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¿Ha cambiado el retraso del grupo?

Me estoy rompiendo la cabeza con este problema, ahora mismo. Es la continuación del trabajo que estoy haciendo con esto: Relación entre retardo de grupo, frecuencia de polos y factor de calidad .

Así que, como he dicho esto es un filtro paso bajo de segundo orden de Bessel, con ganancia \$ K_0 = 0.5 \$ y el retardo gorup en la banda pasante de \$ \tau_0 = 259 \mu s \$

$$T(s)=\frac{V_o(s)}{V_i(s)}=\frac{K_0\omega_0^2}{s^2+\frac{\omega_0}{Q_0}s+\omega_0^2}$$

Ahora debía diseñar un filtro LC paso bajo igualmente terminado y adaptado a una carga de \$600 \Omega \$ . Utilicé una tabla normalizada considerada una normalización a la frecuencia -3dB del filtro (frecuencia de corte) obteniendo el siguiente filtro normalizado:

enter image description here

Fantástico. Ahora necesito determinar la frecuencia de corte para poder realizar el escalado de frecuencia y el escalado de impedancia

$$R \longrightarrow \alpha R_n$$ $$L \longrightarrow \frac{\alpha L_n}{\omega_{-3dB}}$$ $$C \longrightarrow \frac{C_n}{\alpha \omega_{-3dB}}$$

Ya sabemos que \$ \alpha=600 \$ . Ahora para \$ \omega_{-3dB} \$ .

Bien sabemos que la frecuencia normalizada se relaciona con la frecuencia como:

$$\Omega=\frac{\omega}{ \omega_{-3dB}}$$

Por lo tanto:

$$\Omega_0=\frac{\omega_0}{ \omega_{-3dB}}$$

Y utilizando la conclusión de mi última pregunta que:

$$\tau_0=\frac{1}{Q_0\omega_0}$$

Llegamos con:

$$\omega_{-3dB}=\frac{1}{\Omega_0 Q_0 \tau_0}$$

¡Muy bien! Así que ahora necesitamos los valores \$ \Omega_0 \$ , \$ Q_0 \$ y \$ \tau_0 \$ se da.

Del análisis del circuito llegamos a:

$$T(s)= \frac{\frac{1}{L_nC_n}}{s^2+\left(\frac{1}{C_nR_{L_n}+\frac{R_{S_n}}{L_{1_n}}}\right)s+\frac{R_{L_n}+R_{S_n}}{R_{L_n}L_nC_n}}$$

Por lo tanto, concluimos que:

$$\Omega_0=\sqrt{\frac{R_{L_n}+R_{S_n}}{R_{L_n}L_nC_n}}=1.12702$$

$$Q_0=\Omega_0*\frac{1}{C_nR_{L_n}+\frac{R_{S_n}}{L_{1_n}}}=0.57735$$

Llegamos a $$\omega_{-3dB}=5923.752705\text{ rad/s}$$

Lo que lleva al circuito final de:

enter image description here

Simulando este circuito obtuve un retardo de grupo constante de \$ \tau_0 = 229 \mu s \$ que tiene como un 12% de error, lo que me parece un resultado bastante justo teniendo en cuenta todas las aproximaciones que hicimos en los cálculos.

enter image description here

Sin embargo el autor del problema por alguna razón considera \$ \tau_0 = 55 \mu s \$ . ¿Estoy malinterpretando el retraso del grupo? ¿Hay algún cálculo extra para llegar a esto o es un error?

Llegamos a $$\omega_{-3dB}=24.757\text{ krad/s}$$

Y el circuito:

enter image description here

Que efectivamente, simulando, llegamos con un retardo de grupo constante de como \$ \tau_0 = 57 \mu s \$ . Pero, ¿por qué? ¿Es un error del autor? ¿Este circuito está muy lejos de las especificaciones originales, a menos que no las esté interpretando correctamente? ¿Puede alguien ayudarme a verificar mi trabajo?


Problema original (en portugués):

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Tablas originales que he utilizado y su contexto: enter image description here

2voto

dumfries Puntos 1

Como no hay nada sobre el problema que has posteado, supondré que quieres un paso bajo con 259 μs de retardo, o un retardo de 55 μs, e intentaré dar una explicación de cómo calcular el filtro para un determinado retardo de grupo.

En primer lugar, como se menciona en los comentarios, el Filtros de Bessel tienen la propiedad especial de que se aproximan a un retardo de grupo constante en la banda pasante (y a una fase lineal, implícitamente). Son filtros omnipolares, como los Butterworth y Chebyshev de tipo I, pero no obedecen la atenuación de -3 dB en la frecuencia de esquina. Lo que significa que su retardo de grupo será diferente si se utiliza cualquier forma de escalado de frecuencia.

