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

52369. Сложение и вычитание дробей с разными знаменателями. Урок-соревнование «брейн-ринг» в 6 классе 32 KB
  Особыми будут правила: кто первый выполняет задание звонит в колокольчик; первые 3 команд ответившие получают по баллу; после отведенного времени каждая команда сдает карточки на проверку. Каждая команда получает карточку с заданием. Задание1 30 секунд устно как сравнить дроби с разными знаменателями что значит сократить дроби Задание2 1 мин 30 секунд письменно. Задание 3 2 мин 30 секунд в первый час пешеход прошел 1 3 всего расстояния которое он должен пройти во второй час 2 5 всего пути а в третий остальную часть...
52370. Брейн - ринг з української мови 60.5 KB
  Мета: закріпити знання учнів з української мори з теми «Слово», навчити мислити творчо. Розвивати уміння аналізувати, синтезувати і систематизувати слова, а також розвивати звязне мовлення. Виховувати повагу до рідної мови, дружбу, згуртованість, бажання змагатись і перемагати у чесній грі.
52371. Брейн-ринг. Мій край - історія моя 109 KB
  Закінчи логічний ланцюжок: село місто район Назва науки що вивчає монети. Місто в Донеччині в якому видобувають 95 солі України.Впізнайте назву міста: 1 Це місто обласний центр північний сусід Донецька. 3 бали 2 Це місто разом з Донецьком Києвом та Львовом прийматиме Євро 2012.
52372. Створення мультимедійної заготовки презентації для проведення позакласного заходу «Інформаційний Брейн-ринг». 1.97 MB
  Брейн-ринг – відома телевізійна гра, в основі якої лежить змагання, де стартом є складне цікаве запитання, а фінішем – правильна відповідь. Необхідно зуміти швидко зреагувати, адже час прийняття рішення обмежений.
52373. КИРИЛО-МЕФОДІЄВСЬКЕ БРАТСТВО 100.5 KB
  Основні поняття і терміни: українська національна ідея ідея відродження братчики федерація КирилоМефодієвське братство політична організація республіка. підручник програмні документи схема КирилоМефодієвське братство пісня про Україну плакат Мої роздуми про тебеУкраїно мультимедійна презентація портрети братчиків. Учитель: Шановні діти Тема нашого уроку сьогодні КирилоМефодієвське братство Епіграфом до нашого уроку будуть слова Михайла Сергійовича Грушевського: Від КирилоМефодієського братства веде свою історію весь...
52374. WHAT PEOPLE WEAR IN GREAT BRITAIN 69.5 KB
  Yes, I do. I like such spring weather because I can go outside and play games. - What do people usually wear in spring? - In spring people wear light clothes. - Children, look at Katya! She is so nice today! Let us tell her some compliments!
52375. Великобританія. Great Britain 233.5 KB
  London is the capital of the United Kingdom of Great Britain ad Northern Ireland. It stands on the river Thames. London consists of four parts: East End, West End, City and Westminster Abbey. Great Britain is a parliamentary monarchy. The head of the state is king or queen. The British Parliament consists of two Houses: the House of Commons and the House of Lords.
52376. Discover Britain. Travelling to London 149.5 KB
  The form of our today’s lesson is a bit unusual. Today we’ll have a short competition between two teams. At our lesson you will make a trip to London. During our trip we shall have several stops. We’ll visit these stations and do the tasks at each station. Let’s divide into two teams. I’ll give you the parts of two pictures. You have to match them. What kind of picture have you got? OK. Now we have got two teams. You have to choose the captain and the name of your team.
52377. The United Kingdom of Great Britain 36 KB
  I’m glad to see you today. I’m happy to work with you, our topic is very interesting and exciting, because we are going to take a trip to one of the most beautiful countries of Europe. I want you to be positive, I want you to be in a high spirit today, I hope you’ll get bright impressions about our meeting. I do my best to make our trip memorable and interesting.