这只是一个“Q”低于传统最大平坦滤波器的滤波器。如果您愿意在滤波器中使用多个电感器和多个电容器,您可以设计一个响应更好的。

  • 使用双路或四路运算放大器和 RC 组件可轻松使用有源 LPF 电路进行滤波。

  • 使用贝塞尔滤波器的恒定时间延迟很容易合成。

添加: FALSTAD电路> 有源滤波器> LPF 然后选择选项相位> 将滑块移动到 10Hz,2 级。> 全选 > 复制并粘贴到http://www.Falstad.com/circuithttp://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html > 空白电路或删除它 > 粘贴 (^V) ,然后我缩放的 Rx1k 和 C/1k(可选)

  • 断点应由您必须指定的任何代码的最短时间间隔的所需倍数定义。
  • 将摩尔斯电码间隔定义为“dit”“静音空间”和“dah”,我相信“dit”是最短的间隔,并且会根据发送者的技能而有所不同。
  • 这个假设可以按比例放大或缩小,但让我们定义最短的“dit”间隔 = 100 ms
    • 让我们用四阶高斯将 LPF 断点定义为\$f=1/T_{dit}\$ 。(4 个电容 + 2 个运算放大器)

概念的模拟证明 < 链接已修复

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由于没有平滑的规范,因此没有验收标准。

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Bessel 的线性相位\$d\phi/df\$在这里对 33 ms 至 10Hz 的群延迟产生平坦的响应 (然后在此之后减少)

对于贝塞尔滤波器的敏锐学生;

https://web.archive.org/web/20140224083044/http://www.rane.com/note147.html

一个简单的方法应该是使用两个具有钳位输出的积分器。我不确定这是否是您所需要的,无论如何您必须调整时间常数和钳位电平。 在此处输入图像描述