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

55 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

3392. Проектированию несложного гражданского малоэтажного здания 90.5 KB
  Введение Цель данной курсовой работы – обучение самостоятельному проектированию несложного гражданского здания с учётом основных факторов, влияющих на проектное решение. Выполнение курсовой работы позволяет систематизировать, закрепить и р...
3393. База данных Аэропорт 596 KB
  Введение Программное обеспечение для работы с базами данных используется на персональных компьютерах уже довольно давно. К сожалению, эти программы либо были элементарными диспетчерами хранения данных и не имели средств разработки прил...
3394. РЕЖИМЫ РАБОТЫ ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ 3.69 MB
  Настоящее учебное пособие предназначено для студентов, изучающих курсы "Режимы работы основного оборудования" электрический станций и выполняющие дипломные, курсовые и УИР, связанные с вопросами использования оборудования ТЭС в переменных режимах работы...
3395. Особенности русской философии 46.05 KB
  Введение Главная задача философии заключается в том, чтобы разработать теорию о мире как едином целом, которая бы опиралась на все многообразие опыта. Философия порой понимается...
3396. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА РАЗБОРКИ 290 KB
  ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА РАЗБОРКИ При выполнении лабораторной работы студенты изучают устройство машины или узла. Определяют основные движения в машине и оценивают наиболее изнашиваемые детали. Приобретают навыки составления технологич...
3397. Особенности построения и функционирования финансовой системы государства 442 KB
  Введение Финансовая система государства является одним из составных элементов микросистем, и ее существование объективно обусловлено наличием товарно-денежных отношений. Если рассматривать ее в широком смысле слова, то она включает в себя и денежно-...
3398. Создание конкурентоспособного предприятия по техническому обслуживанию, диагностике и ремонту топливной аппаратуры дизельных автомобилей 888.5 KB
  Введение Автомобильный транспорт является наиболее массовым  и удобным видом транспорта, особенно эффективным и удобным при перевозке грузов и пассажиров на относительно небольшие расстояния. Он обладает большой маневренностью, хорошей проходим...
3399. Автоматизации электроприводов в производственном прцессе 104.36 KB
  Выполним расчет пусковых сопротивлений выполним графическим способом, для нормального режима пуска. Графический способ расчёта пусковых сопротивлений для двигателей постоянного тока параллельного возбуждения базируется на следующих положениях
3400. Философия Л. Н. Толстого Непротивление злу силой 19.44 KB
  Гениальный писатель и глубокий мыслитель Л.Н. Толстой занимает важное место в русской философии второй половины XIX в. В центре его религиозно-философских исканий стоят вопросы понимания Бога, смысла жизни, соотношения добра и зла, свободы и нравств...