Filtro LC per AD9834

[flz47655]

Ciao a tutti

Ho costruito un generatore di funzioni basato sull'AD9834:



Lo schema che ho realizzato è alquanto elaborato e contiene MCU, DDS, filtro LC, OP-AMP e POWER OP-AMP

Stavo verificando modulo per modulo che tutto funzionasse correttamente ma ho riscontrato un problema col filtro LC così fatto:



Un filtro passa basso di Chebyshev del 9° ordine con frequenza di taglio di 32.5 MHz, ho modificato leggermente i valori dei componenti per adattarli ai valori in commercio, ho progettato il filtro con http://www.wa4dsy.net/filter/hp_lp_filter.html impostando l'impedenza a 50 ohm

In pratica analizzando il segnale col filtro scollegato, subito dopo il DDS, sembra a posto. Collegando il filtro riscontro un offset e una distorsione del segnale..

Segnale dopo il DDS (filtro scollegato)


Segnale all'ingresso e all'uscita del filtro

L'offset è evidente, attenzione che la scala verticale è spostata per visualizzare entrambe le traccie

Non sono un grande esperto di filtro LC, come posso migliorare la situazione ed eliminare l'offset?

Domanda 2: impostando a 50 ohm l'impedenza del filtro o forse fatto una stupidata? Non sapevo quale valore scegliere.

Ciao e grazie a tutti

UPDATE: L'AD9834 http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD9834.pdf utilizza il circuito classico che si può trovare nel datasheet a pag. 30, in particolare ha un'uscita in corrente che viene convertita in tensione con una resistenza da 200 ohm verso massa

[ulisse21]

scusa flz,
potresti mostrare o descrivere la parte relativa all'alimentazione dei chip?

mi sorge un dubbio, non è che l'effetto disturbo si ripercuote attraverso l'alimentazione?

saluti.

[flz47655]

Il DDS è il chip che genere la sinusoide, la sua alimentazione è a posto, è presente un lieve ripple di 75 MHz dovuto al clock del DDS che è un po' dappertutto ma è la causa di questa problematica.
Il filtro è passivo quindi non ha un'alimentazione, lo vedo più come un problema di impedenze, spero proprio di non aver commesso un grosso errore con un'impedenza di 50 ohm del filtro al posto di 200 ohm.. anzi credo sia quello ma spero di no perché non ho "magazzino" di induttori di valori particolari e dovrei aspettare quando raggiungo la soglia per fare un ordine da un distributore (= tra molti mesi) quindi spero che mi dite che sia qualcos'altro

[deluca]

salve flz,
beh! io ti consiglierei di realizzare il circuito allegato...
la R di load deve essere necessariamente pari a 200 Ohm e non altri valori a caso.
tempo fa ne realizzai uno seguendo questo schema e funzionò alla grande.
Attenzione al PCB ... deve essere realizzato a regola d'arte poichè influisce molto la disposizione dei componenti.

Hai separato l'alimentazione digitale da quella analogica? o hai inserito l'induttanza tra le due.

AD9834 Schematic.GIF (15.17 KiB) Viewed 17224 times

ciao

[flz47655]

Il generatore di funzioni ha un'impedenza di uscita di 50 ohm, avevo inizialmente dimensionato per tale impedenza il filtro.
Dopo aver ordinato gli induttori (prima di finalizzare il PCB) ho deciso di mettere subito dopo il DDS il filtro per dare agli op-amp (che comunque con un condensatore filtrano ulteriormente un pochino) un segnale molto più pulito, cercando in questo modo di avere meno frequenze spurie in giro per il circuito.

Se fosse un problema di disadattamento di impedenza mi aspetterei però delle riflessioni e quindi un segnale distorto in modo diverso, non un offset che aumenta all'aumentare della frequenza..

[flz47655]

Grazie per la risposta,

Alla fine mi sono lasciato trascinare, un giorno Eagle, l'altro il toner transfer, alla fine ho iniziato a costruire circuiti SMD in casa

Ho cercato di seguire tutte le best-practice che ho trovato per quanto riguarda il layout della scheda stando nelle mie possibilità.

