353

Построить фильтр низких и высоких частот

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Для создания полосового или режекторного типа фильтров можно каскадно соединить ФНЧ и ФВЧ. Но такими типами, зачастую, не пользуются из-за плохих характеристик. Тут есть несколько вариаций. Наверное, самый простой — это фильтр Вина-Робинсона.

Русский

2012-12-07

567 KB

93 чел.

 Экспериментальные исследования лабораторной работы

 Определение статических параметров

Проводимые измерения:

  1.  Измерение входных токов операционного усилителя (ОУ).
  2.  Оценка величин среднего входного тока и разности входных токов активного фильтра (АФ).
  3.  Измерение частоты среза АФ,
  4.  Измерение амплитудно-частотную характеристику АФ.
  5.  Вычисление выходного сопротивления ОУ.

Исследования будем проводить на следующих фильтрах с различной полосой пропускания:

  1.  Фильтрах нижних частот (ФНЧ) — пропуская сигнал, который ниже определенной частоты (ее еще именуют частотой среза).
  2.  Фильтрах высоких частот (ФВЧ) — пропуская сигнал выше частоты среза.
  3.  Полосовых фильтрах — пропуская только определенный диапазон частот.
  4.  Режекторных фильтра — задерживаая только определенный диапазон частот

Используемые приборы и элементы

Вольтметр, амперметр, осциллограф, источник напряжения, ОУ ТL071, резисторы, конденсаторы.

А самый простой — это «табличный» метод показаны в таблице.


Т а б л и ц а 1 – расчет АФ для ФНЧ


 Задание 1. Построить фильтр низких частот второго порядка с частотой среза 150 Гц по характеристике Баттерворда.
Имея фильтр n-ного четного порядка, это означает, что в нем будет n/2 ОУ. В данном задании — один указанном на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема активного ФНЧ

Для данного типа расчета берется во внимание, что R1 = R2, C1 = C2.
Смотрим в табличку. Видим, что К = 1.586. Это нам пригодится чуть позже.
Для фильтра низких частот справедливо:

,

где fc  частота среза.

Сделав подсчет, получаем RC=0.0011. Теперь займемся подбором элементов. С ОУ определились — «идеальный» в количестве 1 шт. Из предыдущего равенства можно предположить, что нам не принципиально, какой элемент выбирать «первым». Начнем с резистора. Лучше всего, чтоб его значение сопротивления были в пределах от 2кОм до 500кОм. На глаз, пусть он будет 11 кОм. Соответственно, емкость конденсатора станет равной 0.1 мкФ. Для резисторов обратной связи значение R берем произвольно. Я обычно беру 10 кОм. Тогда, для верхнего значение К возьмем из таблицы. Следовательно, нижний будет иметь значение сопротивления R = 10 кОм, а верхний 5.8 кОм.

Задание 2ю Построить фильтр высоких частот четвертого порядка с частотой среза 800 Гц по характеристике Бесселя.
Раз фильтр четвертого порядка, то в схеме будет два ОУ показанной на рисунке 2. Тут все совсем не сложно. Каскадно включаем 2 схемы ФВЧ.

Рисунок 2 – Схема активного ФВЧ четвертого порядка

Как видим, для фильтра четвертого порядка у нас аж 2 значения К. Логично, что первое предназначается для первого каскада, второе — для второго. Значения К равны 1.432 и 1.606 соответсвенно. Таблица была для фильтров низких частот. Для расчета ФВЧ надо кое-что изменить. Коэффициенты К остаются такими же в любом случае. Для характеристик Бесселя и Чебышева изменяется параметр fH - нормирующая частота. Она будет равна 1/ fH.

Для фильтров Чебышева и Бесселя как для нижних частот, так и для высоких справедлива одна и та же формула

Учтите, что для каждого отдельного каскада придется считать отдельно.
Для первого каскада

Пусть С = 0.01 мкФ, тогда R = 28.5 кОм. Резисторы обратной связи: нижний, как обычно, 10 кОм; верхний — 840 Ом.

Для второго каскада

Емкость конденсатора оставим неизменной. Раз С = 0.01 мкФ, то R = 32 кОм. 

Рисунок 2 – АЧХ активного ФВЧ четвертого порядка

Для создания полосового или режекторного типа фильтров можно каскадно соединить ФНЧ и ФВЧ. Но такими типами, зачастую, не пользуются из-за плохих характеристик.
Для полосовых и режекторных фильтров также можно использовать «табличный метод», но тут немного другие характеристики.
Приведу сразу табличку и немного ее объясню. Чтоб сильно не растягивать — значения взяты сразу для полосового фильтра четвертого порядка.

Т а б л и ц а 1 – расчет АФ для полосового фильтра четвертого порядка

a1 и b1 — расчетные коэффициенты. Q — добротность. Это новый параметр. Чем значение добротности больше — тем более «резким» будет спад. Δf — диапазон пропускаемых частот, причем выборка идет на уровне -3 дБ. Коэффициент α — еще один расчетный коэффициент. Его можно найти используя формулы, которые довольно легко найти в интернете. 

Задание # 3. Построить полосовой фильтр четвертого порядка по характеристике Баттерворда с центральной частотой 10 кГц, шириной пропускаемых частот 1 кГц и коэффициентом усиления в точке центральной частоты равным 1.

Фильтр четвертого порядка. Значит два ОУ. Типовую схему приведу сразу с расчетными элементами.

Рисунок 3 – Полосовой фильтр четвертого прядка

Для первого фильтра центральная частота определяется как

Для второго фильтра

Конкретно в нашем случае, опять же из таблицы, определяем, что добротность Q = 10. Рассчитываем добротность для фильтра. Причем, стоит отметить, что добротность обоих будет равна

Поправка усиления для области центральной частоты:

Финальная стадия — расчет компонентов.

