12115

Исследование фильтров

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа № 5 Тема: Исследование фильтров Цель: Научить измерять и строить частотные характеристики исследуемых фильтров определять их частоты среза оценивать влияние сопротивления нагрузки на частотные характеристики вычислять затухание фильтров

Русский

2013-04-24

203 KB

53 чел.

Лабораторная работа № 5

Тема: Исследование фильтров

 Цель: Научить измерять и строить частотные характеристики исследуемых фильтров, определять их частоты среза, оценивать влияние сопротивления нагрузки на частотные характеристики, вычислять затухание фильтров, сравнивать экспериментальные и расчетные параметры.

 Оборудование:. Генератор синусоидальных колебаний, вольтметр переменного тока, осциллограф, лабораторный макет, ПЭВМ, программа Electronics Workbench 5.12, тестовая программа «MyTest».

  1.  Краткие теоретические сведения

          

          Электрический фильтр – это устройство, пропускающее электрические колебания одних частот и подавляющее электрические колебания других. Диапазон частот, в котором затухание колебаний не превышает некоторого заданного значения, называют полосой пропускания или полосой прозрачности фильтра. Остальная область частот образует полосу затухания или полосу задерживания. В зависимости от полосы пропускания и задерживания электрические фильтры подразделяют на фильтры нижних частот (ФНЧ), фильтры верхних частот (ФВЧ), полосовые фильтры (ПФ) и заграждающие, или режекторные фильтры (ЗФ). Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) идеальных фильтров, представляющие собой зависимость коэффициента передачи фильтра K(f)=Uвых/Uвх от частоты, показаны на рисунке 1. Частота, разделяющая полосы пропускания и задерживания, называется частотой среза или граничной частотой.

                                     

            Рисунок 1 – Амплитудно-частотные  характеристики  идеальных  электрических фильтров

            

Рисунок 2 – Амплитудно-частотные   характеристики   реальных   электрических фильтров

В реальных фильтрах коэффициент передачи в полосе пропускания не постоянен и уменьшается к краям полосы пропускания, достигая минимального значения в области задерживания (рисунок 2).

Конструкция и принцип действия фильтра зависят от диапазона пропускаемых частот и требуемого вида АЧХ.

Фильтры могут состоять из одного или нескольких Г-, Т- и П-образных или мостовых звеньев. В диапазоне частот от сотен килогерц до десятков мегагерц элементами фильтров обычно являются катушки индуктивности L и конденсаторы С (LС-фильтры). С понижением частоты увеличиваются размеры катушки индуктивности, что приводит к увеличению габаритов фильтра и ухудшению стабильности границ полосы пропускания. Поэтому в диапазоне частот от сотен килогерц до единиц и долей герц применяются фильтры, состоящие из резисторов R и конденсаторов С (RС-фильтры).

Фильтры, состоящие только из элементов L, С и R, называются пассивными. Кроме пассивных фильтров, в радиоэлектронике широко применяются активные фильтры, выполненные на основе линейных усилителей, в частности на основе интегральных операционных усилителей.

Электрические фильтры широко применяются в различных радиоэлектронных устройствах (радиоприемниках, многоканальных системах проводной связи, автоматике, приборостроении и др.) для разделения электрических колебаний по частоте, а также для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения.

Схема  пассивного Г-образного LС ФНЧ показана на рисунке  3,а.

Рисунок 3 –  Схемы  пассивных LС-фильтров

Такой фильтр пропускает электрические колебания в полосе частот от 0 до fгр.в.=1/(2πLС) (см. рисунок 2). Это объясняется тем, что на низких частотах сопротивление индуктивного элемента фильтра мало, а емкостного – велико, и электрические колебания проходят со входа на выход почти без ослабления. С увеличением частоты сопротивление индуктивного элемента возрастает, а емкостного – снижается, и коэффициент передачи фильтра уменьшается.

В Г-образном пассивном LС-фильтре верхних частот (рисунок 3,б) с ростом частоты сопротивление продольного плеча уменьшается, а поперечного – увеличивается, что приводит к повышению коэффициента передачи. Полоса пропускания такого фильтра (см. рисунок 2) лежит в диапазоне  частот  от  fгр.н. = 1/(2π) до  f = ∞.

