Спектра сигнала на оси частот. Если уже спектр помехи, то применяют заграждающий

Министерство Образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский Государственный Университет Аэрокосмического Приборостроения

 

 

Рейтинг за работу

Преподаватель                                                                   Обухович Р. Ф.                                                                                                        

 

Курсовая работа

по дисциплине «Аналоговая схемотехника»

тема:

«Проектирование активного полосового RC -фильтра»

 

 

 Работу выполнил

 студент группы 2151                                                           Фролов Л.А.

 

 

                                

Санкт-Петербург

200 4

Содержание:

 

 

1.Цель работы                                                                                              стр-3

2.Исходные данные                                                                                     стр-3

3.Общие сведения об активных RC-фильтрах                                          стр-3

4.Последовательность выполнения работы                                              стр-7

4.1. Ввод исходных данных                                                                        стр-7

4.2 Выбор операционного усилителя при идеальных RC-элементах          стр-8

4.3. Выбор схемы полосового фильтра                                                    стр-11

4.4.Выбор типов RC-элементов                                                                стр-20 

5.Вывод                                                                                                       стр-22

 

1. Цель работы.

1 Изучение активных RC-фильтров.

2 Проектирование активного полосового RC-фильтра с помощью программы Micro-Cap v6.1.

 

Исходные данные.

 

Общие входные параметры:

Коэффициент передачи в полосе пропускания G=0 дБ;

Аппроксимирующий полином – Чебышев;

Ослабление сигнала в полосе заграждения AN=20дБ;

Параметры фильтра ПЧ (полосовых частот):

Центральная частота 82 кГц;

Полоса пропускания fп=15 кГц;

Полоса заграждения fз=43 кГц;

 

                             

АКТИВНЫЕ RC-ФИЛЬТРЫ

3. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ФИЛЬТРАХ

 

В настоящее время основными аналоговыми преобразованиями сигналов принято считать усиление, сравнение, ограничение, пере­множение и частотную фильтрацию сигналов. Эти преобразования об­разуют функционально-полную систему, позволяющую выполнять любые аналоговые преобразования сигналов. Промышленностью вы­пускаются интегральные схемы каждого из пяти перечисленных классов.

Фильтром называют четырехполюсник, предназначенный для выделения из состава подведенного к его входу сложного электрического колебания частотных составляющих, расположенных в заданной области, и для подавления частотных составляющих, расположен­ных во всех других областях частот.

Область частот, где фильтр усиливает или мало ослабляет сигнал, называют полосой пропускания, а область частот, где ослабление входного электрического колебания велико, — полосой задержива­ния. Чем больше разница между усилением и ослаблением, тем силь­нее выражены фильтрующие свойства цепи.

Электрические фильтры применяются для выделения (и пропу­скания) требуемого сигнала из смеси полезных и нежелательных сиг­налов. Например, при настройке радиоприемника на определенную станцию с помощью фильтров выделяются сигналы, которые передаются интересующей нас станцией, и подавляются все остальные сигналы.

Распространение электрических фильтров в современной технике столь широко, что невозможно себе представить электронный при­бор средней сложности, в котором бы не использовались фильтры в том или ином виде. Фильтры применяются в силовых цепях выпрямителей, в мощ­ных усилителях класса D. Ниже пойдет речь о схемах фильтров, предназначенных для применения в сигнальных цепях систем автоматического управления и схемотехники. Для этих систем характе­рен достаточно низкий частотный диапазон (от долей герца до не­скольких сотен тысяч герц). Для этого диапазона частот в настоящее время наиболее целесообразно применять фильтры, построенные на пассивных RC-цепях с активными приборами (чаще всего ОУ), т. е. на активных RC-цепях.

Как было показано выше, электрические колебания сложной формы, поступающие на вход фильтра, могут состоять из смеси по­лезных сигналов и помех, причем помехи и сигналы отличаются от выделяемого сигнала по своему частотному составу. Помехами могут являться собственные шумы предшествующих фильтру электронных блоков; атмосферные шумы, вызванные грозовыми разрядами; промышленные шумы, образованные искрящими электромеханиче­скими установками, содержащими электрические двигатели, или контактами мощных размыкателей электрических цепей и т. д. Полезными сигналами, мешающими выделению необходимого сиг­нала, бывают, например, в телемеханике сигналы телеуправления или телесигнализации, передаваемые по одному каналу связи для разных объектов. Сигналы, не выделяемые данным фильтром, отне­сем к помехам.