Пусть конденсатор будет равен 10 нФ. Тогда, для первого фильтра

В том же порядке, что и (1) находим R22 = R5 = 43.5 кОм, R12 = R4 = 15.4 кОм, R32 = R6 = 54.2 Ом. Только учтите, что для второго фильтра используем  fc2..

Ну и на последок, АЧХ.

Следующая остановка — полосно-заграждающие фильтры или режекторные.
Тут есть несколько вариаций. Наверное, самый простой — это фильтр Вина-Робинсона (англ. Active Wien-Robinson Filter). Типовая схема — тоже фильтр 4го порядка.

Наше последнее задание.

Задание # 4. Построить режекторный фильтр с центральной частотой 90 Гц, добротностью Q = 2 и коэффициентом усиления в полосе пропускания равным 1.

Прежде всего, произвольно выбираем емкость конденсатора. Допустим, С = 100 нФ.
Определим значение R6 = R7 = R

Логично, что «играясь» с этими резисторами, мы можем изменять диапазон частот нашего фильтра.
Далее, нам надо определить промежуточные коэффициенты. Находим их через добротность.

α=3Q-1=6-1=5

β=-A03Q=-6

Выберем произвольно резистор R2. В данном конкретном случае, лучше всего, чтобы он равнялся 30 кОм.
Теперь можем найти резисторы, которые будут регулировать коэффициент усиления в полосе пропускания.

И на последок, необходимо произвольно выбрать R5 = 2R1. У меня в схеме эти резисторы имеют значение 40 кОм и 20 кОм соответственно. 

Собственно, АЧХ:


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

33726. Следственная ситуация 11.77 KB
  Следственная ситуация статикодинамическое состояние процесса раскрытия преступления на определённый момент отражающий своеобразие расследования. уровень и разработанность научных рекомендаций в области расследования. оценка расследуемого события существующая на момент расследования. место время расследования преступления наличие возможности использования в конкретный момент расследования сил средств времени оптимальным образом.
33727. Формы применения специальных знаний при расследовании преступлений 25 KB
  При раскрытии и расследовании преступлений, судебном разбирательстве у следователя или суда возникает необходимость в помощи лиц, обладающих специальными знаниями в различных областях науки, техники, искусства, ремесла. Специальными являются знания, основанные на теоретических познаниях в какой-либо области, а также приобретенные лицом в процессе практической профессиональной деятельности.
33728. Формы участия населения в осуществлении местного самоуправления 62.5 KB
  Формы участия населения в осуществлении местного самоуправления Существуют следующие форму участия населения в осуществлении МСУ согласно закону № 131: 1. Принятое на местном референдуме решение подлежит обязательному исполнению на территории муниципального образования и не нуждается в утверждении какимилибо органами государственной власти их должностными лицами или органами местного самоуправления. Муниципальные выборы: Муниципальные выборы проводятся в целях избрания депутатов членов выборного органа местного самоуправления выборных...
33729. Международное товарищество рабочих 134.79 KB
  Деятельность Маркса и Энгельса в 50-х годах В предвидении нового подъема рабочего движения Маркс и Энгельс приступили к собиранию сил рабочего класса, ослабленных поражениями и преследованиями, и занялись обобщением опыта недавно пройденного революционного пути
33730. Осуществление органами МСУ отдельных государственных полномочий 28 KB
  Порядок наделения органов местного самоуправления отдельными государственными полномочиями: Полномочия органов местного самоуправления установленные федеральными законами и законами субъектов Российской Федерации по вопросам не отнесенным к вопросам местного значения являются отдельными государственными полномочиями передаваемыми для осуществления органам местного самоуправления. Наделение органов местного самоуправления отдельными государственными полномочиями Российской Федерации осуществляется федеральными законами отдельными...
33731. Ответственность органов местного самоуправления и должностных лиц местного самоуправления 36 KB
  Ответственность органов местного самоуправления и должностных лиц местного самоуправления перед государством наступает на основании решения соответствующего суда в случае нарушения ими Конституции Российской Федерации федеральных конституционных законов федеральных законов конституции устава законов субъекта Российской Федерации устава муниципального образования а также в случае ненадлежащего осуществления указанными органами и должностными лицами переданных им отдельных государственных полномочий. В случае если соответствующим судом...
33732. Государственная гражданская служба: понятие, принципы, порядок прохождения 33.5 KB
  Согласно ФЗ N 79 от 27 июля 2004 года О государственной гражданской службе в РФ Государственная гражданская служба Российской Федерации вид государственной службы представляющей собой профессиональную служебную деятельность граждан Российской Федерации на должностях государственной гражданской службы Российской Федерации по обеспечению исполнения полномочий федеральных государственных органов государственных органов субъектов Российской Федерации лиц замещающих государственные должности Российской Федерации и лиц замещающих...
33733. Понятие трудового договора. Сторона трудового договора. Заключение и расторжение трудового договора 22 KB
  Понятие трудового договора. Сторона трудового договора. Заключение и расторжение трудового договора. Трудовому договору посвящена часть третья раздел третий трудового кодекса РФ.
33734. Право собственности: содержание, формы, объекты. Бремы и риск собственника. Основания возникновения и прекращения права собственности. Осуществление права государственной и муниципальной собственности 37.5 KB
  Право собственности: содержание формы объекты. Основания возникновения и прекращения права собственности. Осуществление права государственной и муниципальной собственности. Содержание права собственности Собственнику принадлежат права владения пользования и распоряжения своим имуществом.