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

92 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

52119. Розвязування раціональних рівнянь 107.5 KB
  Мета: удосконалити вміння розвязувати раціональні рівняння; розвиток уваги і вміння чітко та математично грамотно висловлювати власну думку. Тип уроку: удосконалення знань і вмінь
52120. Означення квадратного рівняння. Неповні квадратні рівняння, їх розвязування 43.5 KB
  Неповні квадратні рівняння їх розвязування Мета: удосконалити знання учнів про означення квадратного рівняння; удосконалити вміння розвязувати неповні квадратні рівняння; розвиток концентрації уваги Тип уроку: удосконалення знань і вмінь Обладнання та наочність: картки для усного рахунку опорна схема правила проведення інтерактивної технології âРобота в парахâ Хід уроку І. Актуалізація опорних знань Запитання для фронтального опитування: означення квадратного рівняння; коефіцієнти квадратного рівняння; Опорна схема неповні...
52121. Розвязування тригонометричних рівнянь зведенням до однієї тригонометричної функції 7.06 MB
  Розвязування тригонометричних рівнянь зведенням до однієї тригонометричної функції. Формування в учнів умінь розвязувати тригонометричні рівняння способом зведення до однієї тригонометричної функції алгебраїчний спосіб розвивати логічне мислення уяву пам'ять виховувати інтерес до математики уважність відповідальність культуру математичних записів. Ми ніколи не станемо математиками...
52122. Розкладання многочленів на множники способом винесення спільного множника за дужки та способом групування 60 KB
  Тема: Розкладання многочленів на множники способом винесення спільного множника за дужки та способом групування. Які вирази називаються многочленами Що означає розкласти многочлен на множники Способи розкладання многочлена на множники Як розкласти многочлен на множники способом групування III.
52123. Решение задач с помощью производной 63 KB
  Активизировать познавательную деятельность учащихся путем решения задач с практическим содержанием. Оборудование: Портреты ученых Карточки с заданиями для устных упражнений Таблица Чертежи к задачам математические модели Минизадачники Ход урока В мире не происходит ничего в чем бы ни был виден смысл какогонибудь максимума или минимума Леонард Эйлер I. Выдающиеся ученые: француз Пьер Ферма 16011665 англичанин Исаак Ньютон 16431727 немец Готфрид Лейбниц16461716 француз Жозеф Лагранж 17361813...
52124. Розвязування систем рівнянь методом заміни змінної 4.01 MB
  Мета: освітня: формувати поняття однорідного многочлена симетричного многочлена; формувати умінь і навичок розвязування систем рівнянь методом заміни змінної та вироблення вмінь і навичок застосовувати цей спосіб під час розвязування систем рівнянь; розвиваюча: формувати вміння знаходити звязок з раніше вивченим: переносити набуті знання в нові ситуації; стимулювати учнів до висловлювань без побоювань помилитися; заохочувати знаходити свій спосіб фіксації пояснення нового матеріалу; виховна: виховувати культуру математичних міркувань;...
52125. Решение нестандартных задач в курсе алгебры 8-9 класса 1.46 MB
  Доказать что значение выражения является натуральным числом. А При каком положительном значении параметра сумма квадратов корней уравнения равна 16 Ответ: Б При каком отрицательном значении параметра сумма квадратов корней уравнения Ответ: Доказать что значение выражения натуральное число. Доказать что значение выражения чётное число отрицательное. Построить график функции const Построить график функции: а б в Доказать что график функции это две...
52126. Методи розвязування показникових рівнянь 1.22 MB
  Мета: Систематизувати й узагальнити знання уміння та навички учнів із теми формувати вміння учнів розвязувати показникові рівняння різними способами: зведення до однієї основи до спільного...
52127. Розвязування вправ з використанням формул скороченого множення 150 KB
  Розвязування вправ з використанням формул скороченого множення. навчальна формувати удосконалити та поглибити знання та вміння учнів використовувати формули скороченого множення: при розвязуванні вправ формувати навички їх творчого застосування при розвязуванні завдань високого рівня складності; розвивальна розвивати логічне мислення математичну мову вміння чітко висловлювати думки узагальнювати активність; виховна інтерес до математики. Розвязування вправ на застосування формул скороченого множення: для виконання...