Если спектр сигнала уже спектра помехи, то для выделения сигнала используются фильтры с полосой пропускания, расположе­ние которой согласовано с расположением

Перечисленные условия взаимосвязаны и часто противоречивы, хотя, уменьшение чувствительности ведет к улучшению многих показателей. Задача оптимального проектирования электронных цепей пока не решена. В то же время аппарат теории синтеза электронных схем позволяет с помощью ЭВМ уже сейчас при делении процедуры проектирования на части решать составляющие задачи оптимально. Такой проект в целом оказывается весьма совершенным и, наверное, близким к оптимальному, так как учитывает весь предшествующий опыт проектирования подобных цепей.

Более того, далеко не всегда экономически оправданным явля­ется поиск оптимального решения, ибо затраченные на поиск время и средства могут быть значительными, а, оказывается, достаточно иметь просто хороший проект.

В некоторых случаях задание на проектирование может содер­жать дополнительные требования к фазочастотной характеристике фильтра внутри полосы пропускания. Для импульсных устройств и систем управления часто необходимо учитывать форму переходного процесса.              

Частотные характеристики в виде ломаных (см. рис.1) не могут быть реализованы с помощью физически выполнимых эле­ментов. Поэтому синтез фильтра делят на следующие этапы:

1. Конструируют математическую модель (передаточную функ­цию) проектируемого устройства, АЧХ которого удовлетворяет зада­нию. Этот этап носит название аппроксимации.

МЕТОД СИНТЕЗА RC-ФИЛЬТРОВ

 

Ввод исходных данных.

 

На панели задач найти Design ->Active Filters. Выбрать ячейку Design->

Выбрать тип фильтра:

Type ->Bandpass;

Выбрать неравномерность передачи в полосе пропускания для фильтра Чебышева:

Response ->Chebyshev;

Ввод коэффициента передачи в полосе пропускания, ослабления сигнала в полосе заграждения, частоты среза, полосы заграждения.

Specification:

Passband Gain        0 dB;

Passband Ripple      - dB;

Stopband  Atten.    20 dB;

Center Freq.           82000 Hz;

Passband (Fc)        15000 Hz;

Passband (Fs)        43000 Hz;

Выбрать ячейку Option->

Component Value Format-> Engineering;

Polynomial Format->Default;

Plot->Gain;

Save to->New circuit;

 

Для просмотра АЧХ идеального полосового фильтра необходимо на панели инструментов выбрать Plot.

При этом ОУ, R и C элементы должны быть идеальными.

На рис.3 изображена АЧХ идеального полосового фильтра.

 

При построении амплитудно-частотных характеристик фильтра использовались следующие обозначения: красным цветом отображена идеальная характеристика, синим – реальная.

Для фильтра, содержащего идеальные элементы, характеристики полностью совпали (рис.3).

 

Рис.3 АЧХ идеального полосового фильтра.

 

Выбор типов RC -элементов.

Выбор RC-элементов следует проводить после того, как подобраны операционные усилители (в зависимости от количества операционных усилителей в схеме) и сама схема. Для выбора RC-элементов необходимо на панели задач найти Design ->Active Filters, выбрать ячейку Implementation->.

 В окошке найти Resistor Values и Capacitor Values. Перед словом exact убрать галочки.

С помощью нажатия Browse выбрать типы резистора и конденсатора, например Meta l. Res и Polypro 1.cap. Необходимо также учитывать фактор шкалы, чтобы подобрать резисторы и конденсаторы, совпадающие со значениями ряда E192. Для этого необходимо на панели задач найти Design ->Active Filters, выбрать ячейку Implementation->. Затем выбрать Impedance Scale Factor. У меня получилось осуществить подбор  при Impedance Scale Factor = 1.1

Вывод.

В результате проведенной работы был изучен и спроектирован активный полосовой RC-фильтр, АЧХ которого приведена на рис.23, а схема – на рис.24. Максимальное повторение идеальной амплитудно-частотной характеристики было достигнуто при следующих подобранных параметрах фильтра:

- операционные усилители марки TL 054 AC;

- схема Acker - Mossberg;

- резисторы Metal 1.

Министерство Образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский Государственный Университет Аэрокосмического Приборостроения

 

 

Рейтинг за работу

Преподаватель                                                                   Обухович Р. Ф.                                                                                                        

 

Курсовая работа

по дисциплине «Аналоговая схемотехника»

тема:

«Проектирование активного полосового RC -фильтра»

 

 

 Работу выполнил

 студент группы 2151                                                           Фролов Л.А.

