filtros activos elimina banda - una implementación práctica

Universidad Nacional de Misiones

Facultad de Ingeniería

Ingeniería Electrónica

Electrónica Analógica

Informe

Filtros Activos – Una implementación práctica

Autores:

Hoff Romina Andrea

Krujoski Matías Gabriel

Statkievicz Elías José

Docentes Responsables:

Dr. Ing. Anocibar Hector R.

Ing. Olsson Jorge A.

Ing. Xiscatti Pérez Christian

Sr. Zarratea Diego

Fecha: 2 de Junio

Oberá, Misiones

2014

Electrónica Analógica Filtros Activos – Una implementación práctica

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Introducción

En el presente informe de laboratorio se documenta el proceso de diseño de un conjunto de filtros

activos con la asistencia de software específico. Además, se detallan los procedimientos implicados

en la construcción de una placa experimental de los filtros diseñados. Finalmente, se incluyen los

detalles sobre los ensayos de funcionamiento realizados a los circuitos construidos y se presentan los

resultados obtenidos con sus respectivos análisis.

Metodología

En ésta sección se describen los recursos de los cuales se hizo uso en la implementación práctica del

filtro activo presentado.

Equipos, materiales y software

En la etapa de diseño del filtro se recurrió a los programas listados en la Tabla 1.

Tabla 1:Detalle de programas utilizados

Programa Versión Aplicación

FilterPro Desktop TI 3.1 Diseño matemático y eléctrico de los filtros.

PSpiece Schematics 9.2 Simulación de validación de los diseños.

Proteus Profesional 7 Diseño del diagrama PCB.

Para la implementación práctica del circuito se utilizaron las herramientas listadas en la Tabla 2; y

los materiales detallados en la Tabla 3.

Tabla 2:Detalle de herramientas utilizadas

Elemento Uso

PC Diseño del esquema de PCB.

Impresora láser Impresión del esquema PCB en hoja fotográfica.

Plancha eléctrica doméstica. Transferencia del esquema PCB a la placa virgen.

CEDL2P Cuba electrolítica para corrosión ácida de la placa.

Jarra eléctrica Calentamiento de agua para corrosión ácida en “baño maría”.

Perforadora de banco Perforaciones para componentes.

Soldador tipo lápiz 40W Soldado de componentes del circuito.

Des-soldador por succión. Desoldado para correcciones/modificaciones.

Alicate de micro-corte. Cortado de sobrantes de terminales.


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Tabla 3: Detalle de materiales utilizados

Elemento Cant. Características Aplicación

IC RC4136 1 DIL 7, Quad Operational Amplifiers AO de los filtros.

Cap. Elect. 2 10µF, 16V, polarizado. Filtro alimentación.

Cap. Cerám. 2 100nF, 50V. Filtro alimentación.

Cap. Elect. 8 1µF, 100V, polarizado Elementos pasivos.*

Cap. Elect. 2 2,2µF, 100V, polarizado Elementos pasivos.*

Resistor film C 1 560 Ω, 1/4W. Elementos pasivos.

Resistor film C 1 1,2 kΩ, 1/4W. Elementos pasivos.








Resistor film C 6 10 kΩ, 1/4W. Elementos pasivos.



Trimpot 1 5 kΩ, multivuelta. Calibración.

Pin 39 Pin metálico pasante. Puntos de prueba, jumpers.

Bornera 1 Azul, 3 vías. Conexión alimentación.

Bornera 1 Azul, 2 vías. Conexión de salida.

Conector 1 Audio estéreo 3,5mm a PCB. Conexión de entrada.

PCB virgen 1 Epoxi, Cu 200µm; 10x20cm. Placa.

Papel fotográfico 1 A4, 150grs/m2, terminación lisa. Transferencia de PCB.

* Los capacitores que forman parte de la etapa pasiva de cualquier filtro activo deben ser

despolarizados porque se encuentran operando con señales de corriente alterna; sin embargo, por

desabastecimiento en el mercado local éstos fueron implementados con los capacitores electrolíticos

detallados, tomando el recaudo de seleccionar una aislación para mayor tensión a los efectos de evitar

daños en el dieléctrico por la aplicación de corriente alterna.

