Удобный инструмент проектирования LC-фильтров для ЦАП и АЦП

  • Поддерживает симметричные по номиналам ФНЧ Баттерворта и Чебышева 3 / 5 / 7 / 9 порядка
  • Отображает не графики, а результат их анализа в форме числовых показателей
  • Включает библиотеку Touchstone и SPICE-моделей COTS чип-индуктивностей и конденсаторов
  • Автоматизирует расчёт LC-фильтров и их анализ
  • Помогает выбирать номиналы и компоненты
  • Российский (кроме арабских цифр и латинских букв)
  • Не требует установки, активируется оффлайн
  • Поддерживает Windows 7 и выше

ADC / DAC LC Filter Designer

Связаться: support@lcfilter.ru

Загрузить последнюю версию:
ADC DAC LC Filter Designer [2016.05.03].exe (5 MB)

До покупки работает в демонстрационном режиме.
Используя программу, вы принимаете условия
лицензионного соглашения.

Купить лицензию


Пример отчёта по проекту

Сравнение с RFSim99

Сведения о компонентах


2016.05.03Реализована поддержка SPICE-моделей, добавлены компоненты TDK, обновлены модели свежими версиями
2016.02.29Добавлен учёт ёмкости нагрузки и анализ подавления 2x передискретизации
2016.01.01Добавлена генерация отчёта по проекту
2015.12.15Добавлены сведения о компонентах
2015.12.08Добавлена оптимизация верхней границы полосы подавления, повышена точность моделирования, много мелких улучшений
2015.11.02Добавлено сравнение с RFSim99
2015.10.12Добавлен учёт цифровой компенсации sin(x)/x и англоязычная локализация
2015.09.29Добавлен опрос пользователей
2015.09.21Реализован анализ технологического разброса параметров, добавлен ввод нижней границы рабочей полосы, много мелких улучшений
2015.07.07Первая публичная версия

Анализируемые параметры АЧХ
Списки можно прокручивать колесом мыши даже в закрытом состоянии, просто наведя указатель. Нажатие на колесо выбирает элемент по умолчанию.

Ключевые особенности

Результат — количественный

Результат анализа фильтра отображается в виде набора числовых показателей, специфичных для данной задачи. Другие программы отображают промежуточный результат — графики, которые нужно анализировать вручную.

Числовое представление обладает несколькими преимуществами.

  • Оно позволяет легко комбинировать показатели фильтра с аналогичными характеристиками других звеньев тракта обработки сигнала, чтобы получить характеристики тракта в целом.
  • Оно позволяет быстрее сравнивать варианты проектирования между собой, а это важно для достижения лучшего результата.
  • Его легко сравнить с другими интегральными показателями (SFDR, SINAD, MER).
  • Его легко сравнить с исходными техническими требованиями.

При смене модели компонента графики зачастую меняются сильно и по-разному на разных частотах, поэтому визуально отследить, как именно изменились интересующие показатели, довольно сложно. Анализ графиков вручную увеличивает трудоёмкость и повышает вероятность ошибки.

Учитывает технологические допуски

Электронные компоненты не идеальны. Их параметры отличаются в зависимости от экземпляра в известных пределах, называемых технологическим допуском. Данное отличие обусловлено неидеальной повторяемостью процесса производства и оно оказывает существенное влияние на характеристики LC-фильтров, поэтому очень важно, чтобы инструменты проектирования его учитывали.

В данном случае используется алгоритм поиска худшего случая для каждого из анализируемых показателей. Этот алгоритм не всегда находит глобальный экстремум, зато очень быстро работает и обладает гарантированной сходимостью.

Встроенная библиотека моделей

Большинство производителей пассивных компонентов публикует для своей продукции SPICE- и/или Touchstone-модели (S-параметры), основанные на результатах измерений в широком диапазоне частот, часто до десятков гигагерц. Такие модели точнее характеризуют свойства компонентов, чем простое указание добротности и резонансной частоты, а более точное моделирование помогает достигать лучших результатов проектирования за меньшее число итераций и избегать неприятных сюрпризов.