Принцип работы полосового фильтра основан на использовании резонансов напряжений и токов в последовательных и параллельных колебательных контурах. При совпадении частот, на которых наблюдается резонанс напряжений в последовательном колебательном контуре L1С1 и резонанс токов в параллельном колебательном контуре L2C2 (рисунок 3, в), сопротивление продольного плеча L1C1 оказывается минимальным, а поперечного L2С2 – максимальным. Коэффициент передачи ПФ при этом имеет наибольшее значение. При отклонении частоты входных колебаний от резонансной  коэффициент передачи ПФ уменьшается .

В заграждающих (режекторных) фильтрах также используются резонансы напряжений и токов, но в отличие от ПФ параллельный колебательный контур включен в продольное плечо, а последовательный — в поперечное. При резонансе сопротивление продольного плеча оказывается максимальным, а поперечного – минимальным, что соответствует наибольшему затуханию (рисунок 2). Для электрических колебаний с частотами, отличающимися от резонансной, сопротивление продольного плеча уменьшается, а поперечного — увеличивается, в результате чего увеличивается коэффициента передачи.

В области сравнительно низких частот (менее 100 кГц) в электрических фильтрах требуются большие ёмкости конденсаторов и индуктивности катушек, которые по массе и габаритам значительно превышают интегральные микросхемы. Поэтому при построении фильтров указанного радиодиапазона в качестве базовых элементов используются операционные усилители (ОУ). Электрические фильтры, представляющие собой комбинации определённым образом соединённых RC-цепей и ОУ, получили название активных фильтров.

На основе активных фильтров строятся фильтры любого типа (ФНЧ, ФВЧ и т.д.).

2 Ход работы

2.1 Исследование ФНЧ

2.1.1 Ознакомиться с исходными данными своего варианта, приведёнными в таблице 1.

2.1.2 В соответствии с исходными данными своего варианта произвести расчёт параметров элементов Т– образного ФНЧ (см.рисунок 4) согласно следующим формулам:

           

                       ;                               (1)                                                                      

           2.1.3 Открыть программу EWB 5.12 и  схему ФНЧ в EWB 5.12, находящуюся в папке «Лабораторная работа № 5» (см. рисунок 4). Зарисовать схему ФНЧ с учетом рассчитанных параметров.

2.1.4 Установить номиналы электрорадиоэлементов в соответствии с расчетами и таблицей 1, а действующее значение выходного переменного напряжения генератора (входного переменного напряжения фильтра Uвх), равным 1В.

 

Таблица 1

Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

Частота среза fcр, кГц

1

2

3

4

5

6

7

8

Сопротивление нагрузки Rн, кОм

0,1

0,2

0,5

0,7

1

2

2,5

3

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

fcр

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

Rн

5

10

12

15

20

22

25

30

33

36

39

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

fcр

20

2

22

23

24

25

26

27

28

29

30

Rн

40

45

48

50

56

60

68

1.5

2.2

4.7

5.6

                                        Рисунок 4 – Т-образный ФНЧ

2.1.5 Изменяя частоту генератора (частоту входного сигнала) с  помощью мультиметра произвести измерения действующих значений выходного переменного напряжения фильтра Uвых при различных частотах f входного сигнала. Частоту изменять так, чтобы зафиксировать прозрачную и непрозрачную полосы фильтра. Данные измерений занести в таблицу 2. Рассчитать значения модуля коэффициента передачи ФНЧ согласно выражению:

                                           

                                 K = Uвых:/ Uвх.                                                           (2)

Таблица 2

f, кГц

fср

Uвых, В

К

         2.1.6 По данным таблицы 2 построить АЧХ ФНЧ (см.рисунок2).

         2.2 Исследование ФВЧ.

          2.2.1 В соответствии с исходными данными своего варианта (см. таблицу 1) произвести расчёт параметров элементов Т– образного ФВЧ (см.рисунок 5)  согласно следующим формулам:

       

                                                       (3)

          2.2.2 Открыть  схему ФВЧ в EWB 5.12, находящуюся в папке «Лабораторная работа № 5» (см. рисунок 5), и зарисовать ее с учетом рассчитанных параметров.

 

                         Рисунок 5 – Т-образный ФВЧ

2.2.3 Повторить пункты 2.1.4, 2.1.5 для ФВЧ.

Результаты измерений занести в таблицу 3.