Procedimiento de Diseño del Filtro Activo

A los efectos de centrar el trabajo en la implementación práctica de diversos filtros activos y evaluar

su desempeño real, la tarea de diseño conceptual de los mismos fue relegada al software FilterPro

Desktop de la compañía Texas Instruments. En la Figura 1 se presenta una impresión de la pantalla

inicial del asistente para diseño que incorpora el mencionado programa. En primera instancia se debe

seleccionar del listado, el tipo de filtro que se desea diseñar; en éste caso corresponde a

Bandstop/Notch.


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Figura 1: Primera pantalla del asistente de diseño, selección del tipo de filtro

Como segunda etapa de diseño se deben especificar los parámetros matemáticos que definen la

respuesta en frecuencia que se desea obtener del filtro en proceso de diseño; a través de una pantalla

como la exhibida en la Figura 2.

Figura 2: Segunda pantalla del asistente de diseño, especificaciones de la respuesta del filtro


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El trabajo consiste fundamentalmente en diseñar dos filtros con diferente aplicación, y para cada uno

de ellos diseñar con dos topologías. El filtro para eliminar el ruido de la red simplemente debe

centrarse en 50 Hz; sin embargo, el filtro para subwoofer debe poder eliminar una frecuencia no

específica en el rango de los 15 Hz a los 35 Hz. De modo que, a efectos didácticos se ejecutó el

cálculo de diseño para dos filtros elimina banda centrados en esos extremos del rango para el filtro

de subwoofer. Así, en la Tabla 4 se resumen las especificaciones de diseño que fueron adoptadas para

cada uno de los filtros.

Tabla 4: Detalle de especificaciones de diseño de los filtros

Filtro 50 Hz

Filtro de Subwoofer

Inferior Superior

Ganancia (A0) [dB] 0 0 0 Frecuencia Central (f0) [Hz] 50 15 35 Ripple permitido (Rp) [dB] 3 3 3 Banda de Paso (BWp) [Hz] 45 10 10 Orden 2 2 2

Una vez cargados los parámetros de diseño en el asistente, este conduce a una pantalla como la

presentada en la Figura 3.

Figura 3: Tercera pantalla del asistente de diseño, respuesta matemática del filtro


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En la respuesta del filtro pueden compararse los resultados obtenidos mediante diversos estimadores;

y así elegir cuál de ellos se utilizará en el cálculo de los elementos pasivos asociados al amplificador

operacional del filtro; en este caso se selecciona el Butterworth. El paso siguiente consiste en elegir

la topología, a través de una pantalla como la de la Figura 4.

Figura 4: Cuarta pantalla del asistente de diseño, selección de topología del filtro

Llegado este punto del diseño, para cada uno de los filtros se obtienen dos resultados; uno en topología

de Multiple Feedback y otro Sallen –Key. De manera generalizada, un filtro elimina banda MF toma

la forma de la Figura 5 y el S-K resulta como el de la Figura 6.

-

+

-

+

C2

C1

R3

R1

R2

R5

R4 R6

in

out

Figura 5: Topología general del filtro elimina banda Multiple Feedback


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-

+

C3

C2

R3

R1

R5

R4

inout

R2

C1

Figura 6: Topología general del filtro elimina banda Sallen - Key

Una vez seleccionada la topología que se desea diseñar, el asistente realiza los cálculos de todos los

componentes pasivos y devuelve los resultados en un reporte completo. En la realización del presente

trabajo dicho proceso se repitió para completar todos los diseños requeridos en sus respectivas

topologías; así, en la Tabla 5 se resumen los resultados obtenidos.

Tabla 5: Resumen de resultados de diseño de los filtros

Elemento

Filtro 50 Hz Filtro de Subwoofer

MF S-K Inferior Superior

MF S-K MF S-K

R1 [kΩ] 3,3 3,3 18 10 18 4,7 R2 [kΩ] 6,8 3,3 33 10 33 4,7 R3 [kΩ] 2,2 1,8 4,7 4,7 0,68 2,2 R4 [kΩ] 10 2,2 10 2,2 10 2,2 R5 [kΩ] 10 1,2 10 1,5 10 1,8 R6 [kΩ] 10 -- 10 -- 10 -- C1 [µF] 1 1 1 1 1 1 C2 [µF] 1 1 1 1 1 1 C3 [µF] -- 2 -- 2 -- 2