Библиотека со всеми необходимыми сведениями встроена в программу. Это означает, что не нужно искать модели по сайтам производителей, решать проблемы совместимости и вручную генерировать артикул. Программа создаёт списки моделей, соответствующие выбранным номиналам, и позволяет быстро перебирать их пункты, наблюдая за изменением характеристик фильтра. Списки также содержат сведения о размере, допуске и максимальном напряжении компонента, закодированные в артикуле.

Конкуренция — это хорошо. Поэтому библиотека включает модели распространённых производителей (Coilcraft, Murata, Samsung, Taiyo Yuden, TDK), позволяя сравнивать их COTS продукцию между собой по влиянию на результат и выбирать лучший вариант по соотношению цены и качества. Кроме того, уже после запуска устройства в производство можно менять производителя компонентов, контролируя при этом, как замена отражается на характеристиках.

Время инженера бесценно. Чтобы его сэкономить, включаемые в библиотеку компоненты прошли отбор по нескольким показателям на предмет соответствия данной задаче. Например, в фильтрах обычно используются чип-конденсаторы с керамикой C0G (NP0). Отсутствие в библиотеке других вариантов позволяет инженеру не думать о выборе типа конденсатора, о влиянии температуры (поскольку это лучшая из существующих температурных характеристик), о влиянии напряжения и старения (поскольку у термокомпенсированных типов, к которым относится C0G, это влияние существенно меньше технологического допуска).

Эффективный формат, применяемый для хранения моделей, уменьшает размер файла в десятки раз, позволяя хранить программу вместе с другими материалами проекта.

Точнее экстраполирует импедансы

Симуляторы, которые поддерживают Touchstone-модели, часто не знают, с каким конкретно компонентом они имеют дело, и потому используют для экстраполяции импедансов в область низких частот уравнения, не учитывающие свойства компонентов данного типа. Погрешность такой экстраполяции может достигать чудовищных величин и лишает результаты моделирования в этой области частот какого бы то ни было смысла. Хуже всего дела обстоят с конденсаторами, модели которых часто содержат данные, начиная с частот порядка 100 МГц, а мнимая часть импеданса имеет вертикальную асимптоту в нуле. К чему это приводит, можно видеть, например, здесь и здесь.

ADC / DAC LC Filter Designer точно знает, какие типы компонентов используются, поэтому для интерполяции между узлами и экстраполяции в область низких частот он использует уравнения, соответствующие схемам замещения компонентов данного типа, в результате чего точность экстраполяции повышается.

Учитывает sin(x)/x ЦАП и его цифровую компенсацию

Выходной сигнал реального ЦАП представляет собой последовательность прямоугольников (интерполяция нулевого порядка, zero-order hold), а не дельта-функций, поэтому АЧХ преобразования не является константой, а имеет вид sin(x)/x, в результате чего неравномерность АЧХ и подавление увеличиваются.

Иногда это искажение компенсируется самим ЦАП или в тракте цифровой обработки сигнала до него. Компенсация действует в пределах первой зоны Найквиста, не затрагивая соотношение между зонами, поэтому она способна уменьшить неравномерность АЧХ, не ухудшив подавление, но внеся дополнительные потери.

Программа моделирует компенсацию, идеальную до частоты 0.44×fs и вносящую потери 3 дБ. Это приближение достаточно точно соответствует наиболее распространённым реализациям, а когда реальные потери сильно отличаются, различие легко учесть.

Короткие итерации

Инженеры работают продуктивнее, когда задержка между синтезом и анализом мала. ADC / DAC LC Filter Designer позволяет легко варьировать параметры решения и сразу видеть результаты анализа, а благодаря числовым показателям — быстро сравнивать итерации между собой.

Вся необходимая информация собрана в одном месте в удобной форме, избавляя от необходимости переключаться между документацией производителей, папкой с моделями и симулятором.

При наведении мыши на списки срабатывает автофокус, в результате чего менять номиналы и компоненты стало так же легко, как повернуть колесо мыши. Этот процесс напоминает ручную подстройку компонентов в фильтре, только результат распространяется на все выпускаемые устройства сразу.

