ID: 41644

Название работы: Исследование цифровых фильтров с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтров)

Категория: Лабораторная работа

Предметная область: Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Описание: В окне схемного редактора собрать схему для исследования частотных характеристик трехзвенного цифрового КИХ фильтра рис. Для упрощения последующей модификации исследуемого фильтра коэффициенты умножителей и частоту дискретизации элементов задержки следует ввести как переменные например 0 1 2. Задать в разных графических окнах вывод следующих частотных характеристик с линейным масштабом по оси частот: Зависимости модуля коэффициента передачи фильтра от частоты Vout или MGVout; Зависимость фазы коэффициента передачи в градусах от...

Язык: Русский

Дата добавления: 2013-10-24

Размер файла: 655.62 KB

Работу скачали: 20 чел.

Лабораторная работа №4 Исследование цифровых фильтров с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтров) (4 часа)

Рабочее задание

1. Запустить программу Micro-CAP

2. В окне схемного редактора собрать схему для исследования частотных характеристик трехзвенного цифрового КИХ фильтра (рис. 4.1). Структурные элементы цифровых фильтров (элемент задержки Z, усилитель multi, сумматор Add2) находятся в библиотеке компонентов по адресу Component\Digital Primitives\Digital Filter Macros\. При желании можно задавать цифровой фильтр, используя источник z transform ZVofV (Component\Analog Primitives\Z transform Sources\), в этом случае для него понадобится определить передаточную функцию в z-области (см. методические указания к настоящей работе). Для упрощения последующей модификации исследуемого фильтра коэффициенты умножителей и частоту дискретизации элементов задержки следует ввести как переменные, например a0, a1, a2,….Fs (рис. 4.1). Конкретные значения указанным переменным назначаются с помощью директивы .define (рис. 4.1) на поле схемы.

Рисунок 1 — Трехзвенный КИХ-фильтр 2-го порядка

3. С помощью значений коэффициентов умножителей a0=a1=a2=1/3, задать цифровой фильтр скользящего среднего по трем отсчетам с частотой дискретизации FS=20 кГц (рис. 4.1). Запустить частотный (AC) анализ. Задать частотный диапазон анализа Frequency Range: Linear 40k,0.1. Задать количество расчетных точек Number of Points=1000. Задать в разных графических окнах вывод следующих частотных характеристик с линейным масштабом по оси частот:

Зависимости модуля коэффициента передачи фильтра от частоты V(out) или MAG(V(out));

Зависимость фазы коэффициента передачи в градусах от частоты Phase(V(out)).

В позиции X range для всех графиков рекомендуется выбрать из раскрывающегося списка Fmax,Fmin,2k,10k а в позиции Y range — Auto Always. Затем при необходимости позицию Y range можно заполнить числовыми значениями, исходя из наибольшей наглядности отображаемых характеристик. Например, для скользящего среднего по 3-м отсчетам Y range для фазы в конечном итоге целесообразно установить 180,-180,90.

4. Построить амплитудно- и фазочастотные характеристики коэффициента передачи цифрового фильтра, нажав на панель RUN. Отразить их в отчете для заданных значений коэффициентов фильтра a0, a1, a2,…

Рисунок 2 - амплитудно- и фазочастотные характеристики коэффициента передачи цифрового фильтра при значениях коэффициентов  фильтра a0=1/3,  a1=1/3 a2=1/3.

Вывод: сигнал на выходе представляет собой сложение трех синусоидальных сигналов, сдвинутых друг относительно друга на 1/fs=1/20кГц=50мкС. Если сигналы сдвинуты на треть периода, то сложение сигналов (как сложение сигналов с трех фаз трехфазного сигнала) приводит к нулевой амплитуде напряжения. При этих частотах (20кГц/3=6.66кГц) в АЧХ наблюдается минимумы (нули). Количество нулей равняется порядку фильтра. Частотная характеристика является периодической в силу теоремы Найквиста и повторяется через каждые 20кГц.

5. Изменить значения коэффициентов цифрового фильтра 2-го порядка на a0=a2=1/2, a1=1. Повторить  выполнение п. 4.

Рисунок 3 - амплитудно- и фазочастотные характеристики коэффициента передачи цифрового фильтра при значениях коэффициентов  фильтра a0=1/2,  a1=1, a2=1/2.

Вывод: при данных коэффициентах (a0=a2=1/2, a1=1) частотная характеристика приобретает вид косинусоиды с периодом Fs=20кГц. Нуль коэффициента передачи наблюдается на частотах Fs/2=10кГц.

6. Изменить значения коэффициентов цифрового фильтра 2-го порядка на a0=a2=1/3, a1=-1/3. Повторить  выполнение п. 4.