 

 

                                

Санкт-Петербург

200 4

Содержание:

 

 

1.Цель работы                                                                                              стр-3

2.Исходные данные                                                                                     стр-3

3.Общие сведения об активных RC-фильтрах                                          стр-3

4.Последовательность выполнения работы                                              стр-7

4.1. Ввод исходных данных                                                                        стр-7

4.2 Выбор операционного усилителя при идеальных RC-элементах          стр-8

4.3. Выбор схемы полосового фильтра                                                    стр-11

4.4.Выбор типов RC-элементов                                                                стр-20 

5.Вывод                                                                                                       стр-22

 

1. Цель работы.

1 Изучение активных RC-фильтров.

2 Проектирование активного полосового RC-фильтра с помощью программы Micro-Cap v6.1.

 

Исходные данные.

 

Общие входные параметры:

Коэффициент передачи в полосе пропускания G=0 дБ;

Аппроксимирующий полином – Чебышев;

Ослабление сигнала в полосе заграждения AN=20дБ;

Параметры фильтра ПЧ (полосовых частот):

Центральная частота 82 кГц;

Полоса пропускания fп=15 кГц;

Полоса заграждения fз=43 кГц;

 

                             

АКТИВНЫЕ RC-ФИЛЬТРЫ

3. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ФИЛЬТРАХ

 

В настоящее время основными аналоговыми преобразованиями сигналов принято считать усиление, сравнение, ограничение, пере­множение и частотную фильтрацию сигналов. Эти преобразования об­разуют функционально-полную систему, позволяющую выполнять любые аналоговые преобразования сигналов. Промышленностью вы­пускаются интегральные схемы каждого из пяти перечисленных классов.

Фильтром называют четырехполюсник, предназначенный для выделения из состава подведенного к его входу сложного электрического колебания частотных составляющих, расположенных в заданной области, и для подавления частотных составляющих, расположен­ных во всех других областях частот.

Область частот, где фильтр усиливает или мало ослабляет сигнал, называют полосой пропускания, а область частот, где ослабление входного электрического колебания велико, — полосой задержива­ния. Чем больше разница между усилением и ослаблением, тем силь­нее выражены фильтрующие свойства цепи.

Электрические фильтры применяются для выделения (и пропу­скания) требуемого сигнала из смеси полезных и нежелательных сиг­налов. Например, при настройке радиоприемника на определенную станцию с помощью фильтров выделяются сигналы, которые передаются интересующей нас станцией, и подавляются все остальные сигналы.

Распространение электрических фильтров в современной технике столь широко, что невозможно себе представить электронный при­бор средней сложности, в котором бы не использовались фильтры в том или ином виде. Фильтры применяются в силовых цепях выпрямителей, в мощ­ных усилителях класса D. Ниже пойдет речь о схемах фильтров, предназначенных для применения в сигнальных цепях систем автоматического управления и схемотехники. Для этих систем характе­рен достаточно низкий частотный диапазон (от долей герца до не­скольких сотен тысяч герц). Для этого диапазона частот в настоящее время наиболее целесообразно применять фильтры, построенные на пассивных RC-цепях с активными приборами (чаще всего ОУ), т. е. на активных RC-цепях.

Как было показано выше, электрические колебания сложной формы, поступающие на вход фильтра, могут состоять из смеси по­лезных сигналов и помех, причем помехи и сигналы отличаются от выделяемого сигнала по своему частотному составу. Помехами могут являться собственные шумы предшествующих фильтру электронных блоков; атмосферные шумы, вызванные грозовыми разрядами; промышленные шумы, образованные искрящими электромеханиче­скими установками, содержащими электрические двигатели, или контактами мощных размыкателей электрических цепей и т. д. Полезными сигналами, мешающими выделению необходимого сиг­нала, бывают, например, в телемеханике сигналы телеуправления или телесигнализации, передаваемые по одному каналу связи для разных объектов. Сигналы, не выделяемые данным фильтром, отне­сем к помехам.

Если спектр сигнала уже спектра помехи, то для выделения сигнала используются фильтры с полосой пропускания, расположе­ние которой согласовано с расположением

спектра сигнала на оси частот. Если уже спектр помехи, то применяют заграждающий

 фильтр, добиваясь совпадения полосы задерживания со спектром помехи. Когда помехи и сигнал занимают разные участки спектра, то для их разделения применяют полосовые фильтры.