Списки компонентов организованы так, чтобы проще было оценивать влияние различных факторов — производитель, семейство, габариты, напряжение — на результат.

Быстрый старт

Программа встраивается в рабочий процесс с минимумом усилий: она не требует установки, настройки и осваивается за считанные минуты.

Результат проектирования сохраняется нажатием одной кнопки в форме html отчёта и снимка окна, а само окно всегда отображает параметры синтеза, выбранные компоненты и результаты анализа одновременно.

Прост снаружи, продуман внутри

Программисты для повышения эффективности использования своего интеллектуального ресурса давно используют сокрытие сложной логики за простыми интерфейсами. Хорошие инструменты ведут себя так же: изолируют разработчика от сложностей используемых технологий и предметных областей, позволяя оставаться на уровне абстракции решаемой задачи. ADC / DAC LC Filter Designer построен в соответствии с этим принципом.

Ответы на вопросы

Что такое S21

S21 — один из элементов матрицы рассеяния, связан с комплексным коэффициентом передачи по напряжению следующим образом:

Связь S21 с коэффициентом передачи по напряжению

Что такое неравномерность ГВЗ

Неравномерность группового времени запаздывания (также называемого групповой задержкой) в полосе пропускания определяет степень искажения полезного сигнала фильтром. Для сигналов с цифровой модуляцией эта величина должна быть гораздо меньше символьного периода, чтобы фильтр не ухудшал коэффициент модуляционной ошибки (Modulation Error Ratio, MER). Подробнее об этом тут.

Почему только нечётный порядок

При этом фильтры симметричны, а значит, требуется меньше различных номиналов компонентов.

Второго порядка нет, поскольку третий чуть дороже, а характеристики заметно лучше.

Почему это программа, а не плагин к САПРам

Многим из тех, кто проектирует устройства смешанной (комбинированной) обработки сигнала, высокочастотные САПРы требуются для одной-двух задач, остальные возможности не используются, а платить за них нужно. В то же время многоцелевые САПРы устроены так, чтобы перекрыть как можно больше задач, но не так, чтобы решать каждую из них наилучшим образом. А ещё их долго осваивать.

ADC / DAC LC Filter Designer, напротив, является специализированным инструментом. Он одинаково полезен тем, кто уже использует высокочастотные САПРы, и тем, кто не собирается этого делать. Он экономит время инженера и окупается за один проект.

Почему по краям конденсаторы

При такой П-образной топологии требуется меньше индуктивностей, а значит, меньше потери, стоимость, габариты и точнее характеристики, поскольку у индуктивностей эти показатели хуже, чем у конденсаторов. Кроме того, выходной конденсатор фильтра поглощает некоторое количество помех, создаваемых входом АЦП на переключаемых конденсаторах, а его ёмкость можно корректировать с учётом входной ёмкости АЦП. Альтернативная топология, Т-образная, обладает единственным преимуществом — улучшенным подавлением высоких частот.

От чего зависит точность результатов

От точности данных в Touchstone-моделях, публикуемых производителями компонентов.

  1. Эти данные основаны на результатах измерений с некоторой инструментальной погрешностью, которая сложным образом зависит от частоты, причём по-разному в зависимости от элемента матрицы рассеяния. Оценить характер этой погрешности можно на примере технических характеристик векторного анализатора цепей Планар ОБЗОР TR1300/1.
  2. Измеряется конечное число компонентов, каждый со своим технологическим отклонением, поэтому результат обработки измерений является смещённым, если его специально не нормировать на номинал.
  3. Шаг сетки частот влияет на точность интерполяции и экстраполяции.

От методической погрешности моделирования.

  1. Погрешность пересчёта S-параметров в импедансы.
  2. Формат хранения данных в библиотеке (влияние пренебрежимо мало).
  3. Точность интерполяции и экстраполяции импедансов.
  4. Шаг сетки анализируемых частот (программа выбирает его автоматически).
  5. Погрешность вычислений (пренебрежимо мала).
  6. Электродинамические свойства окружения компонента на печатной плате.
  7. Приближения и гипотезы, использованные в методике моделирования.