Таблица 3

f, кГц

fср

Uвых, В

К

2.2.4 По данным таблицы 3 построить АЧХ(см.рисунок2)

2.3 Исследование полосового фильтра( ПФ).

2.3.1 Ознакомиться с исходными данными своего варианта, приведёнными в таблице 4.

 Таблица 4

Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

Частота среза fc1, кГц

0,2

0,5

0,7

1,0

1,5

2,0

2,2

2,5

Частота среза fc2, кГц

1,0

1,0

1,5

1,5

2,0

2,2

2,5

3,0

Сопротивление нагрузки Rн, Ом

200

500

1000

200

500

1000

200

500

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

fc1

3,0

3,3

3,6

3,9

4,3

4,7

5,0

6,0

6,5

6,8

7,1

fc2

3,3

3,6

3,9

4,3

4,7

5,0

5,5

6,5

6,8

7,1

7,5

Rн

1000

2000

5000

1000

2000

5000

1000

2000

5000

1000

2000

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

fc1

7,5

8,0

10

12

16

20

22

25

35

40

45

fc2

8,0

10

12

14

18

22

25

30

40

45

50

Rн

2000

3000

5000

2000

3000

5000

2000

3000

5000

2000

3000

2.3.2 В соответствии с исходными данными своего варианта произвести расчёт параметров элементов Т– образного ПФ (см.рисунок 6)   согласно следующим формулам

                         Рисунок 6  – Т-образный ПФ

              2.3.3 Открыть  схему ПФ в EWB 5.12, находящуюся в папке «Лабораторная работа № 5» (см. рисунок 6) и зарисовать ее с учетом рассчитанных параметров.

    2.3.4 Повторить пункты 2.1.4,2.1.5 для ПФ. Результаты занести в таблицу 5.

  Таблица 5

f, кГц

fср1

f0

fср2

Uвых, В

К

2.3.4 По данным таблицы 5 построить АЧХ(см.рисунок2) .

 2.4 Исследование активных фильтров (АФ).

2.4.1 Открыть файл «схема_пункт_2.4.1.ewb» (рисунок 7) и зарисовать схему

Рисунок 7– Схема активного фильтра

2.4.2 Повторить пункты 2.1.4, 2.1.5 для данного АФ. Результаты занести в

таблицу 7.

Таблица 7

f, Гц

0.1

1

5

10

20

30

40

50

100

300

500

1000

Uвых, В

К

         2.4.3 По данным таблицы 7 построить АЧХ АФ. Обратить внимание на то, что модуль коэффициента передачи фильтра К в области низких частот больше единицы и определяется соотношением сопротивлений R2 и R1.По АЧХ сделать вывод о типе данного АФ и определить частоту среза.

2.4.4 Открыть файл «схема_пункт_2.4.4.ewb»  (рисунок 8) и зарисовать схему

.

Рисунок 8 – Схема активного фильтра

2.4.5 Повторить пункты 2.1.4, 2.1.5 для данного АФ. Результаты занести в

таблицу 8.

Таблица 8

f, кГц

0.1

1

5

10

15

20

30

40

50

60

80

100

Uвых, В

К

         2.4.6 По данным таблицы 8 построить АЧХ АФ. Обратить внимание на то, что модуль коэффициента передачи фильтра К в области верхних частот больше единицы и определяется в основном соотношением реактивных сопротивлений емкостей C2 и C1. По АЧХ сделать вывод о типе данного АФ и определить частоту среза.

3 Отчет должен содержать:

3.1 Тему , цель работы, оборудование.

3.2 Ход работы.

3.3 Рисунки, таблицы, графики, расчеты.

3.4 Выводы.

3.5 Ответы на контрольные вопросы.

4 Контрольные вопросы

4.1 Чем отличаются активные фильтры от пассивных?

4.2 На каких частотах целесообразно использовать активные фильтры?

4.3 В чем заключается условие согласования фильтра с нагрузкой и источником сигнала?

4.4 Пояснить принцип действия пассивного ФНЧ.