En los resultados de diseño para el filtro de subwoofer puede observarse que entre el límite superior

del rango de frecuencias central del mismo (35 Hz) y el límite inferior (15 Hz) para la topología MF

sólo se modifica el valor de un resistor, el identificado como R3, esto permite reemplazarlo por un

trimpot que puede manejar un rango de variación suficiente como para reproducir estos valores

extremos de resistencia y así lograr un filtro elimina banda con frecuencia central ajustable. Sin

embargo, para la topología SK no se encuentran coincidencias entre los diseños para las frecuencias

extremas; por lo que se decide recalcular el mismo con una frecuencia central intermedia a la banda


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15 a 35 Hz. Este proceso de rediseño se hace con una frecuencia central de 20 Hz. En la Tabla 6 se

detallan los resultados obtenidos.

Tabla 6: Elementos para el

filtro de Subwoofer, 20Hz

Elemento S-K

R1 [kΩ] 8,2 R2 [kΩ] 8,2 R3 [kΩ] 3,9 R4 [kΩ] 2,2 R5 [kΩ] 1,8 R6 [kΩ] -- C1 [µF] 1 C2 [µF] 1 C3 [µF] 2

De este modo, los diseños obtenidos mediante el software utilizado, son validados a través de la

simulación de los circuitos con el programa PSpiece Schematics. En la Figura 7 se exhibe la respuesta

en frecuencia del filtro de 50 Hz mediante simulación, para ambas topologías.

Figura 7: Respuesta de simulación para el filtro elimina banda en 50 Hz

En la simulación para el filtro de 50 Hz se aprecia que ambas topologías presentan su máxima

atenuación a frecuencias distintas de la establecida como central. Además, es de notar que la topología

Sallen-Key presenta una ganancia estática en la banda de paso, que no debería estar según las

especificaciones de diseño. A pesar de éstos aspectos encontrados en la simulación, se consideran

validados ambos diseños para poder implementarlos.

En la Figura 8 se exhiben los resultados de simulación para el filtro elimina banda de subwoofer, para

ambas topologías y con ajuste del valor de R3 en la MF a sus valores límites dados en la Tabla 5, en

tanto que para la topología Sallen-Key se consideran los valores de la Tabla 6.

Frequency

0Hz 10Hz 20Hz 30Hz 40Hz 50Hz 60Hz 70Hz 80Hz 90Hz 100Hz

VDB(Vmf) VDB(Vsk)

-40

-20

0

20


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Frequency

0Hz 10Hz 20Hz 30Hz 40Hz 50Hz 60Hz 70Hz 80Hz 90Hz 100HzVDB(Vmf) VDB(Vsk)

-30

-20

-10

0

10

Figura 8: Respuesta de simulación para el filtro elimina banda de Subwoofer

En la Figura 8 se puede apreciar que nuevamente la topología Sallen-Key presenta una ganancia en

la banda de paso que se considera indeseada, en función de las especificaciones con que fuere

proyectado el filtro. Además, es posible observar dos curvas de respuesta para la topología Multiple

Feedback, dadas para los valores extremos del trimpot R3, que confirman el supuesto de poder

modificar la frecuencia central del filtro mediante el ajuste de dicho resistor únicamente. En función

de todo lo analizado, los diseños para el filtro de subwoofer se consideran validados para su

implementación.

Procedimiento de Diseño y Construcción del Circuito Impreso

Con los diseños de cada filtro validados, se procedió a diseñar una placa de circuitos impresos que

permita implementar todos los circuitos propuestos en forma práctica para facilitar su evaluación

experimental. Para el diseño de dicho circuito se tomaron los requerimientos detallados a

continuación:

Debido a que los filtros están pensados para su aplicación en el campo del audio, la placa debe

poder conectarse con facilidad a una fuente de audio.

El circuito será intercalado entre una fuente de audio y un amplificador; en consecuencia, se

trata de un circuito de señal que no tiene mayores requerimientos en cuanto a la potencia que

maneja.

Contemplando su orientación didáctica, las distintas topologías para cada uno de los filtros

deben ser fácilmente intercambiables; además, ha de brindar la posibilidad de aplicar cada

uno de los filtros por separado, o ambos en cascada sí así se quisiese; como también brindar

la opción de hacer un bypass a los filtros y permitir el paso de señal sin alteraciones.

