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

27405. Организация обучения младших школьников на уроках литературного чтения 73 KB
  Виды уроков литературного чтения: урок чтения одногодвух произведений чтение крупнообъемного произведения урок внеклассного чтения. Уроки чтения могут различаться по многим параметрам: по учебной задаче; по ведущей деятельности учащихся; по типу учебного материала. Современный урок чтения обладает с одной стороны обязательными компонентами так как он строится на определенном учебном материале воплощает собой конкретный замысел учителя учитывает психологические особенности детей с другой стороны ему присущи гибкость и подвижность...
27406. Проблема содержания обучения чтению в истории русской начальной школы 57.5 KB
  Основные принципы построения программы по чтению; содержание и тематика чтения на каждом году обучения; требования к знаниям умениям и навыкам учащихся. Особенности современных учебников литературного чтения их соответствие требованиям ФГОС начального общего образования. В основе УМК лежит технология формирования типа правильной читательской деятельности продуктивного чтения. У детей развиваются умения самостоятельно осваивать текст до начала чтения во время чтения и после чтения.
27407. Процесс работы над художественным произведением 105 KB
  Первичное знакомство и анализ содержания произведения в единстве с его художественными особенностями. Во время чтения учителя книги у детей закрыты их внимание полностью направлено на слушание произведения и сопереживание учителючтецу. В этом случае учитель для своего чтения выбирает: диалоги; описательные отрывки; начало произведения; заключительные строки произведения концовку. Однако прибегая к этому приему учитель должен иметь в виду ряд обстоятельств: не следует использовать грамзапись если произведение совершенно...
27408. Методика изучения сезонных изменений в природе 23.5 KB
  важны уроки обобщения ставят всё по местам = проведение сложных сравнений обощающего характера углубляет расширяет кругозор восприятие природы как целого Помогают: дидактич схемы наглядно показывают связи таблицы эстетика рассматривание художественных произведений: картин стихов музыкальных произведений Чайковский времена года Пример урок Осенние явления природы: беседа о состоянии неживой природы высота Солнца световой день t небо влажность почему произошли изменения анализ содержания установление...
27409. Значение уроков технологии, изобразительного искусства, музыки в системе начального общего образования 39.5 KB
  Источниками полноценного развития ребенка выступают два вида деятельности освоение прошлого опыта человечества за счет приобщения к современной культуре. самостоятельно реализация своих возможностей благодаря творческой деятельности способствует проявлению самодеятельности самореализации воплощению собственных идей. В творческой деятельности решаются поисковотворческие задачи с целью развить способности ребенка. под способностями понимаются индивидуально психологические и двигательные особенности индивида Способность к...
27410. Формирование регулятивных универсальных учебных действий у младших школьников на уроках технологии 31.5 KB
  Регулятивные УУД обеспечивают обучающимся организацию своей учебной деятельности: целеполагание что известно и неизвестно; планирование определение последовательности промежуточных целей с учётом конечного результата; составление плана и последовательности действий; прогнозирование предвосхищение результата и уровня усвоения знаний его временных характеристик; контроль в форме сличения способа действия и его результата с заданным эталоном; коррекция; оценка; саморегуляция. Специфика технологии: ...
27411. Формирование познавательных универсальных учебных действий у младших школьников на уроках технологии 25.5 KB
  Познавательные УУД: общеучебные логические постановка и решение проблемы.Общеучебные: самостоятельное выделение и формулирование познавательной цели; поиск и выделение необходимой информации структурирование знаний; выбор наиболее эффективных способов решения задач в рефлексия способов и условий действия контроль и оценка процесса и результатов деятельности;формы уд для формирования ууд: учебное сотрудничество творческая проектная учебноисследовательская деятельность контрольнооценочн и рефлексивная Д Познават общеучебные ууд...
27412. Формирование коммуникативных универсальных учебных действий у младших школьников на уроках технологии 26.5 KB
  Коммуникативные УУД: ‒ планирование учебного сотрудничества с учителем и сверстниками определение цели функций участников способов взаимодействия; ‒ постановка вопросов инициативное сотрудничество в поиске и сборе информации; ‒ разрешение конфликтов выявление идентификация проблемы поиск и оценка альтернативных способов разрешения конфликта принятие решения и его реализация; ‒ управление поведением партнёра контроль коррекция оценка его действий; ‒ умение с полно и точно выражать мысли в соответствии с...
27413. Сравнительная характеристика современных программ и учебно-методических комплектов по технологии для начальной школы с учетом требований ФГОС НОО 32 KB
  УМК Перспективная начальная школа практикоориентированная направленность содержания обучения; применение знаний полученных при изучении других образовательных областей и тематические пересечения с образовательными предметами для решения технических и техно логических задач применение полученного опыта практической деятельности для выполнения домашних трудовых обязанностей. УМК Гармония; УМК Классическая начальная школа; Учебники из серии Маленький мастер Издательство АСТПРЕСС ШКОЛА; учебники образовательной системы Школа...