Рисунок 4 - амплитудно- и фазочастотные характеристики коэффициента передачи цифрового фильтра при значениях коэффициентов  фильтра a0=1/3,  a1=-1/3, a2=1/3.

Вывод: при a0=a2=1/3, a1=-1/3 фильтр более похож на фильтр высоких частот (ФВЧ). АЧХ так же периодична с тем же периодом. Синусоидальный сигнал, проходящий через усилитель с отрицательным коэффициентом усиления можно представить как сигнал той же формы, но с двинутый на полпериода по оси времени. Тогда

1. синусоида, проходящая через усилитель с а0, не имеет задержек во времени.
2. синусоида, проходящая через усилитель с а2, имеет задержку во времени на 100мс.
3. синусоида, проходящая через усилитель с а1, имеет задержку во времени на 50мс и сдвиг во времени на 1/2Т.

Чтобы сигнал на выходе равнялся нулю, необходимо чтобы каждая из синусоид «отставала» от соседней на треть периода, то есть задержки должны быть кратны T/3. Тогда , где Х - кратность задержки для сигнала, проходящего через усилитель с усилением а1. , где Y - кратность задержки для сигнала, проходящего через усилитель с усилением а2. Возьмем Y=1, X=2, как самый простой вариант, тогда получим , что соответствует рисунку выше.

7. Изменить значения коэффициентов цифрового фильтра 2-го порядка на a0=a2=1/2, a1=-1. Повторить  выполнение п. 4.

Рисунок 5 - амплитудно- и фазочастотные характеристики коэффициента передачи цифрового фильтра при значениях коэффициентов  фильтра a0=1/2,  a1=-1, a2=1/2.

Вывод: Фильтр становится ФВЧ. При таких коэффициентах усиления АЧХ имеет вид косинусоиды. Очевидно, что нули будут на частотах F=0+Fs, так как при подаче постоянного сигнала на вход амплитуда на выходу будет .

8. Изменить значения коэффициентов цифрового фильтра 2-го порядка на a0=1, a1=0, a2=-1,. Повторить  выполнение п. 4.

Рисунок 6 - амплитудно- и фазочастотные характеристики коэффициента передачи цифрового фильтра при значениях коэффициентов  фильтра a0=1,  a1=0, a2=-1.

Вывод: при нулевом коэффициенте усиления одного из усилителей, порядок фильтр второго порядка становится фильтром первого порядка, но с другой частотой дискретизации (в два раза меньше).

9. Изменить значения коэффициентов цифрового фильтра 2-го порядка на a0=a2=1, a1=0. Повторить  выполнение п. 4.

Рисунок 7 - амплитудно- и фазочастотные характеристики коэффициента передачи цифрового фильтра при значениях коэффициентов  фильтра a0=1,  a1=0, a2=1.

10. В окне схемного редактора собрать схему для исследования частотных характеристик пятизвенного цифрового КИХ фильтра 4-го порядка (рис. 4.2).

Рисунок 8 -  Пятизвенный КИХ-фильтр 4-го порядка.

11. Задать коэффициенты для реализации скользящего среднего по 5-ти отсчетам (однородного фильтра): a0=a1=a2=a3=a4=1/5.

Рисунок 9 - амплитудно- и фазочастотные характеристики коэффициента передачи цифрового фильтра при значениях коэффициентов  фильтра a0=a1=a2=a3=a4=1/5

Вывод: данный фильтр подобен фильтру рассмотренному в пункте один. Нули передаточной функции:

12. Снять амплитудно- и фазочастотную характеристику пятизвенного КИХ фильтра в диапазоне частот 0.1…40 кГц. Результаты отразить в отчете.

13. Задать коэффициенты для пятизвенного фильтра 4-го порядка: a0=a4=0, a2=1, a1=a3=0.5. Повторить выполнение п. 12.

1.000E-04K

4.000K

6.000K

8.000K

10.000K

14.000K

16.000K

20.000K

24.000K

26.000K

30.000K

34.000K

36.000K

40.000K

0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

v(out) (V)

F (Hz)

1.000E-04K

4.000K

6.000K

8.000K

10.000K

14.000K

16.000K

20.000K

24.000K

26.000K

30.000K

34.000K

36.000K

40.000K

-1.600K

-1.200K

-0.800K

-0.400K

0.000K

0.400K

ph(v(out)) (Degrees)

F (Hz)

10.CIR

Рисунок 10 - амплитудно- и фазочастотные характеристики коэффициента передачи цифрового фильтра при значениях коэффициентов  фильтра a0=a4=0, a2=1, a1=a3=0.5.

Вывод: данный фильтр аналогичен фильтру, рассмотренному в п.5 в силу двух нулевых коэффициентов (первого усилителя и последнего).

14. Задать коэффициенты для пятизвенного фильтра 4-го порядка: a0=a4=0.25, a2=1, a1=a3=0.5. Повторить выполнение п. 12.