Con el fin de facilitar su evaluación experimental, debe ofrecer practicidad para conectar

instrumentos de laboratorio en aquellos puntos que se consideran de interés en el esquema de

cada filtro.


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Con el fin de dar cabida a las especificaciones detalladas previamente y considerando el carácter

experimental del circuito a diseñar, se definió las dimensiones de la placa en 20x10 cm; un tamaño

varias veces superior a lo estrictamente necesario para acomodar a todos los componentes que

incorpora. Sin embargo, el exceso de espacio entre los componentes facilita la incorporación de

“puntos de prueba” con pin para realizar mediciones sobre el circuito en funcionamiento. Además,

las diversas topologías y forma de operación (individual, cascada o bypass) pueden ser

intercambiables fácilmente mediante jummpers.

Los amplificadores operacionales necesarios para cada filtro fueron tomados del integrado RC4136,

del fabricante Texas Instruments, porque el mismo incluye exactamente los cuatro AO que se

requieren.

Recurriendo al programa Proteus ARES Profesional se diagramó el esquema de PCB presentado en

la Figura 9; esta imagen está escalada y corresponde a una vista del lado de los componentes al sólo

efecto de orientar sobre la ubicación de elementos en el circuito.

UNaM - Facultad de Ingeniería

Electrónica Analógica - 2014

Hoff R. - Krujoski M. - Sosa G. - Statkievicz E.

Oberá, Misiones, Argentina

Figura 9: Diagrama de PCB (fuera de escala)

Una vez comprobado el diseño de PCB, tanto sus conexiones eléctricas como espaciado de

componentes y terminales, el mismo fue impreso en una hoja de papel fotográfico con impresora

láser. Luego, la copia impresa del diseño de PCB fue transferida por el método térmico al lado de

cobre, previamente pulido y limpio, de la placa virgen; logrando así el enmascarado para realizar

posterior ataque ácido. Finalizado el proceso de corrosión ácida, fue neutralizado el reactivo y se

limpió el enmascarado de la placa; para finalmente aplicarle dos manos de flux protector.

Luego de secado el flux, se realizaron las perforaciones para instalación de los componentes del

circuito; concluyendo así el ensamblado con el proceso de soldadura.


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Procedimiento de Ensayo del Filtro Activo

Sí se pretende relevar las curvas de respuesta en frecuencia de los filtros, puede aplicarse directamente

el método de medición punto a punto de amplitud y fase para una señal de entrada que no debe superar

1 V de amplitud pico-pico.

A continuación se describe las distintas configuraciones que deben hacerse sobre el circuito para

evaluar el funcionamiento de las diversas etapas.

Filtro de 50 Hz, topología Multiple Feedback

Para poder ensayar, en forma individual, este filtro se requiere conectar los jummpers detallados en

el esquema de la Figura 10.

-

+

-

+

C8

C1

R2

R1

R4

R5

R6R7

in

out

JP1

R3

JP2

JP4

JP9

R13

RC413612

14

13

3

1

2

RC4136JP6

Figura 10: Diagrama Filtro 50 Hz Multiple Feedback

Si en lugar de ensayar únicamente éste filtro, se quiere poner su salida en cascada con el otro filtro,

debe reemplazarse el JP6 por JP10. Además, la señal de entrada puede ser provista a través de la ficha

de audio o en el punto de prueba 1 (etiquetado como PP1); y la señal de salida puede ser tomada

desde la bornera dispuesta a tal efecto o desde el punto de prueba 3 (PP3).

Filtro de 50 Hz, topología Sallen – Key

En la Figura 11 se presenta el diagrama detallado de las conexiones para implementar este filtro.


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-

+

C6

C4

R12

R10

R9

R8

inout

R11

C2

JP7 JP8JP5

JP3

JP6RC4136

12

13

14

Figura 11: Diagrama Filtro 50 Hz Sallen - Key

También en éste caso, sí se desea poner a éste filtro en cascada con el otro filtro; debe reemplazarse

el JP6 por JP10.

Filtro de Subwoofer, topología Multiple Feedback

Cabe destacar que éste es el filtro que permite ajustar la frecuencia central de la banda mediante el

trimpot identificado como RV1 en el esquema de la Figura 12.

