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Text File  |  1987-03-10  |  15.8 KB  |  294 lines
  1.  
  2.                         Power Mountain Software Systems
  3.                                   P.O.Box 243
  4.                                Provo, Utah 84603
  5.  
  6.                                  Copyright 1987
  7.                               all rights reserved
  8.  
  9.  
  10.                             Filter 1.1 Documentation
  11.                                By Larry Ashworth
  12.                                     2/09/87
  13.  
  14.  
  15.      ** What's New! **
  16.  
  17.      There have been some big changes in the program since version 1.0.  It  is 
  18. now  possible  to design 75 different filters instead of 7,  and the program is 
  19. now Shareware.  We hope you like it, and will support its' further development.
  20.      All rights to this program are  reserved,  and  no  modification  to  this 
  21. program  will  be  allowed,  whatsoever.  Feel  free  to write us if you feel a 
  22. modification to this program might be warranted. We will make any modifications 
  23. we  think  desirable.  We  intend  to  continue to develop it into a VERY major 
  24. program, and we would like your input.
  25.      You may distribute this program freely,  and in fact are encouraged to  do 
  26. so.  If  you are seeing this program for the very first time,  remember this is 
  27. not the latest version more than likely.  Registering will provide you with the 
  28. current  one,  and also get you the next update.  It is virtually impossible to 
  29. keep you informed as to all the most recent additions.  So if you  really  like 
  30. what you see, by registering you will get to see what's happening.
  31.      I'm not sure at this time how many versions will be released to the public 
  32. as shareware,  it will depend on the support of the public.  We'll release some 
  33. more things I'm sure,  but we don't know how well the  Shareware  concept  will 
  34. work  with  this  type  of  software,  so I don't want to promise more than I'm 
  35. prepared to deliver.
  36.  
  37.  ==============================================================================
  38. !!  YOU MAY DISTRIBUTE ONLY THE SHAREWARE VERSION, NOT THE REGISTERED VERSION !!
  39.  ==============================================================================
  40.  
  41.      The purpose of this program is to: 
  42.  
  43.         A.)  Provide some basic background for those who  are investigating the 
  44.         principles  of electronics,  and filters in particular,   for the first 
  45.         time,  or to provide a review for those who studied  it  sometime  ago. 
  46.         Potential problems are covered, to make it easier to get what you want.
  47.  
  48.         B.)  To aid those who need a good bandpass filter design for some audio 
  49.         application,  and would like the computer to generate a schematic,  and 
  50.         compute values. 
  51.  
  52.         C.)  To  help  those who need a filter,  to choose components that will 
  53.         perform as desired,  or at least to help make  a  sensible  compromise. 
  54.         This   includes   guidelines  and  suggestions  as  to the operational  
  55.         amplifier choices available. 
  56.  
  57.  
  58.  
  59.                                      Page 1
  60.                           ** BACKGROUND AND BASICS **
  61.  
  62.      Since  we  have  to start somewhere,  and since we don't have room on this 
  63. disk for a complete course in electronics,  we are going  to  assume  that  you 
  64. already have some background in the basics.  
  65.      To  begin  remember that all of electronics begins with the study of a few 
  66. basic components, known as resistors, capacitors,  and inductors.   These basic 
  67. components   can  be used in an infinite variety of circuits and are the  basic 
  68. building blocks of all electronics.  Combined with semiconductor technology and 
  69. the invention of the vacuum tube,  virtually all of the developments  of modern 
  70. technology have been  created.    These fundamental elements form the  function 
  71. blocks upon which we have built everything. 
  72.      There are many different function blocks that are often used in the design 
  73. of communications and audio circuits.  One of these is the filter.  As a matter 
  74. of fact virtually  all  electronic  equipment  uses some  sort  of filtering. A 
  75. filter  is  a  circuit that electronically determines which frequency, or range 
  76. of frequencies, will be allowed through. 
