Этапы проектирования и исследования фильтров

Прежде чем приступать к проектированию, необходимо ознакомиться со свойствами, процедурой синтеза и схемотехникой фильтров, выбранных в качестве объекта проектирования.

1. В соответствии с заданием на проектирование выбрать из таблиц раздела 6 соответствующие варианту исходные данные; произвести, если требуется, предварительный расчет элементов фильтра; составить матрицу фильтра (матрицу проводимостей, сопротивлений или матрицу частных коэффициентов передачи); по полученной матрице составить структурную или упрощенную принципиальную схему фильтра.

Используемые в таблицах раздела 6 обозначения типов фильтров, отличающихся параметрами , соответствуют обозначениям, принятым в справочнике [2], за исключением фильтров типа b нечетного порядка, которые по сравнению с фильтрами типа a имеют на единицу меньшее число нулей передачи. Указанный в таблицах номер фильтра (№) состоит из цифрового кода, который соответствует значению модульного угла q в таблицах справочника [2]. Буквой T, как и в справочнике, обозначен фильтр Чебышева, а буквой С – фильтр Золотарева-Кауэра.

Код типа фильтра

I

II

III

IV

–

V

состоит из 5-и элементов, при этом каждый элемент несет определенную смысловую нагрузку, т.е. обозначает следующее:

I (состоит из одной буквы) – тип аппроксимации;

II (состоит из двух цифр) – порядок ФНЧ-прототипа ();

III (состоит из двух цифр) – неравномерность амплитудно-частотной характеристики фильтра в полосе пропускания ();

IV (состоит их одной буквы) – тип амплитудно-частотной характеристики;

V (состоит из двух цифр) – порядковый номер (информация о коэффициенте прямоугольности ).

Пример: C0620b-42; C – фильтр Золотарева-Кауэра; 06 – ; 20 – дБ; b – неполное число нулей передачи; 42 – .

2. Выполнить расчет параметров элементов принципиальной схемы фильтра. Поскольку процедура расчета допускает некоторый произвол в выборе значений сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов, необходимо принимать во внимание наличие определенных ограничений на эти значения. Емкости конденсаторов не должны быть большими, поскольку увеличение емкости – это увеличение размеров конденсатора, но не должны быть и слишком малыми, чтобы исключить влияние паразитных емкостей схемы. Сопротивления резисторов не должны быть слишком большими, чтобы ослабить влияние входных сопротивлений и входных токов сдвига операционных усилителей. При реализации фильтра в виде гибридно-пленочной схемы увеличение сопротивления требует увеличения площади подложки под резистором (при одном и том же удельном сопротивлении пленки). Но сопротивления резисторов не должны быть и слишком малыми, чтобы эквивалентное сопротивление цепи, нагружающее операционный усилитель, не было меньше допустимого для конкретного типа ОУ. Необходимо еще иметь в виду, что с уменьшением сопротивлений, нагружающих операционные усилители, растет потребление тока от источников питания.

Значения сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов, полученных в результате расчета, должны быть представлены четырьмя–пятью значимыми цифрами.

3. Рассчитать параметры фильтра и внести эти данные, наряду с заданными (известными), в строку “расчетные” табл. 5.1.

4. Используя компьютерную программу Micro-Cap, выполнить моделирование схемы фильтра, выбрав из библиотеки программы тип операционных усилителей. При выборе типа ОУ прежде всего необходимо обращать внимание на его площадь усиления П и коэффициент усиления . Контролю подлежит также потребляемый ОУ ток . В случае фильтра нижних частот или режекторного фильтра к параметрам, подлежащим контролю, относятся также ток смещения , напряжение сдвига и ток сдвига .

5. Этот пункт исследования выполняется, если программой Micro-Cap предусматривается возможность задания такой модели ОУ, которая не учитывает его частотных свойств. В режиме Анализ/Частотные характеристики, задав уровень 1, получить на экране монитора амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) общего вида и АЧХ в полосе пропускания. На АЧХ общего вида найти и отметить точку в полосе режекции, где затухание минимально, т.е. максимален коэффициент передачи . На АЧХ в полосе пропускания найти и отметить точки, где коэффициент передачи максимален (он же номинальный коэффициент передачи ) и минимален (). После этого перейти к измерению граничных частот полос пропускания и режекции соответственно по уровню и .

По результатам измерений рассчитать параметры фильтра и внести эти данные в строку «измеренные L1» табл. 5.1.