По возможности сделано так, чтобы доминирующим фактором были исходные данные моделей компонентов. В некоторых случаях может потребоваться оптимизация решения на реальном макете.

Почему подавление вычисляется именно так

Действительно, поскольку главной задачей аналоговых фильтров для ЦАП и АЦП является ослабление побочных зон Найквиста по отношению к основной зоне, в данном случае было бы естественным под подавлением понимать следующую величину:

Выражение 1 для вычисления подавления

где fs — частота дискретизации, fp — верхняя граница полосы пропускания, а S21 — характеристика фильтра, при необходимости учитывающая sin(x)/x ЦАП. Однако вместо этого используется другой показатель:

Выражение 2 для вычисления подавления

Причины, по которым он выбран, следующие:

  • его проще комбинировать с показателями других звеньев тракта обработки сигнала;
  • его проще показать на картинке, описать словами и осмыслить;
  • он почти совпадает с тем, что называют подавлением, когда говорят о фильтре;
  • он вычисляется гораздо быстрее, поскольку позволяет использовать логарифмическую сетку частот в полосе подавления.

Поскольку второй показатель не превышает первый, его можно рассматривать по отношению к первому как оценку худшего случая.

Когда LC-фильтры лучше других

Обычно тип фильтра выбирается исходя из требований к виду (ФНЧ или полосовой), эффективности, вносимым искажениям, размерам, цене, энергопотреблению, степени интеграции, электронной перестройке, технологическому разбросу показателей и стабильности характеристик. Также на выбор влияют возможные сопротивления источника и нагрузки, рабочий диапазон частот и то, являются ли источник и нагрузка дифференциальными, а если являются, то их синфазные напряжения.

LC-фильтры используются в диапазоне частот от единиц килогерц до единиц гигагерц (вот пример ФНЧ с подавлением до 3 ГГц). Они дёшевы, компактны, вносят небольшие потери и очень гибки. Могут быть дифференциальными, позволяют фильтровать синфазную компоненту, а также ставить фильтр в разрыв цепи сопряжения синфазных напряжений, когда у источника и нагрузки они различны. При небольших тиражах можно использовать готовые LC-фильтры, однако их выбор ограничивается десятками моделей.

Активные фильтры по гибкости сопоставимы с LC. Они способны усиливать сигнал, позволяют управлять полосой пропускания и коэффициентом усиления, а их характеристики стабильнее и точнее благодаря отсутствию индуктивностей. Но при этом они дороже, сужают динамический диапазон и требуют питания. В интегральном исполнении активные фильтры часто содержат согласованную по характеристикам пару каналов, но таких моделей немного, и они перекрывают далеко не все потребности.

Фильтры на переключаемых конденсаторах вообще не имеют внешних частотозадающих компонентов, поэтому их характеристики ещё стабильнее и точнее. К недостаткам относятся эффект наложения спектров, которому подвержены все импульсные устройства, повышенный уровень шума, нелинейные искажения при больших уровнях сигнала и присутствие на выходе составляющей на частоте дискретизации.

Керамические фильтры превосходят LC по избирательности, меньше по габаритам и сравнимы по стоимости, но они бывают только полосовые и режекторные, выпускаются с некоторыми фиксированными центральными частотами, ширинами полосы и сопротивлениями. Также у них есть паразитные резонансы.

Кварцевые фильтры по своим свойствам очень близки к керамическим, но стабильнее, дороже и обладают большей добротностью.

Фильтры на поверхностных акустических волнах обладают самой высокой избирательностью, по размерам и стоимости сравнимы с керамическими, но легко доступны только для стандартных частот и ширин полосы. Большинство из них рассчитано на 50 Ом. Могут иметь паразитные резонансы и вносить большие потери.

При проектировании устройств смешанной обработки сигнала важно найти правильный баланс между цифровыми и аналоговыми звеньями тракта, поскольку их усложнение влечёт за собой различные негативные последствия. Когда в цифровой части используется интерполяция или децимация, часто достаточно LC-фильтра 3-5 порядка. Также нужно иметь в виду, что стоимость цифровых ресурсов постепенно снижается.