В зависимости от взаимного расположения полосы пропускания и полосы задерживания различают (рис.1):

1. Фильтр верхних частот (ФВЧ) — фильтр с полосой пропуска­ния от некоторой частоты ω₁ до бесконечности и полосой задержива­ния от 0 до ω_З1 < ω₁ Условное обозначение интегральных схем этого типа — ФВ.

2. Фильтр нижних частот (ФНЧ) — фильтр с полосой пропу­скания от 0 до некоторой частоты ω₂ и полосой задерживания от не­которой частоты ω_З2 > ω₂ до бесконечности. Условное обозначение интегральных схем этого типа — ФН.

3. Полосовой фильтр (ПФ) — фильтр с полосой пропускания от некоторой частоты ω₁ до другой частоты ω₂ > ω₁ и полосами задер­живания от 0 до ω_З1 < ω₁ и от ω_З2 > ω₂ до бесконечности. Условное обозначение интегральных схем этого типа — ФЕ.

4. Режекторный (заграждающий) фильтр (РФ) — фильтр с по­лосами пропускания от 0 до ω₁ и от ω₂ > ω₁ до бесконечности и по­лосой задерживания от ω_З1 до ω_З2 > ω_З1. Условное обозначение интегральных схем этого типа — ФР.

Кроме этих четырех основных типов фильтров в корректирующих цепях систем управления находят применение амплитудные корректоры (АК), способные в некоторой полосе частот осуществлять как усиление, так и ослабление сигналов; фазовые корректоры (ФК), у которых коэффициент передачи не зависит от частоты, а фаза обычно растет. Для микросхем этого типа нет специального обозначения, поэтому их относят к фильтрам прочим (ФП).

Понятно, что здесь приведены лишь основные типы характери­стик фильтров, однако комбинацией их можно сформировать практи­чески любую АЧХ.

Потребности практики предъявляют весьма различные требования к форме АЧХ и параметрам фильтров. Серийно выпускается только весьма ограниченный набор типовых узлов и звеньев с регу­лируемыми параметрами. Используя эти наборы, можно строить небольшой класс фильтров. Поэтому разработчику электронных элементов автоматики необходимо уметь проектировать фильтры.

Для проектирования фильтров задают границы полосы пропу­скания и полосы задерживания, затухание в полосе задерживания и коэффициент передачи (усиления) в полосе пропускания, допуск на отклонение характеристики от желаемой (рис.2).

Отклонение АЧХ от желаемой в полосе пропускания называют неравномерностью АЧХ (Δ H). Эта неравномерность может возникать как в результате проектирования, так и вследствие отклонения (технологического, эксплуатационного и т. д.) параметров элементов, реализующих за­данную АЧХ. Закон изменения затухания в переходной области обычно не контролируется.

Кроме формы АЧХ, при проектировании фильтра, как и любого другого аналогового устройства, учитывают стабильность парамет­ров фильтра, а также нелинейные искажения, шумы, экономичность, технологичность, массогабаритные показатели, настраиваемость и возможность электрического управления параметрами фильтра.

Перечисленные условия взаимосвязаны и часто противоречивы, хотя, уменьшение чувствительности ведет к улучшению многих показателей. Задача оптимального проектирования электронных цепей пока не решена. В то же время аппарат теории синтеза электронных схем позволяет с помощью ЭВМ уже сейчас при делении процедуры проектирования на части решать составляющие задачи оптимально. Такой проект в целом оказывается весьма совершенным и, наверное, близким к оптимальному, так как учитывает весь предшествующий опыт проектирования подобных цепей.

Более того, далеко не всегда экономически оправданным явля­ется поиск оптимального решения, ибо затраченные на поиск время и средства могут быть значительными, а, оказывается, достаточно иметь просто хороший проект.

В некоторых случаях задание на проектирование может содер­жать дополнительные требования к фазочастотной характеристике фильтра внутри полосы пропускания. Для импульсных устройств и систем управления часто необходимо учитывать форму переходного процесса.              

Частотные характеристики в виде ломаных (см. рис.1) не могут быть реализованы с помощью физически выполнимых эле­ментов. Поэтому синтез фильтра делят на следующие этапы:

1. Конструируют математическую модель (передаточную функ­цию) проектируемого устройства, АЧХ которого удовлетворяет зада­нию. Этот этап носит название аппроксимации.