Рисунок 11 - амплитудно- и фазочастотные характеристики коэффициента передачи цифрового фильтра при значениях коэффициентов  фильтра a0=a4=0.25, a2=1, a1=a3=0.5

15. Задать коэффициенты для пятизвенного фильтра 4-го порядка: a0=a4=1, a2=1, a1=a3=-1. Повторить выполнение п. 12.

Рисунок 12 - амплитудно- и фазочастотные характеристики коэффициента передачи цифрового фильтра при значениях коэффициентов  фильтра a0=a4=1, a2=1, a1=a3=-1

16. Задать коэффициенты для пятизвенного фильтра 4-го порядка: a0=a4=0, a2=1, a1=a3=-0.5. Повторить выполнение п. 12.

Рисунок 13 - амплитудно- и фазочастотные характеристики коэффициента передачи цифрового фильтра при значениях коэффициентов  фильтра a0=a4=0, a2=1, a1=a3=-0.5

Вывод: фильтр аналогичен фильтру, рассмотренному в п.7.

17. Задать коэффициенты для пятизвенного фильтра 4-го порядка: a0=a4=0.25, a2=1, a1=a3=-0.5. Повторить выполнение п. 12.

Рисунок 14 - амплитудно- и фазочастотные характеристики коэффициента передачи цифрового фильтра при значениях коэффициентов  фильтра a0=a4=0.25, a2=1, a1=a3=-0.5.

18. Задать коэффициенты для пятизвенного фильтра 4-го порядка: a0=a4=1, a2=-1, a1=a3=0. Повторить выполнение п. 12.

Рисунок 15 - амплитудно- и фазочастотные характеристики коэффициента передачи цифрового фильтра при значениях коэффициентов  фильтра a0=a4=1, a2=-1, a1=a3=0

19. Задать коэффициенты для пятизвенного фильтра 4-го порядка: a0=a4=0.5, a2=-1, a1=a3=0. Повторить выполнение п. 12.

Рисунок 16 - амплитудно- и фазочастотные характеристики коэффициента передачи цифрового фильтра при значениях коэффициентов  фильтра a0=a4=0.5, a2=-1, a1=a3=0.

20. Задать коэффициенты для пятизвенного фильтра 4-го порядка: a0=a4=1, a2=1, a1=a3=0. Повторить выполнение п. 12.

Рисунок 17 - амплитудно- и фазочастотные характеристики коэффициента передачи цифрового фильтра при значениях коэффициентов  фильтра a0=a4=1, a2=1, a1=a3=0

21. Задать коэффициенты для пятизвенного фильтра 4-го порядка: a0=a4=0.5, a2=1, a1=a3=0. Повторить выполнение п. 12.

Рисунок 18 - амплитудно- и фазочастотные характеристики коэффициента передачи цифрового фильтра при значениях коэффициентов  фильтра a0=a4=0.5, a2=1, a1=a3=0.

22. Собрать схему однородного фильтра 9-го порядка с частотой дискретизации Fs=20 кГц (рис. 4.3).

Рисунок 19 - фильтр скользящего среднего по 10 отсчетам

23. Запустить частотный (AC) анализ. Задать частотный диапазон анализа Frequency Range: Log 40k,0.1. Задать количество расчетных точек Number of Points=10000. Задать в разных графических окнах вывод следующих частотных характеристик:

Зависимости модуля коэффициента передачи фильтра от частоты V(out) или MAG(V(out)) с линейным масштабом по оси частот;

Зависимость фазы коэффициента передачи в градусах от частоты Phase(V(out)) с линейным масштабом по оси частот.

Зависимости модуля коэффициента передачи фильтра от частоты V(out) или MAG(V(out)) с логарифмическим масштабом по оси частот;

Зависимость фазы коэффициента передачи в градусах от частоты Phase(V(out)) с логарифмическим масштабом по оси частот.

В позиции X range для всех графиков рекомендуется выбрать из раскрывающегося списка Fmax,Fmin,2k,10k а в позиции Y range — Auto Always. Затем при необходимости позицию Y range можно заполнить числовыми значениями, исходя из наибольшей наглядности отображаемых характеристик.

Зафиксировать получившиеся частотные характеристики в отчете.

Рисунок 20 – графики АЧХ и ФЧХ для КИХ-фильтра девятого порядка с линейноым и логарифмическим масштабами по оси частот

Вывод: АЧХ данного фильтра аналогична АЧХ фильтров, рассмотренных выше.  наверное все таки 20кГц/10=2 кГц

24. С помощью модуля синтеза пассивных фильтров синтезировать аналоговый ФНЧ Баттерворта со следующими параметрами:

граница полосы пропускания (Passband Fc)  — 1 кГц;

нижняя граница полосы задержания (Stopband Fs) — 2 кГц

ослабление в полосе задержания (Stopband Attenuation A) — 12 дБ

25. Переместить синтезированный аналоговый ФНЧ в схему, содержащую десятизвенный цифровой КИХ-фильтр. Соединить входы аналогового и цифрового фильтров (рис. 4.4).

