Дослідження активних rc-фільтрів

Мета роботи: Набути практичні навики з дослідження та розрахунку різноманітних схем фільтрів на операційних підсилювачах.

Короткі теоретичні відомості:

В сучасній схемотехніці для селективної обробки сигналів широке розповсюдження отримали активні RC-фільтри. Існує чотири типи фільтрів: фільтри нижніх та верхніх частот, смугові та загороджувальні (режекторні) фільтри. Фільтри нижніх частот (ФНЧ) пропускають сигнали від постійного струму до певної частоти зрізу. Фільтри верхніх частот (ФВЧ) пропускають сигнали від певної частоти зрізу до “безкінечності”. Верхня частота цих фільтрів визначається граничною частотою роботи активних елементів і паразитними ємностями. Смугові фільтри (СФ) пропускають сигнали лише в певній смузі частот. Режекторні фільтри (РФ) призначені для подавлення сигналу в певній смузі частот при прийманні широкосмугових сигналів.

Під активним фільтром розуміють електричний підсилювач зібраний по схемі таким чином, що він при роботі проявляє вибіркові властивості. Найбільшу популярність мають фільтри на підсилювачах з негативним зворотнім зв’язком (НЗЗ). Ці фільтри не потребують дотримання жорстких вимог до точності номіналів його елементів.

Такі фільтри мають чимало позитивних якостей: складаються з малого числа елементів, як активних, так і пасивних; вони прості в налагоджуванні; малочутливі до впливу розкиду параметрів елементів, особливо конденсаторів; не потребують виконання жорстких вимог до використовуваного ОП, особливо вимог до ширини смуги пропускання і повного вхідного та вихідного опорів; мають малу залежність характеристик фільтра від зміни параметрів елементів і коефіцієнта підсилення ОП, зокрема від здобутку коефіцієнта підсилення на ширину смуги пропускання. Останнє найбільш важливо, бо фільтри, що потребують дотримання високої точності значень параметрів елементів, важко налагоджувати, і в наслідок старіння характеристики суттєво погіршуються.

Активні RC-фільтри використовуються в основному в діапазоні низьких частот, де використання індуктивностей, що мають значні габаритні розміри, недоцільне. Відомо декілька типів активних RC-фільтрів, синтезованих, наприклад, по Баттерворту, по Чебишеву, по Золотарьову; ці фільтри в якості базових містять кола ФНЧ, ФВЧ. Використання в даний час активних елементів у вигляді операційних підсилювачів (ОП) в мікро схемному виготовленні з великим коефіцієнтом підсилення дозволяє реалізувати активні фільтри з заданими параметрами.

Основна характеристика фільтра – його порядок, що визначається числом реактивних елементів, які входять до складу фільтра. Також важливими характеристиками даних фільтрів є амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) та фазово-частотна характеристика (ФЧХ). Аналітично фільтри описуються передаточними функціями. В загальному випадку передаточна характеристика являє собою відношення поліномів високого порядку:

[2.1]

a ₀, a ₁,… a_n, b ₀, b ₁,… b_n – коефіцієнти поліномів; m, n – натуральні числа (n³m).

Для отримання в підсилювачах вибірних властивостей в області НЧ (менше 20 КГц) використовують RC ланцюги інтегруючого або диференцюючого типу. Дані ланцюги включаються на вході, виході або в частотнонезалежний зворотній зв’язок. Коло частотнонезалежного НЗЗ вводиться в тих випадках, коли задовольняється вимога f_В³ 2 F_В (F_В – верхня робоча частота фільтра). Змінюючи коефіцієнт підсилення, НЗЗ впливає на параметри фільтра.

При включенні пасивних ланцюгів RC- фільтра в коло НЗЗ ОП смуга прозорості пасивного кола перетворюється в смугу прозорості активного кола протилежного типу (пасивне коло ФВЧ перетворюється в активне коло ФНЧ і навпаки).

Лабораторний макет для дослідження АФ Салена-Кея (рис.2.1, 2.2) містить дві окремі схеми фільтрів нижніх та верхніх частот другого порядку, які можуть бути послідовно з’єднані за допомогою зовнішніх перемичок.

До лабораторної установки входить лабораторний стенд «OpAmp», генератор низьких частот Г3 – 102, осцилограф С1 – 70.

Рисунок 2.1 - ФНЧ-ІІ Саллена-Кея Рисунок 2.2 - ФВЧ-ІІ Саллена-Кея

Порядок виконання роботи:

1. Дослідження схеми фільтра нижніх частот.

1.1 Скласти схему фільтра НЧ (рис.2.1).

1.2 Подати на вхід каскаду гармонічний сигнал від зовнішнього генератору. Встановити частоту вхідного сигналу 1 кГц. Встановити амплітуду вхідного сигналу 0,01 В. Підключити осцилограф до виходу ОП DA1. Визначити коефіцієнт підсилення для даної схеми.

1.3 Зняти АЧХ каскаду – залежність .

2. Дослідження схеми фільтра верхніх частот.

2.1 Скласти схему фільтра ВЧ (рис.2.2).

2.2 Подати на вхід каскаду гармонічний сигнал від зовнішнього генератору. Встановити частоту вхідного сигналу 20 кГц. Встановити амплітуду вхідного сигналу 0,01 В. Підключити осцилограф до виходу ОП DA1. Визначити коефіцієнт підсилення для даної схеми.

2.3 Зняти АЧХ каскаду – залежність .

3. Дослідження схеми смугового фільтра.

3.1 Скласти схему смугового фільтра. Обрати на макеті схеми ФНЧ та ФВЧ Салена-Кея. Включити їх послідовно.

3.2 Зняти АЧХ фільтра.

3.3 Подати на вхід імпульсний сигнал. Зарисувати осцилограми вхідних та вихідних напруг.

3.4. Змінити параметри схеми таким чином, щоб отримати режекторний фільтр.

3.5. Зняти АЧХ режекторного фільтра.

Зміст звіту.

1. Схеми досліджуваних кіл, таблиці з результатами вимірювань, графіки ЛАЧХ.

2. За результатами вимірювань визначити для схем фільтрів ширину смуги пропускання, нерівномірність АЧХ у смузі пропускання, частоти зрізу.

3. Висновки та критична оцінка результатів.

Контрольні запитання та завдання.

1. Представити передаточні функції досліджуваних схем.

2. Визначити параметри: коефіцієнт передачі, смугу пропускання (заглушення) для досліджених фільтрів з ідеальними ОП.

3. Наведіть порівняльну характеристику фільтрів Батервордта, Чебишева, Бесселя та ін.

4. Від чого залежить вибір порядку фільтра, що проектується.

5. Розрахувати номінали елементів схеми рис.2.3 для отримання частоти зрізу f ₀=200 Гц.

Рисунок 2.3.

6. В чому відмінність пасивного та активного фільтра.

Дата добавления: 2015-12-08