Исследование помехоподавляющих свойств фильтров

 

Цель работы: Исследовать помехоподавляющие свойства фильтров разной структуры в зависимости от частоты сигнала и сопротивления приемника. Закрепить навыки работы с цифровым запоминающим двухканальным осциллографом типа АСК – 3105.

 

Общие сведения

 

Помехоподавляющие фильтры представляют собой элементы для обеспечения затухания поступающей по проводам помехи. Целесообразное их применение предполагает, что спектральные составляющие полезного сигнала и помехи достаточно отличаются друг от друга. Это позволяет при соответствующих параметрах фильтра обеспечить селективное демпфирование помехи при отсутствии заметного искажения полезного сигнала. При этом собственно эффект демпфирования достигается делением напряжения. Поясним это на простейшем примере.

Если в низкочастотный контур полезного сигнала (полезные величины   на рис. 1, а) поступает высокочастотное напряжение помехи , то на полном сопротивлении приемника  появляется составляющая напряжения помехи

                                                                                     (1)

Введение зависящего от частоты продольного полного со­противления (рис. 1, б), например, в форме ω L, представля­ющего для низкочастотного тока  - очень малое, а для высоко­частотного тока  - очень большое сопротивление, обеспечива­ет ослабление помехи, и составляющая, напряжения помехи снижается до

                                                                              (2)

Достигаемый эффект затухания можно характеризовать ко­эффициентом затухания - отношением падений напряжений на  при наличии   и без него:

                               .                                             (3)

Коэффициент затухания приводится, как правило, в виде логарифма отношения напряжений и выражается в децибелах:

                                  .                                                  (4)

Рис. 1. Цепь без фильтра (а) и с фильтром (б)

Рис. 2. Токовый контур с фильтром

В общем случае, фильтр F любой структуры представляет собой четырехполюсник, объединяющий источник помехи и приемник (рис. 2). Для расчета фильтра пригодны известные соотношения:

                                                                                      (5)

                                                                                      (6)

Где - комплексные параметры четырехполюсника.

Их конкретные значения для простейших фильтровых структур представлены в табл. 1.

Далее (рис. 2) можно записать:

                                                                                      (7)

                                                                                                  (8)

Напряжение на входе приемника без фильтра определяется как

                                                                                   (9)

Аналогично (4) ослабление сигнала в фильтре описывает как логарифм отношения напряжений на входе приемника без фильтра    и с фильтром :

                                 .                                               (10)

Коэффициент затухания в фильтре любой структуры в соответствии с (5)-(10) можно выразить как

(11)

 Таблица 1. Параметры четырехполюсников простейших схем фильтров

 

Схема	Коэффициент
	1		0	1
	1	0		1
				1
	1
		Ż1+Ż2+(Ż1·Ż2)/Ż0

 

Отсюда следует, что коэффициент затухания зависит, с од­ной стороны от параметров фильтра  (см. табл. 1), а с другой - от полных сопротивлений участвующих в процессе источника и приемника помех.

Один и тот же фильтр при различных условиях, т.е. в зависимости значения и частотных характеристик полных сопротивлений   и , может вызывать сильно различающееся затухание. Поэтому, практически невозможно задать общую характеристику фильтра независимо от конкретных условий.

 

Если значения    и известны приблизительно, выбор под­ходящей фильтровой структуры может производиться с ис­пользованием данных табл. 2.

 

 

Таблица 2. Рекомендации по выбору структуры фильтра

 

№ схемы	Сопротивление источника	Схема фильтра	Сопротивление приемника
1	Мало		Мало
2	Велико		Велико
3	Мало		Велико
4	Велико		Мало
5	Мало, неизвестно		Мало, неизвестно
6	Велико, неизвестно		Велико, неизвестно

 

Аппаратура для исследования помехоподавляющих свойств фильтра

 

Схема установки, обеспечивающая исследование помехоподавляющих свойств фильтров показана на рисунке 3. В данной схеме исходный сигнал с генератора подается на вход исследуемого фильтра и на вход канала А осциллографа. Сигнал с выхода фильтра подается на вход канала Б осциллографа.

 

Рис. 3. Схема установки, обеспечивающая исследование помехоподавляющих свойств фильтров: А- вход канала А осциллографа; Б - вход канала Б осциллографа.

 

В качестве основных приборов, предназначенных для проведения лабораторной работы является генератор синусоидальных сигналов и осциллограф цифровой, запоминающий двухканальный типа АСК – 3105. Для ознакомления с порядком работы осциллографа и генератора синусоидальных сигналов необходимо ознакомиться с руководствами по эксплуатации. Общий вид лабораторного стенда для лабораторной работы приведен на рисунке 4.