Почему входное и выходное сопротивления совпадают

Когда говорят о входном и выходном сопротивлениях фильтра, часто понимают под этим сопротивления источника и нагрузки. Эти величины не всегда совпадают между собой, поэтому, во избежание путаницы, лучше использовать вторую пару терминов всегда, когда имеются в виду именно они. Также следует различать те сопротивления, на которые фильтр был рассчитан, и те, которые используются в разработанной схеме.

Фильтры, синтезированные для равных сопротивлений источника и нагрузки, менее чувствительны к отклонениям параметров элементов и могут быть симметричны, а значит, использовать меньше разных номиналов компонентов.

Часто параметры тракта можно выбрать так, чтобы эти сопротивления совпадали. Например, токовые выходы ЦАП позволяют задавать выходное сопротивление и диапазон напряжений нагрузочными резисторами.

Когда сопротивления источника и нагрузки отличаются, возможны следующие варианты:

  1. добавить цепь преобразования импеданса;
  2. добавить согласующий трансформатор;
  3. синтезировать фильтр для разных сопротивлений;
  4. добавить к меньшему сопротивлению последовательный резистор.

Два первых способа обеспечивают максимальный коэффициент передачи по напряжению, но не работают вблизи постоянной составляющей, поэтому не подходят для ФНЧ. Кроме того, для моделирования трансформаторов недоступны точные данные, поэтому требуется подбор номиналов в схеме.

Третий способ обладает меньшим коэффициентом передачи и нарушает симметрию фильтра, зато не требует дополнительных элементов.

Четвёртый способ обладает самым низким коэффициентом передачи по напряжению, но, поскольку сопротивление источника обычно меньше сопротивления нагрузки, потери в сравнении с третьим вариантом не превышают 6 дБ и часто допустимы. Зато этот способ позволяет использовать фильтры, рассчитанные на равные сопротивления.

Программа синтезирует фильтры только с равными сопротивлениями источника и нагрузки, но при анализе они могут несколько отличаться.

Можно ли использовать без ЦАП и АЦП

Да, программу можно использовать для проектирования LC-фильтров без ЦАП и АЦП, но она становится не так удобна, поскольку входные параметры и анализируемые показатели выбраны для другой задачи. Например, полоса подавления не задаётся напрямую, а вычисляется исходя из частоты дискретизации.

Подавление зеркальных каналов передискретизации

Аналоговые фильтры с крутым срезом дороги и вносят в сигнал большие фазовые и амплитудные искажения. Чтобы ослабить требования к крутизне среза, используют избыточную частоту дискретизации, а чтобы повышение частоты дискретизации не увеличивало ресурсоёмкость алгоритмов обработки сигнала, после АЦП добавляют децимацию, а перед ЦАП — интерполяцию. В результате в первом случае возникает наложение спектров, а во втором — изображения исходного сигнала вблизи частот, кратных частоте дискретизации.

Необходимое подавление этих областей может достигаться совместно цифровой и аналоговой частью тракта. Программа позволяет определить вклад в подавление со стороны LC-фильтра для коэффициента передискретизации 2x. Этот показатель вычисляется так же, как подавление, но с нижней границей полосы подавления равной половине частоты дискретизации за вычетом верхней границы рабочей полосы.

Границы полосы подавления

Границы полосы подавления определяются автоматически. Нижняя равна частоте дискретизации за вычетом верхней границы рабочей полосы. Верхняя выбирается поиском максимальной частоты, до которой подавление не ухудшается, и не превышает максимальных частот моделей компонентов.

Зачем задавать нижнюю границу рабочей полосы

При дискретизации сигнала на промежуточной частоте часто используется фильтр нижних частот, поскольку он имеет вдвое меньшую конструктивную сложность и вносит меньшие потери, чем полосовой. При этом подавление области частот ниже рабочей полосы обеспечивается цифровой частью тракта. Если цифровая часть содержит квадратурный демодулятор, это подавление не требует дополнительных ресурсов. Указание нижней границы исключает из анализа часть диапазона частот и улучшает показатели.