Рисунок 21 — Схема для сравнения аналогового и цифрового КИХ-фильтра

26. Изменить источник сигнала для фильтров. Удалить источник импульсного сигнала Pulse Source и на его место поставить функциональный источник NFV (Component\Analog Primitives\Function Sources). Задать в позиции VALUE окна задания параметров сумму гармонических сигналов:

sin(2*pi*0.5k*t)+sin(2*pi*2k*t)+sin(2*pi*4k*t)+sin(2*pi*6k*t)+sin(2*pi*8k*t).

Первое слагаемое в виде синусоидального сигнала с частотой 500 Гц является полезным сигналом; остальные синусоидальные сигналы с частотами 2000, 4000, 6000, 8000 Гц являются сигналами, имитирующими помехи, которые необходимо отфильтровать. В следующих пунктах рабочего задания будет исследоваться фильтрующая способность 2-х схем.

27. Запустить анализ переходных процессов Transient, установить время анализа Time Range=5m, максимальный шаг Maximum Time Step=0. Задать вывод в разных графических окнах (масштаб по оси времени X Range=Tmax,Tmin) следующих сигналов с масштабом по оси ординат Y Range=Auto Always: V(In), V(out), V(Out2).

28. Запустить анализ, нажав RUN. Отразить в отчете получившиеся графики.

Рисунок 22 — Анализ Transient синтезированного и построенного КИХ фильтров

Вывод: цифровой КИХ-фильтр 9-ого порядка лучше фильтрует шумы с частотами 2кГц, 4кГц, 6кГц, 8кГц, так как на этих частотах передаточная функция равна нулю.

29. Изменить частоты гармонических составляющих помех в функции времени для напряжения функционального источника E1:

sin(2*pi*0.5k*t)+sin(2*pi*3k*t)+sin(2*pi*5k*t)+sin(2*pi*7k*t)+sin(2*pi*9k*t).

30. Повторить выполнение п. 28.

Рисунок 23 — Анализ Transient синтезированного и построенного КИХ фильтров

Вывод: аналоговый фильтр лучше фильтрует шумы с частотами 3кГц, 5кГц, 7кГц, 9кГц, так как на этих частотах передаточная функция цифрового КИХ-фильтра равна локальному максимуму.

31. Собрать схему для исследования подавления белого шума цифровым однородным КИХ-фильтром (рис. 4.5). В схеме на входы цифрового и аналогового ФНЧ подается шум с размахом в 2В, задаваемый функциональным источником напряжения E1. Для обеспечения заданного размаха шумового сигнала в позиции VALUE окна задания параметров функционального источника вводится  2*(RND-0.5). Следует отметить, что для обеспечения корректных условий эксперимента (цифровой фильтр представляет собой дискретную систему) шумовой сигнал перед подачей на входы обоих фильтров пропускается через устройство выборки-хранения S1 с периодом дискретизации T=1/Fs=1/20k=50U. Устройство выборки хранения Sample and Hold находится в библиотеке компонентов по адресу Component\Analog Primitives\Special Purpose. В окне задания его параметров в позиции Input Expr задается напряжение источника шумового сигнала V(In1), а в позиции PERIOD — 50U или 1/Fs.

Рисунок 24 — Схема для исследования подавления белого шума однородным фильтром.

32. Запустить анализ переходных процессов Transient, установить время анализа Time Range=10m, максимальный шаг Maximum Time Step=0. Задать вывод в 3-х разных графических окнах (масштаб по оси времени X Range=Tmax,Tmin) следующих сигналов с масштабом по оси ординат Y Range=1.25,-1.25,0.5:

1) V(In), RMS(V(In)), AVG (V(In)^2);

2) V(out), RMS(V(out)), AVG (V(Out)^2);

3) V(Out2), RMS(V(out2)), AVG (V(Out2)^2)

33. Запустить анализ, нажав RUN. Отразить в отчете получившиеся графики. Во сколько раз мощность шума на выходе цифрового и аналогового фильтра меньше, чем мощность шума на входе? Среднюю мощность шумового сигнала отражает пропорциональная ей величина, выводимая на графики во время анализа — AVG(Vnoise^2).

Рисунок 25 — Анализ Transient входного сигнала.

Рисунок 26 — Анализ Transient сигнала  с выхода цифрового КИХ-фильтра

Рисунок 27 — Анализ Transient сигнала  с выхода цифрового аналогового синтезированного фильтра

Вывод: аналоговый фильтр погасил белый шум лучше в раз