Рис. 4. Общий вид лабораторной установки для исследования помехоподавляющих свойств фильтров.

 

Порядок выполнения работы.

 

1. Подключить кабель «COM» осциллографа к компьютеру;

2. Включить компьютер;

3. С помощью соединительных проводов собрать одну из схем из таблицы 2.

4. С помощью кабеля соединить выход генератора с входом схемы фильтра.

5. Вход А осциллографа соединить кабелем с входом схемы фильтра.

6. Вход В осциллографа соединить кабелем с выходом схемы фильтра, при этом нагрузку фильтра (сопротивление приемника) выбрать равной 5,6 Ом или 16,4 Ом (в зависимости от конкретного экземпляра стенда).

7. Включить осциллограф;

8. Включить генератор синусоидальных сигналов.

9. С помощью ярлыка на рабочем столе компьютера запустить программу для работы осциллографа;

10. В разделе меню «Панели» открыть панели Управления и Измерения.

11. На панели управления установить:

- канал А – разрешить отображение (установить «птичку» в окошке);

- входной диапазон сигнала по каналу А - 2 В/дел.

- установить нулевое смещение через меню «Настройки-калибровка смещений»;

- тип входа канала А - DC;

- канал В – разрешить отображение (установить «птичку» в окошке);

- входной диапазон сигнала по каналу B - 500мВ/дел.

- в окне Запуск убрать птичку;

- в окне «режим» – авто;

- в окнах «источник» – А, восход;

- в окне «развертка» - 50 мс/д.

12. С помощью переключателя выходного сигнала генератора установить величину выходного сигнала 2 В. Частоту выходного сигнала установить равной 10 Гц.

13. Установить нулевое смещение через меню «Настройки-калибровка смещений»;

14. Установить режим запуска – «однократный»;

15. Нажать кнопку «Запуск» на панели управления осциллографа на экране компьютера, после чего на экране главной панели осциллографа появится изображения сигнала: на канале А – исходный сигнал, на канале В – сигнал с выхода схемы фильтра.

16. Используя курсоры измерить амплитуды входного и выходного сигналов и результаты измерения внести в таблицу 3.

17. Изменяя частоту входного сигнала провести измерения амплитуд входного и выходного сигналов и результаты измерения внести в таблицу 3. Измерения провести на частотах 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000, 2000, 5000, 1*10⁴, 2*10⁴, 5*10⁴, 1*10⁵, 2*10⁵, 2,99*10⁵  Гц.

18. Увеличьте сопротивление нагрузки фильтра (сопротивление приемника) до ~ 15,2 кОм (или ~ 6,2 кОм в зависимости от конкретного экземпляра стенда) и проведите те же измерения, согласно пунктам 12, 14-17. Результаты измерения внесите в таблицу 3.

 

Таблица 3. Результаты измерений

 

Частота сигнала, Гц	Сопротивление приемника 5,5 Ом или 16,4 Ом			Сопротивление приемника ~ 6,2 кОм  или ~ 15,2 кОм
	Uвх, В	Uвых, В	a ф, Дб	Uвх, В	Uвх, В	as,Дб
10
20
50
…
2,99*10^5

  

19. Рассчитать результирующий коэффициент затухания фильтра a _ф, по формуле:

 

                                  a _ф =20 lg (U _вх / U _вых)                                        (12)

Содержание отчета

Отчет должен содержать следующие обязательные составные части:

1. Титульный лист, оформленный в соответствии с установленными требованиями;

2.  Цели выполнения работы;

3.  Краткое изложение теоретических вопросов, касательно содержания работы;

4. Термины и определения;

5. Использованные технические средства;

6. Описание задания (постановка задач, подлежащих выполнению в процессе ЛР);

7.  Описание основной части (краткая характеристика лабораторной   установки, ее схема, результаты измерений, представленные в   форме таблиц и графиков);

8.  Анализ полученных результатов.

 

Отчет составляется общим на бригаду студентов.

Оформление текста отчета о ЛР выполняется в соответствии с требованиями СТО ТПУ 2.5.01-2006

 

Контрольные вопросы

     

1. Поясните принцип действия фильтра.

2. Что такое «коэффициент затухания» фильтра?

3. Приведите примеры схем простейших фильтров.

4. Приведите примеры возможных схем сетевых фильтров при разных соотношениях величины сопротивлений источника и приемника электромагнитных помех.

5. Для чего служат сетевые фильтры?

Литература

 

 

1. Харлов Н.Н. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике: учебное пособие. Томский политехнический университет (ТПУ). — Томск: Изд-во ТПУ, 2008. — 200 с.