Circuito prima di tagliare, forare e saldare i moduli

(I primi due circuiti in alto a sx non centrano col generatore di funzioni)

Nel modulo DDS (basso sx) ho cercato di creare un piano di massa analogico ed uno digitale collegati in un unico punto (anche se ci sono pareri discordanti Analog Devices consigliava questa strada)

Non avevo pensato ad aggiungere una ferrite, lo farò in un prossimo prototipo (se ci sarà) o nel circuito finale

Per il prototipo attuale ho optato per creare dei breakout per i chip SMD (gli op-amp, il DDS e l'oscillatore del DDS) in modo da poterli saldare su adattatori con solder mask e intercambiarli per verificare rapidamente diverse soluzioni.
Ho poi diviso il circuito in tanti moduli collegati con cavetti jumper per poter ricostruire solamente i moduli non funzionanti.
Questa flessibilità ha sicuramente dei compromessi nelle prestazioni (e sopratutto in EMI) ma nel circuito finale farò una scheda unica.

Per chi è curioso foto del frontalino centrale: http://www.atomwave.com/FPGA/17112012446.jpg

Nello schema non riesco a capire perché c'è un R da 402 ohm invece che da 200 su IOUT, io ho seguito il datasheet e sembra che sia obbligatoria.

Proverò a simulare il filtro dello schema, ad occhio mi sembra proprio però che l'impedenza sia sui 200 ohm, io volevo un segnale molto pulito e magari lo riprogetto del 9° ordine con l'impedenza giusta

Scusa l'ignoranza ma il potenziometro finale a cosa servirebbe?

Ciao e grazie ancora

[flz47655]

Per completezza posto anche lo schema che ho creato per il DDS:


DDS_OUT è collegato al filtro LC (immagine primo post)

Ciao

[flz47655]

Non si finisce mai di imparare

Speravo non fosse quello invece... è proprio quello! Il disattamento di impedenza gioca il brutto scherzo.

Anche le simulazioni mi hanno confermato il comportamento che ho verificato sperimentalmente.

Non mi sarei mai aspettato uno spostamento dell'offset invece è proprio così

Ora ho capito anche lo schema, le resistenze da 402 formano un partitore quindi IOUT vede un'impedenza di 201 ohm e tutto torna

Il filtro LC invece ha un'impedenza di 402 ohm (non di 200 ohm come pensavo inizialmente)

PS: Prima mi era sfuggita una R da 402 ecco perché non mi tornava il circuito

[flz47655]

Per completezza ecco qualche simulazione

Il filtro del mio prototipo (impedenza 50 ohm)

si può notare l'offset e la riduzione di ampiezza

Il filtro dello schema proposto da Giovanni (impedenza 400 ohm)

è perfetto

Il filtro dello schema proposto da Giovanni modificato con un'impedenza di 200 ohm mantenendo le due R da 402

il perfetto non si può migliorare, si peggiora la situazione: diminuzione di ampiezza e presenza di offset

[flz47655]

Coi componenti che avevo in casa e dei nuovi induttori ho provato a costruire il nuovo filtro con impedenza di circa 400 ohm che assieme alle resistenze di uguale valore forma un'impedenza di circa 200 ohm per il DDS

Filtro


Segnale a 3 MHz prima e dopo il filtro


Il problema è stato centrato in pieno adesso il filtro è sicuramente migliore

Per la misurazione ho dovuto fare un pò l'acrobata perché senza molla per il segnale di ritorno del probe dell'oscilloscopio il segnale era ulteriormente degradato, sapete se esiste qualcosa per tenere fermo il probe senza la punta retraibile ma usando direttamente la punta?

Sperando di evitare lo stesso errore ad altri riporto cosa ho imparato

Ho voluto tentare la fortuna ed ho provato il filtro a frequenze ancora maggiori, a 13 MHz il filtro inizia ad attenuare parecchio nonostante la simulazione ..


In effetti uno zoom sulla risposta in frequenza del filtro o una sua visualizzazione in scala lineare avrebbe evidenziato un piccolo particolare del filtro di Chebychev scelto:




Il comportamento alle frequenze 15,20 e 25 MHz sembra seguire la simulazione (stessa scala verticale):
15 MHz

20 MHz

25 MHz


Anche se l'attenuazione è molto maggiore delle simulazioni e sopra i 20 MHz il filtro entra in crisi e diventa rapidamente inutilizzabile per l'eccessiva attenuazione direi che posso accontentarmi di un prototipo di generatore di funzioni fatto in casa a 20 MHz con cavetti jumper dappertutto

Morale della favola: i logaritmi sono belli ma è meglio analizzare anche in scala lineare
Chebychev può essere utile ma nel PCB finale probabilmente andrò su Butterworth per un qualcosa di più lineare sia in fase sia in guadagno di ampiezza anche se meno ripido.

