Лабораторна робота № 18

Активні фільтри на основі ОП (частина 1)

18.1. Мета роботи

Вивчення схемотехнічних засобів формування заданих частотних характеристик електронних пристроїв – активних фільтрів – з метою ефективного зниження перешкод в аналоговому сигналі. У роботі досліджуються засоби побудови заданих типів АЧХ на основі АФ першого та другого порядків.

Використання пакету EWB для виконання роботи

Для виконання роботи досить використання ідеального операційного підсилювача, стандартних пасивних компонентів електронної техніки та джерел змінної напруги. Частотні властивості електричних кіл, що досліджуються, можна аналізувати як за допомогою віртуального аналізатора частотних характеристик Bode-plotter, так і через меню Analysis / AC frequency.

Порядок виконання роботи

18.3.1. Складаються схеми АФ першого порядку з частотами зрізу у відповідності до варіанту, знаходяться їх АЧХ та ФЧХ. Схеми АФ, що досліджуються, наведені на рис. 18.1.

а

б

в

г

Рис. 18.1

18.3.2. Використовуючи дані додатку 1, складаються схеми активних фільтрів у відповідності до завдання варіанту і за допомогою аналізатора частотних характеристик Bode-plotter визначаються АЧХ та ФЧХ фільтра. У випадку виникнення складнощів у налагодженні пристрою Bode-plotter частотні властивості фільтрів можуть бути визначені через меню Analysis / AC frequency.

18.3.3. Використовуючи рухомий тестер Bode-plotter (вертикальна лінія, що може переміщуватись за допомогою “миші”), знаходяться максимальні та мінімальні значення АЧХ у діапазоні частот пропускання, у діапазоні частот затримки і визначається нерівномірність АЧХ у вказаних частотних піддіапазонах.

18.3.4. Аналогічним шляхом визначається крутизна нахилу АЧХ та ФЧХ у перехідних ділянках АФ та порівнюється з розрахунковою.

18.3.5. Змінюючи частоти зрізу АФ першого порядку, розробити схеми загороджуючого фільтра, скласти його схему та визначити АЧХ та ФЧХ.

18.3.6. Приєднати до розроблених АФ генератор імпульсів і, змінюючи частоту вхідних імпульсів, продемонструвати роботу фільтрів у різних частотних діапазонах, порівнюючи вихідний сигнал із вхідним.

18.3.7. Використовуючи опцію Analysis / Parameter Sweep, дослідити вплив зміни частоти зрізу АФ на його АЧХ та ФЧХ. Методологію проведення дослідів розробити самостійно та привести її обґрунтування у звіті.

18.3.8. Складаються схеми АФ Салена та Кі другого порядку. Повторюються досліди за п.п. 18.3.2 – 18.3.7 для АФ, що наведені на рис. 18.2.

а

б

в

Рис. 18.2

18.4. Вимоги до звіту

18.4.1. Навести схеми АФ, що досліджувались, з їх АЧХ та ФЧХ.

18.4.2. Дати пояснення особливостей амплітудних та фазових характеристик, що отримані у дослідах, та їх відповідність теоретичним, а також впливу зміни параметрів на АЧХ та ФЧХ.

18.5. Завдання до самотестування і атестації

18.5.1. Пояснити призначення АФ та їх переваги перед пасивними.

18.5.2. Назвати основні параметри АФ, дати їх фізичну інтерпретацію.

18.5.3. Дати перелік основних типів АФ, пояснити їх особливості.

18.5.4. Пояснити вплив зміни параметрів елементів АФ на їх АЧХ та ФЧХ і важливість їх стабільності у реальних фільтрах.

Додатки

Додаток 1. Таблиця варіантів до схем лабораторної роботи.

Номер варіанту	Тип АФ	Частота зрізу (смуга) (кГц)	Порядок фільтра	№ завдання для розрахунку АФ (Додаток 2)
	ФНЧ
	П	2-3
	ФВЧ
	ФНЧ
	П	10-12
	ФВЧ
	ФНЧ
	П	20-22
	ФВЧ
	ФНЧ
	П	25-28
	ФВЧ
	ФНЧ
	П	35-38
	ФВЧ

Додаток 2. Таблиця розрахункових параметрів АФ

Тип фільтра			№ завдання для розрахунку АФ
Батерворта	1,414	1,00
Беселя	1,732	0,785
Чебешева з нерівномірністю:
	0,5 дб	1,578	1,390
1 дб	1,059	1,218
2 дб	0,886	1,074
3 дб	0,766	1,000

Додаток 3. Рекомендації до розрахунку параметрів елементів АФ.

При використанні розрахунків АФ Салена та Кі як для фільтрів нижніх, так і для фільтрів верхніх частот виходять з умови і . Спочатку обирається (задається) частота зрізу f _з , а також тип фільтра, що розраховується. У спеціальній літературі існують різні типи таблиць для вибору базових параметрів для кожного типу АФ. Скористаємось таблицею для вибору коефіцієнта затухання K _З і відношень (Додаток 2), де f _р – розрахункова чатота, на якій має місце затухання – 3 дБ; f _з – частота зрізу, тобто частота, на якій фазова затримка фільтра дорівнює половині максимальної можливості. За заданою частотою зрізу обирається постійна часу однієї ланки фільтра:

.

Якщо задатись ємністю конденсатора С, то можна обчислити величину опору R. Величина R реально повинна знаходитись у діапазоні (10 ÷ 100) кОм. Значень R < 10 кОм бажано уникати.

Величина коефіцієнта затухання K _З обирається з таблиці за заданим типом АФ та нерівномірністю АЧХ у смузі пропускання (для АФ Чебешева). Величина R _A задається з умови, що R ₁ = R ₂ = R = R _A . Опір R _B знаходиться за формулою:

R _B = (2 – K _З) R _A . (6.11)

Коефіцієнт підсилення у смузі пропускання K _П отримуємо з відомих співвідношень.

Приклад. Розрахувати параметри фільтра нижніх частот Салене та Кі другого порядку. Фільтр повинен мати характеристику Чебешева з нерівномірністю 1 дБ і частотою f _p = 10 кГц.

Розв’язання. З таблиці Додатку 2 знаходимо: =1,218 і =1,059.

Прийнявши R ₁ = R ₂ = R = 10 кОм, знаходимо величину ємності конденсатора:

1пФ.

Знаходимо опір R _B :

R _B = (2 – K _З) R _A = 941 Ом.

Знаходимо K _П :

.

Примітка. При виборі параметрів необхідно задатись найближчим стандартним номіналом ємності конденсатора, а потім перерахувати величини опорів. Обирати їх також з ряду стандартів з допуском (1 ÷ 2)%.

Дата добавления: 2015-10-29