  77.      There  are essentially two classes of filters known as R.F.,   and  Audio. 
  78. R.F.   filters   are  so called because these are used  for  Radio Frequencies, 
  79. consisting of high  frequency ranges used in communications and in  navigation. 
  80. These  are  much higher than the range of the human ear.  Audio frequencies are 
  81. those which are within the range of human hearing.  In this case from 10 hz  to 
  82. 25 khz or so. 
  83.      For   our purposes we will discuss audio filters,   but the principles are 
  84. the same for R.F. types.
  85.      All filters basically consist of four types,  they are LOWPASS,  BANDPASS, 
  86. NOTCH,   BAND REJECT,  and HIGHPASS.   I  say four types because notch and band 
  87. reject  are both the same thing,  differing only in the width,   or range,   of 
  88. frequencies that are rejected. 
  89.      A  wide bandpass filter design can be formed from the use of a highpass in 
  90. front of a lowpass filter,  in fact  this  is  the  way  a  speech  filter  for 
  91. communications  is  designed.   In  the  case  of  speech,  only  the  range of 
  92. frequencies extending from 300 hz to 3000 hz are required to understanding what 
  93. is said.  By concentrating all the power of a transmitter over a narrower range 
  94. of frequencies better communicating under adverse conditions  is  possible.  In 
  95. this  situation  we  would  use  a  high pass filter of 300 hz which would pass 
  96. frequencies above 300 hz to the input of a low pass filter  at  3000  hz,  thus 
  97. forming a 300 - 3000 hz bandpass filter system.
  98.      A  bandpass  filter  can  be very narrow,  and there are many applications 
  99. where only a very small band of frequencies are desired.  As  in  the  case  of 
  100. morse code communications in amateur radio. The Butterworth bandpass filter has 
  101. the property of being able to pass a small band of frequencies with nearly  the 
  102. same  amplitude throughout the pass band,  while allowing very steep skirts for 
  103. maximum attenuation  of  unwanted  signals  or  noise.  (The  number  of  poles 
  104. determines just how steep these skirts are.)
  105.      Notch,  or  band  reject  filters  are  used  to  eliminate or attenuate a 
  106. frequency or band of frequencies.  This particular version ("Filter 1.1")  does 
  107. not  create  notch filters,  though we intend to add them to the program in the 
  108. future. Band reject filters can be created through the use of high and low pass 
  109. filters,  simply by selecting the appropriate filters to reject the frequencies 
  110. you consider undesireable. 
  111.  
  112.  
  113.  
  114.  
  115.  
  116.      
  117.                                      Page 2
  118.                             ** COMPONENT CHOICES **
  119.  
  120.      This program is designed to allow you to very quickly design and  document 
  121. a  filter design.  A great deal of effort and research has gone into creating a 
  122. program that will make your life easier.  However,  there are hidden  'gotchas' 
  123. just waiting in the wings to ruin an otherwise excellent design.
  124.  
  125.      Before we get into a few of these here are  a  few  pointers:  
  126.  
  127.         A.  The  resistor  and component values given are calculated values and 
  128. need to be rounded  out  to  the  nearest  standard  value.  The  tolerance  of 
  129. resistors  and  capacitors  is suggested in the program,  and as you use it you 
  130. will see that exotic filter  shapes  require  very  tight  tolerances.  Simpler 
  131. filter requirements yeild less stringent component accuracies. In general, when 
  132. choosing components remember,  the closer you can come to the calculated values 
  133. the more likely you are to get the predicted results.
  134.             One  of  the really nice features of this program,  is the inherent 
  135. ability to experiment with values,  until the right combination is  found  that 
  136. meets  your  requirements.  Capacitor values should be kept below 1 uf.,  while 
  137. resistor values should be kept at around 2k and above.  Juggle capacitor values 
  138. around until you come up with the results that meet your requirements. Remember 
  139. also that resistance values above a Megohm may not be a good idea, try a larger 
  140. capacitor.  Some  very  low  frequency  filters require a large capacitor,  but 
  141. they're expensive.