Consideremos la función de transferencia de paso bajo de 2º orden normalizada:

$$\begin{align} H(s)&=\dfrac{3}{s^2+3s+3}\tag{1} \\ \tau_{gd}(\omega)&=\dfrac{3\omega^2+9}{\omega^4+3\omega^2+9}\tag{2} \end{align}$$

Esto significa que \$\omega_0=\sqrt3\$ y \$Q_0=1/\sqrt3\$ pero la frecuencia (angular) para la que el retardo de grupo es la unidad es, a su vez, la unidad, lo que significa que \$\omega_0\;!=\;\omega_{gd}\$ o \$\omega_{gd}\$ tiene un escalado de frecuencia adjunto que no se puede quitar. Si se elimina, se pierde el retardo de grupo, que es \$\tau_{gd}(\omega_{gd}=1)=12/13\$ . Se aproxima a la unidad y mejora con el aumento del orden: para el 3er orden es \$276/277\$ , para el 4 es \$12745/12746\$ etc. El retardo de grupo en CC es siempre la unidad. Aplicando el escalado de frecuencia para una atenuación de -3 dB se obtiene una función de transferencia diferente:

$$\begin{align} |H(s)|^2=\dfrac12 \Rightarrow \\ \dfrac{9}{\omega^4+3\omega^2+9}=\dfrac12 \Rightarrow \\ \left\{ \begin{aligned} \omega_{1,2}&=\pm\sqrt{\dfrac32}\sqrt{\sqrt{5}-1}&\approx \pm 1.3617 \\ \omega_{3,4}&=\pm j\sqrt{\dfrac32}\sqrt{\sqrt{5}+1}&\approx \pm j2.2032 \end{aligned}\tag{3} \right. \end{align}$$ $$H(\omega_1 s)=\dfrac{1.618}{s^2+2.2032s+1.618}\tag{4}$$

Si ves una proporción áurea ahí es por las raíces (3). En este caso concreto (2º orden), resulta que es así. El factor de calidad sigue siendo el mismo, pero el retardo de grupo ahora se convierte en:

$$\tau_{gd}'(\omega)=\dfrac{0.73438\omega^2+1.1882}{0.33332\omega^4+0.53937\omega^2+0.87261}\tag{5}$$

El cual, evaluado en \$\omega_1=\sqrt{1.618}\$ se convierte en \$\tau_{gd}'(1.272)=0.90776\$ que no es \$12/13=0.923\$ (puede estar cerca, pero considera el límite de 1). Evaluado en \$\omega_{gd}\$ resulta en \$\tau_{gd}(1)=1.1016=1/0.90776\$ . Como puedes ver, cualquier escalado de frecuencia significa perder el retardo de grupo.

Ahora para tu caso, dices que necesitas un retardo de grupo de 259 μs. Eso significa \$\omega_{gd}=10^6/259=3861\$ a la que se aplica la normalización \$\sqrt3\$ para llegar a \$\omega_0=3861\sqrt3=6687.5\$ . Las resistencias de terminación están dadas, por lo que sólo queda resolver las resistencias L y C:

$$H_{LC}(s)=\dfrac{\frac{1}{LC}}{s^2+\left(\frac{1}{R_oC}+\frac{R_i}{L}\right)s+\frac{2}{LC}} \Rightarrow \\ {\left\{ \begin{aligned} \dfrac{1}{R_oC}+\dfrac{R_i}{L}&=\dfrac{\omega_{gd}}{Q_0} \\ \dfrac{2}{LC}&=\omega_{gd}^2 \end{aligned} \right.} \\ {\left\{ \begin{aligned} L_1&=0.24512 \\ C_1&=1.8244\cdot 10^{-7} \\ L_2&=0.065679 \\ C_2&=6.8088\cdot 10^{-7} \end{aligned} \right.}\tag{6} \\ $$

Como es un cuadrático hay dos raíces, ambas son reales, ambas dan los mismos resultados. Una con mayor inductor y menor condensador, y viceversa. Elige. El resultado está abajo, donde he desplazado ligeramente las trazas para que no se solapen completamente; los retardos de grupo se muestran iguales, y las lecturas confirman los cálculos:

proof

Nota: para la expresión de Laplace ( E1 ) He utilizado w=1/259u=3861 , no la escalada, como para el cálculo de L y C, porque la función de transferencia subyacente ya es el prototipo de paso bajo, que tiene la corrección "incorporada". Para un retardo de grupo de 55 μs, L=[156.16m, 41.84m], C=[116.23n, 433.8n] .

Ahora, esta es la parte que se vuelve confusa. No dices nada sobre el problema excepto que tiene que ser de un cierto retardo de grupo, y que el autor utilizó un retardo de grupo diferente, y nada más. No puedo saber por qué sí o por qué no, pero los resultados para el retardo de grupo de 55 μs sí coinciden, si se calculan para un retardo de 55 μs, no para 259 μs.