[flz47655]

Dalle simulazioni la sola capacità di carico della sonda dell'oscilloscopio degrada terribilmente le prestazioni del filtro (sia Chebychev sia Butterworth) con un op-amp come buffer (se adeguato) la situazione migliora parecchio. L'op-amp è già sulla scheda ma l'avevo bypassato per le misure, evidentemente è stata una pessima mossa.
Il mondo analogico non è così facile..

[omega25]

@flz hai proprio ragione,
l'analogica non è una passeggiatina specie quando si ha a che fare con i filtri.
comunque ti devo fare i complimenti per lo studio condotto praticamente e per i risultati che hai ottenuto col simulatore che hanno arricchito il tuo e indirettamente il mio bagaglio.
A cosa ti servirà il DDS che hai realizzato? ovvero quale è lo scopo di questo progetto?

ciao e Buone feste.

[flz47655]

Il generatore di funzioni ha moltissime applicazioni: ricavare la risposta in frequenza di circuiti, modulazioni radio, etc.. lo utilizzerò prevalentemente per ulteriori esperimenti.
Ho deciso di realizzarlo e progettarlo da solo invece che comprarlo già pronto o partire da schemi già pronti senza verificarli oltre che per risparmiare qualcosina sopratutto per imparare di più del mondo analogico.
E' il mio primo progettino "serio"

Ciao e buone feste

[flz47655]

Visto che interessa anche a qualcun'altro vi tengo aggiornati con alcune "pillole di saggezza" che ho acquisito (con grande fatica)
Il fattore Q degli induttori e dei condensatori è importante! Il filtro entrava in crisi dopo i 20 MHz a causa della resistenza R = (2*pi*f*L)/Q che portava ad una forte attenuazione. Mi sono stati consigliati condensatori silver-mica ed induttori con Q molto elevato per risolvere il problema.

[legacy]

Chi/dove l'ha consigliato ?

[flz47655]

Me lo hanno consigliato gli ingegneri di Analog Devices

[flz47655]

@Giovanni: nello schema che mi avevi consigliato sai per caso che induttori sono stati utilizzati?

Da quello che ho capito gli induttori a chip smd non vanno bene per il basso Q ma ci vogliono induttori a nucleo toroidale, mi hanno consigliato i T37-6 e i T25-6 (materiale #6), non sono esperto di induttori, sai se c'è da fare gli avvolgimenti a mano? Perchè non trovo i valori che mi servono presso i distributori

Ciao e grazie

[deluca]

se non ti ritrovi i valori ma ti ritrovi un induttance meter, il filo giusto e la ferrite giusta
allora potresti anche provarci..... ma secondo me oggetti così piccoli mi sembra alquanto difficile realizzarli.

ci è capitato di avvolgere toroidi per switching su supporti da 1/2cm di diametro 50/100 spire.....

ciao

[flz47655]

Grazie Giovanni per la risposta,
Ho controllato le tabelle e magari proverò con un T44-2, con 25-26 spire me la dovrei cavare su un diametro esterno di 1.1cm (o almeno spero..)
Non ho inductance meter ma un condensatore noto e l'oscilloscopio dovrebbero bastare per trovare la frequenza

ciao

EDIT: Alla fine sono andato su dei T50-2 leggermente più grosso per avere meno problemi e usare un filo con sezione maggiore, ho faticato parecchio per trovare qualcosa perché sembra che in pochi vendano al dettaglio questi nuclei toroidali, i distributori (Mo*ser, Di*ikey, etc..) non avevano nulla. Alla fine sulla "baia" me ne hanno rifilati 25.. era praticamente il minimo acquistabile.

[flz47655]

E' possibile su un singolo nucleo far passare più avvolgimenti per realizzare più induttori in un colpo solo? Ho visto vecchie schede madri con nuclei toroidali con più avvolgimenti diversi ma non ho ben capito a cosa servissero..

Ciao