  142.         B.  There are a great many good op-amps to choose from, and if you feel 
  143. a  little insecure about picking one for the job you're doing,  I would like to 
  144. suggest the TL071 (single),  TL072 (dual),  or TL074 (quad) packages.  They are 
  145. high performance, low noise, high slew rate devices that work very very well in 
  146. this type of circuit.  Their pin outs are industry standard,  and the price  is 
  147. reasonable.  If  you  need extremely low power consumption the TL061 series has 
  148. the same pin out and can be substituted.  These devices can be found in a Texas 
  149. Instruments Linear Data Manual.  The TL061,  '62, and '64 devices are not quite 
  150. as good in critical applications,  however,  due to the sacrifice in slew  rate 
  151. for lower power consumption. 
  152.         C.  If you have noticed there are  potentiometers  in  the  Butterworth 
  153. filter  schematics,  these can be 1/4 watt pc-mount types,  and the reason they 
  154. are there is to make it possible to make the fine tuning adjustments  necessary 
  155. to  get  the  system  to  work.  The  tuning procedure requires that you have a 
  156. frequency generator, and a frequency counter.  Using the values given, all that 
  157. you  need  to  do  is  to  make  sure that each section is tuned to the correct 
  158. frequency,  and then to make sure with your ac voltmeter that the gain for that 
  159. section is correct.  Start with the first section,  and continue through to the 
  160. last.
  161.       
  162.  
  163.  
  164.  
  165.  
  166.  
  167.  
  168.  
  169.  
  170.  
  171.  
  172.  
  173.  
  174.  
  175.                                      Page 3
  176.                        ** LOW & HIGH PASS FILTER TYPES **
  177.  
  178.      When  you  run  the low pass and high pass filter design options,  you are 
  179. asked to choose a slope option.  In case you aren't  sure  what  we're  talking 
  180. about,  I'll define them for you.  This new feature we have put in the program, 
  181. greatly enhances it's power and flexibility. You can now tailor each section to 
  182. give you the exact slope you need for your application.
  183.      These slope options are created by varying the DAMPING, of the section. As 
  184. the  damping  is  reduced  from  2 toward 0,  the initial rolloff of the filter 
  185. becomes steeper.  This allows higher rejection of unwanted signals  than  would 
  186. otherwise  be  the  case,  but the thing that I want to bring out is trade offs 
  187. involved.
  188.      Changing the damping has an affect on the passband of the filter, reducing 
  189. the  damping  causes ripples to occur.  You will notice in fact,  slope options 
  190. called 1db,  2db,  and 3db dip.  This refers to the passband ripple inherent to 
  191. these  filters.  Flattest  amp  refers  to  the  fact that the amplitude in the 
  192. passband   is   flat.    Very   desirable   in   audio   applications  such  as 
  193. bi-amplification.
  194.      'Highly damped' and 'best delay' are the  slowest  to  rolloff  initially, 
  195. 'compromise' a little faster, and so on....
  196.  
  197.                             ** POTENTIAL PROBLEMS **
  198.  
  199.      This program works very well, but the results can be unrealistic.  This is 
  200. due  to  the  fact  that  no  matter how rediculous your specifications are the 
  201. program will try to come up with values.  Values that can be  impossible.  In a 
  202. case such as this a little common sense is in order.
  203.      When you design a Butterworth bandpass filter,  keep the bandwidth as wide 
  204. as you can to get what you need accomplished.  Excessively narrow  filters  are 
  205. extremely difficult to tune,  the requirements for the op-amp get unreasonable, 
  206. and very often even if you get it running the ringing  of  the  filter  is  bad 
  207. enough to cause more troubles than you gain.  There are some important physical 
  208. limits that there just is no way around.
  209.      A one hertz wide filter will take  1  second  to  reach  approximately  90 
  210. percent of the maximum amplitude.  The higher the Q,  the closer to oscillation 
  211. you are,  and the greater the problems.  Trust me.  Keep it as wide as you can. 