6. Исследовать влияние частотных свойств ОУ на АЧХ фильтра, для чего вновь запустить режим Анализ/Частотные характеристики, установив уровень 2 или 3 модели ОУ и повторить предыдущий пункт, заполнив строку «измеренные L3» табл. 5.1. При недопустимом изменении параметра необходимо выбрать другой, более высокочастотный, тип ОУ.

Таблица 5.1

Параметры	дБ		дБ		кГц	кГц	кГц	кГц	кГц	дБ
расчетные
измеренные L1
измеренные L3

7. Исследовать стабильность АЧХ фильтра методом Монте-Карло, выбрав закон распределения разброса параметров элементов (резисторов и конденсаторов ) и задав не менее четырехсот выполнений (прогонок). Вероятностные значения неравномерности АЧХ в пределах полосы пропускания определить по гистограмме, полученной в результате статистических испытаний. Исследования проводятся при уровне 2 модели операционных усилителей.

Заполнить табл. 5.2, где и – соответственно минимальное, максимальное и среднее (математическое ожидание) значение неравномерности АЧХ в полосе пропускания, а (сигма) – среднеквадратическое отклонение неравномерности от (корень квадратный из дисперсии).

Таблица 5.2

, дБ	, дБ	, дБ	, дБ

8. Измерить коэффициенты динамической перегрузки на выходах всех операционных усилителей, для чего снять АЧХ в каждой из этих точек. Поскольку максимальные коэффициенты передачи на выходах j- х операционных усилителях () представлены в децибелах (как и номинальный коэффициент передачи ), коэффициенты рассчитываются из соотношения

.

Полученные данные внести в табл. 5.3.

Таблица 5.3

№ ОУ	X1	X2	X3	X4	X5	X6	X7	X8
, дБ

На основании данных табл. 5.3 убедиться в допустимости таких динамических перегрузок на выходах операционных усилителей.

9. Используя справочники по резисторам и конденсаторам, выбрать типы схемных элементов так, чтобы суммарное отклонение значения сопротивления каждого (i- го) резистора и емкости каждого (к- го) конденсатора не выходило за пределы, принятые при исследовании методом Монте-Карло, т.е. и :

,

где и – допустимые (заданные при исследовании методом Монте-Карло) отклонения параметров (в процентах); ; ; () – отклонение от ряда; – технологический допуск (в процентах); () – температурная нестабильность; () – расчетное значение; () – номинальное значение; ТКС (ТКЕ) – температурный коэффициент сопротивления (емкости); – диапазон температур. Для отдельных элементов допускается небольшое превышение отклонения () заданного уровня ().

При выборе типов резисторов и конденсаторов учитывать также их размеры, максимальную рассеиваемую мощность, изменение параметров в течение минимальной наработки и пр.

Результаты расчета отклонений параметров элементов оформить в виде табл. 5.4.

Таблица 5.4

Параметр схемного элемента	Расчетное значение нФ, кОм	Значение из ряда Е192 нФ, кОм	%	%	%	%
Конденсаторы
Резисторы

10. Оформить пояснительную записку к курсовой работе. Содержание пояснительной записки:

– введение, где излагаются основные положения теории частотных фильтров применительно к проектируемому фильтру;

– исходные данные к проектированию в виде таблицы;

– процедура синтеза матрицы схемы фильтра;

– матрица и структурная (или упрощенная принципиальная) схема фильтра (пояснения к матрице, описание схемы);

– описание и расчет схем звеньев фильтра (обоснование выбора тех или иных параметров схемных элементов);

– расчет рабочих параметров фильтра;

– принципиальная схема разработанного фильтра (описание схемы фильтра; обоснование выбора типа операционных усилителей);

– амплитудно-частотные характеристики фильтра без учета и с учетом частотных свойств ОУ (уровни 1 и 2 или 3 модели ОУ);

– таблица параметров фильтра (табл. 5.1), выводы о влиянии частотных свойств ОУ на параметры фильтра;

– результаты анализа стабильности АЧХ методом Монте-Карло (графики АЧХ, гистограмма неравномерностей АЧХ в полосе пропускания, таблица 5.2 статистических параметров), выводы о параметрической чувствительности спроектированного фильтра;

– результаты измерения коэффициентов динамической перегрузки на выходах всех операционных усилителей (графики АЧХ, табл. 5.3), выводы по результатам измерения;

– описание (с указанием размеров и основных параметров) выбранных схемных элементов (операционных усилителей, резисторов, конденсаторов);

– таблица номиналов элементов (табл. 5.4), соответствующих выбранному ряду, и возможного отклонения параметров элементов от номинальных значений;

– заключение, где дается оценка результатам в виде сравнения параметров, полученных по итогам моделирования, с заданными.

Дата добавления: 2015-08-03