-

+

-

+

C 12

C5

R15

R14

R17

R 18

R 19R 20

in

out

JP11

R 16

JP12

JP14

JP18

R26

RC413610

8

9

4

6

5

RC4136

RV1

Figura 12: Diagrama Filtro Subwoofer Multiple Feedback

Para utilizar este filtro en cascada con el de 50 Hz debe eliminarse el JP11.

Filtro de Subwoofer, topología Sallen-Key

Este filtro posee una frecuencia central fija, diseñada en 20 Hz; para implementarlo se debe repropucir

el esquema de la Figura 13.


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-

+

C 10

C9

R25

R23

R 22

R21

inout

R24

C7

JP16 JP17JP15

JP13RC4136

10

9

8

Figura 13: Diagrama Filtro Subwoofer Sallen - Key

Resultados Experimentales

Siguiendo los procedimientos enunciados en el apartado correspondiente, se relevaron de forma

experimental las curvas de respuesta para cada uno de los filtros diseñados; en las secciones siguientes

se incluyen los resultados obtenidos.

Filtro de 50Hz

Recurriendo al método de medición punto a punto, se relevó la curva de respuesta para ambas

topologías del filtro de ruido de línea. En la Figura 14 se aprecian las respuestas obtenidas en forma

experimental.

Figura 14: Curvas de respuesta experimental para el filtro de 50 Hz

101

102

-30

-20

-10

0

10

f [Hz]

Mg [

dB

]

MFB

Sallen-Key

101

102

0

50

100

150

f [Hz]

Fase [

gra

dos]

MFB

Sallen-Key

Filtro 50 Hz


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Según los datos relevados, se aprecia que el filtro de Multiple Feedback presenta un comportamiento

más aproximado a lo que se esperaba según el diseño del mismo y los resultados de simulación. En

cambio, el Sallen – Key, no alcanza a brindar la atenuación de diseño en ningún punto de la respuesta

en frecuencia; además, el valle de éste último filtro se encuentra considerablemente desplazado hacia

las bajas frecuencias respecto del diseño.

Estas discrepancias apreciadas en los ensayos prácticos pueden deberse al cambio de los capacitores

cerámicos por electrolíticos; ya que éstos últimos poseen una constante de tiempo superior.

Filtro de Subwoofer

Mediante la misma técnica de medición de respuesta en frecuencia se relevó los filtros para

subwoofer; con la particularidad de que la topología Multiple Feedback debió relevarse tres veces,

una con el ajuste del trimpot al mínimo, otra al máximo y una tercera en un punto intermedio. En la

se exhiben los resultados obtenidos.

Figura 15: Curvas de respuesta experimental para el filtro de Subwoofer

En la respuesta obtenida en forma experimental se puede apreciar con claridad como se modifica la

frecuencia central del filtro MF al cambiar el valor del preset. Además, puede notarse que pare este

filtro la topología Sallen- Key logró ofrecer el nivel de atenuación proyectado en la frecuencia central.

Conclusiones

Luego de desarrolladas las experiencia implicadas en la implementación práctica de filtros activos se

puede concluir que éstas fueron muy productivas; consiguiéndose en general satisfacer las

especificaciones con que fueren diseñados los circuitos.

101

102

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

f [Hz]

Mg [

dB

]

MFb wmin

MFb wmed

MFb wmax

Sallen-Key

101

102

0

50

100

150

200

f [Hz]

Fase [

gra

dos]

MFb wmin

MFb wmed

MFb wmax

Sallen-Key

Filtro Subwoofer


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Además, se destaca que resultó una experiencia muy enriquecedora la tarea de diseñar el conjunto de

filtros configurables mediante un juego de jummpers en una placa de circuito impreso.

Gracias a los resultados obtenidos, se determina que la topología Multiple Feedback presenta mayor

versatilidad de calibración mediante elementos circuitales sencillos, como los presets. Sin embargo,

cabe destacar la menor cantidad de componentes requeridos por la topología Sallen-Key.

En cuanto al software utilizado en el diseño de los filtros, se resalta su usabilidad y versatilidad;

tomándolo así como herramienta referente para futuros trabajos.

filtros activos elimina banda - una implementación práctica

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