  212. You'll be happier.  Use more poles if you need it really narrow,  but don't cut 
  213. those sidebands,  'cause you need 'em.  There  have  been  a  great  many  good 
  214. articles on filters in the various hobby electronic magazines, and of course in 
  215. many good textbooks on communications,  which can give you more information  on 
  216. why narrower isn't always better.
  217.      We've  tried  to  trap  out unreasonable inputs,  but I suppose there is a 
  218. chance we missed something.....
  219.  
  220.  
  221.                                R E M E M B E R !
  222.  
  223.      The ultimate rolloff of a filter is governed by the number of poles,  only 
  224. the initial rolloff is changed.
  225.      More poles, as a general rule, is more desirable than trying to make a two 
  226. pole filter act like a six pole.
  227.      Components become more critical as you lower the damping,  and it  gets  a 
  228. litle tricky to build a practical filter.  Use discretion.
  229.  
  230.      On a final note,  remember that if you want to print  out  the  schematics 
  231. generated  by  the  program,  you must run the GRAPHICS program from DOS or the 
  232. equivalent or you will not get a proper print-out of the screen.
  233.  
  234.                                      Page 4
  235.  
  236.  
  237.  
  238.  
  239.  
  240.  
  241.  
  242.  
  243.                                 ** THANK-YOU **
  244.  
  245.  
  246.      I  would  like to take this opportunity to thank Dale Spanheimer,  for his 
  247. help in putting this program together.  A lot of  effort  has  gone  into  this 
  248. thing,  and  I really appreciate his help.  The updates are coming a lot faster 
  249. due to his assistance.
  250.      Thanks are also in order to Thayne Harmon, who adapted the source code for 
  251. use  on  the  Atari ST.  He has made,  and helped to implement,  some very nice 
  252. changes in the program.
  253.      Now  let  me  say  thank-you  to  YOU.  It's people like you that make the 
  254. Share-ware software concept work.  We have faith in you, and we want to provide 
  255. a program that is professional, and as high a quality as possible.  I feel that 
  256. this way our future will be assured,  and that people  such  as  yourself  will 
  257. support this kind of effort.  Please don't let us down,  and we will work to be 
  258. of service to you.
  259.  
  260.                                              Larry Ashworth
  261.  
  262.                                              Power Mountain Software Systems
  263.                                              P.O.Box 243
  264.                                              Provo, Utah 84601
  265.  
  266.  
  267.  
  268.  
  269.  
  270.                                ** FINAL NOTES **
  271.                                     03/11/87
  272.  
  273.      At present,  the program has been tested  and  found  to  run  on  an  IBM 
  274. compatible  with  an  EGA/CGA card and a Tandy 1000.  A patch has been added to 
  275. make the program look better on the EGA card without blanking the screen on the 
  276. CGA  machines.  After the commercials in the beginning of the program,  you are 
  277. asked if you have an EGA card.  If you  respond  with  "N",  the  program  will 
  278. function  normally for CGA.  If you input "N" and you do have an EGA card,  you 
  279. will get green graphics on a white background.  If you respond "Y" and you have 
  280. a  CGA  card,  you  will get a blank screen after you have input all the values 
  281. requested.  If this happens,  just hit the retun key a couple of times and  you 
  282. will be asked if you want to design another filter. Respond "N" and you can run 
  283. the program again and respond "N" when it asks if you have an EGA card. We have 
  284. had a couple of copies of the program escape without this patch, so if you find 
  285. your screen going blank on a CGA card after you have  entered  all  the  values 
  286. requested,  then  you will find that problem is now cured.  The revision number 
  287. has not been changed to reflect that patch  being  added  to  the  program.  We 
  288. appologize for any inconvenience that may have been caused by this bug.
  289.  
  290.  
  291.  
  292.                                     Page 5
  293.  
  294.