Sus resultados, sin embargo, no se calcularon para \$\omega_{gd}\$ . Su \$\Omega_0=1.127\$ que es \$\sqrt{1.272}=\sqrt{\sqrt{1.618}}\$ . Es un poco ...poco convencional, pero si se invierte a la escala correcta (es decir. \$\omega_{gd}=1\$ ) obtendrás los mismos valores que yo: \$58.19\cdot 1.1278=65.628\approx 65.68\$ y para el condensador \$603.3\cdot 1.1278=680.42\approx 680.88\$ similar para el caso de 55 μs. BTW, 12% de error, ¿te suena? (1.1278, 12%, grillos ). Y es un lote para un error de cálculo, quizá no para elementos prácticos que impliquen inductancias y condensadores (así de grandes, al menos), pero para la teoría es inmenso.

La próxima vez o bien no utilices las tablas de -3dB que se ven en casi todas partes, o bien aplica la corrección de antemano, si pretendes utilizar un filtro de Bessel para su retraso de grupo . Recuerda esto: retardo de grupo unitario significa calcular para una unidad \$\omega\$ sea cual sea la atenuación; especificar una atenuación significa que el retardo de grupo está desactivado, en cuyo caso las tablas están bien como están.

Por eso, cuando se diseña un filtro de este tipo, hay que elegir entre dos cosas: el retardo de grupo o la frecuencia de esquina ("clásica" -3 dB). La opción más común es el retardo de grupo. No es raro elegirlo para una frecuencia en particular, pero entonces el retardo de grupo es irrelevante: obtendrás una fase lineal, disfrútala mientras dure.


Dada tu reciente edición, el problema plantea un paso bajo LC Bessel de 600 Ω igualmente terminado con un retardo de grupo de 259 μs. No veo en ninguna parte ninguna mención de un 55 μs y, dada la formulación (o lo que dice mi traductor portugués muy pobre), el problema se resuelve como se muestra arriba: imponer. \$\omega=\sqrt3/259\,\mu\text{s}\$ . Entonces, en (6), la primera ecuación es igual a \$3\cdot 10^6/259\$ (ya que \$Q_0=1/\sqrt3\$ la frecuencia pasa a ser \$\omega/Q\rightarrow\omega\sqrt3\cdot\sqrt3=3\cdot\omega\$ ), y la 2ª ecuación es igual a \$3\cdot 10^{12}/259^2\$ .

2voto

Aunque la otra respuesta es mucho más completa (mejor para la escuela), pensé que sería útil para mostrar mi manera de perezoso (mejor para la vida real) para hacer un filtro LC escalera de Bessel en LTspice. En primer lugar, voy a empezar con los valores de su tabla normalizada, pero voy a establecer parámetros km (para la escala de magnitud) y kf (para el escalado de frecuencia) para su uso posterior. La dirección 2*pi las tonterías están ahí a propósito. Desde LTspice normalmente trata en Hz, es más fácil de configurar sus barridos si también ver todo en Hz. Voy a simular esto y luego obtener el retardo de grupo en el passband (ver cuadro rojo) para este filtro normalizado. Una cosa extra a tener en cuenta es que manualmente hago clic derecho en todos mis inductores y explícitamente establezco la resistencia en serie a cero (es 1mΩ por defecto) para que estos cálculos ideales tengan un error bajo.

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Ahora, puedo tomar el 1.362s y dividirlo por el retardo de grupo deseado de 259µs para obtener la frecuencia de 5259 rad/s para mi kf parámetro. Convertiré esto en 837Hz (dividir 5259 por ) y echarlo en mi .param declaración. Tengo que ajustar mi rango de barrido primero, pero luego puedo simular este filtro recién escalado.

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Ahora cambiaré km a 600. Aunque realmente no importa en este ejemplo, es una buena comprobación para asegurarme de que mis ecuaciones para los componentes se introdujeron correctamente. Debería obtener el mismo gráfico exacto si lo fueran... que es lo que hago.

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Lo último que hago es coger mi fiel calculadora TI-30XIIS (puedes usar .meas pero los odio) para evaluar todos los valores de los componentes de las cosas entre llaves, y luego seleccionar los de la vida real utilizando esos cálculos. Me fui con valores E96 para la resistencia y valores E12 para los demás. En vez de cambiar los ideales por los nuevos valores, hago una copia del circuito para poder simular ambas versiones a la vez y comparar las desviaciones. No incluí la ESR del inductor en este ejemplo, pero puedes hacerlo para una simulación más precisa.

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Según estos datos, mi circuito real (suponiendo una tolerancia de componentes del 0%) dará un retardo de grupo de banda pasante de 262µs en lugar de 259µs .

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