4.5 Чем отличаются частотные характеристики от амплитудно-частотных характеристик фильтров?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

79180. Этический аспект развития техники и технознания. Нравственное измерение научной деятельности и технического проектирования, проблема свободы и ответственности 15.99 KB
  Этический аспект развития техники и технознания. Вместе с тем прогресс науки и техники дает людям не только блага а многие открытия несут угрозу существованию человечества и всей жизни на Земле. 2 уровня восприятия техники: Позитивный.
79181. Теологические концепции техники. Техника как часть религиозного опыта, соотношение технознания с феноменальным и ноуменальным 12.83 KB
  Теологические концепции техники. Концепция техники как встречи с Богом Фридриха Дессауэра 1881-1963. Работы Техническая культура 1908 Философия техники. Проблема реализации 1927 Душа в сфере техники 1945 и Споры вокруг техники 1956.
79182. Философские аспекты технических инноваций. Техническое изобретение и научное открытие в их соотношении 33 KB
  Очень часто говоря о новациях имеют в виду обнаружение новых явлений как сенсационных так и достаточно рядовых. К числу новаций следует причислить также введение новых понятий и новых терминов. Можно говорить например об изменении исследовательских программ включая сюда создание новых методов и средств исследования и об изменении программ коллекторских т. о постановке новых вопросов об открытии или выделении новых явлений о появлении новых способов систематизации знания.
79183. Экологический дискурс технознания 29.5 KB
  Проблемы негативных социальных и других последствий техники проблемы этического самоопределения инженера возникли с самого момента появления инженерной профессии. Сегодня человечество находится в принципиально новой ситуации когда невнимание к проблемам последствий внедрения новой техники и технологии может привести к необратимым негативным результатам для всей цивилизации и земной биосферы. Кроме того мы находимся на той стадии научнотехнического развития когда такие последствия возможно и необходимо хотя бы частично предусмотреть и...
79184. Техника и технознание в рамках синергетической парадигмы. Техника как самоорганизующаяся система 22.5 KB
  Шеррингтон называл синергетическим или интегративным согласованное воздействие нервной системы спинного мозга при управлении мышечными движениями. Забуский в 1967 году пришёл к выводу о необходимости единого синергетического подхода понимая под этим совместное использование обычного анализа и численной машинной математики для получения решений разумно поставленных вопросов математического и физического содержания системы уравнений[3]. Синергетический подход в естествознании Основные принципы Природа иерархически структурирована в...
79185. Техника и технознание в футурологических теориях. Особенности развития техники в постиндустриальном обществе 15.58 KB
  Концепция информационного общества является разновидностью теории постиндустриального общества. Капитал и труд как основа индустриального общества уступают место информации и знанию в информационном обществе. Теория технотронного общества по З.Бжезинскому социологическая концепция исходящая из того что новые технологии и электроника являются решающим фактором социально-экономических изменений и социального прогресса конвергенции различных систем и предопределяют вступление общества в технотронную эру.
79186. Философский дискурс техники и технознания, его сущность, предмет и специфика в общей системе философского знания. Философия науки и философия техники в их соотношении 38 KB
  Здесь переплетается несколько критических путей развития естествознания и технознания: – развитие теории подобия освоение новых форм подобия физических процессов в том числе на основе принципов симметрии спиральноколиброванных фиббоначиевыми рядами процессов развития в природе освоение технологий гибридного моделирования в том числе на основе теории гибридных интеллектуальных систем В. Венда; – развитие термодинамического и вышедшего из него синергетического моделирования; – развитие теории планирования эксперимента на базе...
79187. Техника как объект философской рефлексии: типология основных концепций. Смысл и сущность технической деятельности. Проблема технико-технологической демаркации 41 KB
  Сам Поппер характеризует свои интересы в этой области следующим образом: В то время меня интересовал не вопрос о том когда теория истиннаldquo; и не вопрос когда теория приемлема Я поставил перед собой другую проблему. Отсюда следовало что любая теория претендующая на то чтобы быть научной должна быть выводима из опыта. Любая развитая теория формулируется не для реальных а для идеальных объектов. Теория строится на базе предпосылок прямо противоречащих опыту.
79188. Проблематика генезиса техники и научного статуса технознания. Историко-философские проблемы развития науки и техники, типология основных подходов 46.5 KB
  Историкофилософские проблемы развития науки и техники типология основных подходов. В современной литературе по философии техники можно выделить следующие основные подходы к решению проблемы изменения соотношения науки и техники: 1 техника рассматривается как прикладная наука; 2 процессы развития науки и техники рассматриваются как автономные но скоординированные процессы; 3 наука развивалась ориентируясь на развитие технических аппаратов и инструментов; 4 техника науки во все времена обгоняла технику повседневной жизни;...