50296

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Электрические фильтры широко применяются в измерительной и вычислительной технике в системах телеметрии и автоматического регулирования используются для устранения помех и наводок в электрических цепях и для коррекции амплитудночастотных характеристик АЧХ четырехполюсников. Фильтры классифицируются на четыре основных типа: 1. LCфильтры обладают рядом достоинств таких как высокая стабильность низкий уровень собственных шумов а также возможность создания фильтров с различными частотными характеристиками.

Русский

2014-01-20

631 KB

25 чел.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Казанский государственный энергетический

университет

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ В ПРОГРАММЕ ELECTRONICS WORKBENCH

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ

Казань 2010

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ

Электрическими фильтрами называются устройства, пропускающие токи определенных частот и ослабляющие токи всех других частот. Электрические фильтры широко применяются в измерительной и вычислительной технике, в системах телеметрии и автоматического регулирования, используются для устранения помех и наводок в электрических цепях и для коррекции амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) четырехполюсников.

Фильтры классифицируются на четыре основных типа:

1. Фильтр нижних частот (ФНЧ).  Полоса пропускания ФНЧ простирается от нулевой частоты до частоты среза fгр, а полоса затухания от fгр до бесконечности.

2.  Фильтр верхних частот (ФВЧ).  Полоса затухания простирается от нулевой частоты до частоты среза fгр, а полоса пропускания от fгр до бесконечности.

3. Полосовой фильтр. Полоса пропускания простирается от низшей частоты среза f1 до высшей частоты среза f2, а полоса затухания от нуля до f1 и от f2 до бесконечности.

Режекторный фильтр. Полоса пропускания простирается от нулевой частоты до низшей частоты среза f1 и от высшей частоты среза f2 до бесконечности, а полоса затухания от f1 до f2.

Фильтр считается идеальным, если в полосе пропускания отсутствует ослабление сигналов и фазочастотная характеристика линейна, а вне полосы пропускания сигналы на выходе фильтра отсутствуют. Для создания электрических фильтров используются как LC-, так и RC-цепи.

LC-фильтры обладают рядом достоинств, таких как высокая стабильность, низкий уровень собственных шумов, а также возможность создания фильтров с различными частотными характеристиками. Однако наряду с достоинствами, LC-фильтры имеют ряд существенных недостатков: малая помехоустойчивость к электромагнитным полям, нелинейность, связанная с насыщением материала сердечника, а также большие масса и габариты при переходе к низким частотам. Создание малогабаритных высокодобротных катушек индуктивности весьма затруднительно, так как добротность катушки быстро снижается с уменьшением ее линейных размеров.

Кроме LC-фильтров в электронной аппаратуре широко применяются пьезоэлектрические фильтры. В этих фильтрах для селектирования сигналов нужной частоты используется явление механического резонанса, возникающего в пьезоэлектрическом кристалле при резонансной частоте приложенного напряжения. Такие фильтры отличаются большой добротностью ~ 104, высокой стабильностью АЧХ и малыми размерами. Частотный диапазон применения пьезоэлектрических фильтров составляет от сотен герц до десятков мегагерц. Как функциональные элементы пьезоэлектрические фильтры, в основном, используются в качестве полосовых и режекторных фильтров.

Благодаря развитию полупроводниковой техники и микроэлектроники широкое применение получили активные RC-фильтры – сочетание пассивных частотнозависимых RC-цепей и активного элемента – чаще всего операционного усилителя. Активные RC-фильтры позволяют получать самые различные АЧХ и по сравнению с другими типами фильтров имеют небольшие габариты и малый вес. Особенно это преимущество заметно при переходе к инфранизким и низким частотам, где при реализации  LC-фильтров катушки индуктивности получаются неприемлемых размеров. Уступая по величине добротности пьезоэлектрическим и в ряде случаев    LC-фильтрам, активные RC-фильтры отличаются простотой получения всех типов АЧХ и легкостью перестройки на различные частоты, тогда как в пьезоэлектрических фильтрах резонансная частота определяется геометрическими размерами пьезоэлектрических кристаллов. Большим достоинством активных RC-фильтров является возможность объединения в одном устройстве двух функций – фильтрации сигнала и его усиления.

Активные RC-фильтры разделяются на два основных класса: линейные и квазилинейные. В линейных фильтрах активные элементы используются в линейном режиме. Принцип работы квазилинейных фильтров основан на использовании нелинейных характеристик активных элементов. К числу квазилинейных фильтров относятся квадратурные, синхронные и цифровые, а также фильтры с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ).

Основной особенностью синхронных и квадратурных фильтров является преобразование спектра входных сигналов и возможность получения добротностей ~ 106. Однако в электронной аппаратуре наиболее часто требуемая добротность фильтров не превышает 50. Фильтры с такой добротностью легко создаются на основе линейных активных RC-цепей. Основные достоинства линейных цепей – это простота реализации, малый уровень входного шума и большой (до 120 дБ) динамический диапазон. Основные недостатки линейных цепей заключаются в трудности получения высоких добротностей и большой стабильности АЧХ. Это обусловлено их склонностью к самовозбуждению при больших коэффициентах усиления операционного усилителя, а также зависимостью параметров активного     RC-фильтра от стабильности характеристик, входящих в схему фильтра пассивных элементов.

В зависимости от полосы пропускаемых частот, фильтры подразделяются на фильтры нижних частот (НЧ фильтры), фильтры верхних частот (ВЧ фильтры), полосовые фильтры и режекторные фильтры. Соответствующие им АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ (АЧХ) показаны на рис.1.

Наряду с АЧХ фильтра значительный интерес представляет его ФАЗО-ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА (ФЧХ), т.е. сдвиг фазы выходного сигнала по отношению к входному в зависимости от частоты. Фаза важна потому, что сигнал, прошедший через фильтр без изменения амплитуды в полосе пропускания может быть искажен по форме, если временное запаздывание при прохождении через фильтр не будет постоянным для различных частот. Постоянное время задержки (для всех частот) соответствует линейному изменению сдвига фазы в зависимости от частоты, поэтому фильтр с линейной фазой обеспечивает неискаженную передачу формы сигнала. ФЧХ различных фильтров также показаны на рис.1.

В зависимости от полосы пропускаемых частот, фильтры подразделяются на фильтры нижних частот (НЧ фильтры), фильтры верхних частот (ВЧ фильтры), полосовые фильтры и режекторные фильтры. Соответствующие им АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ (АЧХ) показаны на

Рис.1. Амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики фильтров.
a) фильтр нижних частот;
b) фильтр верхних частот;
c) полосовой  фильтр;
d) режекторный фильтр.

Наряду с АЧХ фильтра значительный интерес представляет его ФАЗО-ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА (ФЧХ), т.е. сдвиг фазы выходного сигнала по отношению к входному в зависимости от частоты. Фаза важна потому, что сигнал, прошедший через фильтр без изменения амплитуды в полосе пропускания может быть искажен по форме, если временное запаздывание при прохождении через фильтр не будет постоянным для различных частот. Постоянное время задержки (для всех частот) соответствует линейному изменению сдвига фазы в зависимости от частоты, поэтому фильтр с линейной фазой обеспечивает неискаженную передачу формы сигнала. ФЧХ различных фильтров также показаны на рис.1.

                                  Рис. 2  Схема фильтра нижних частот

                                    Рис. 3  Схема фильтра верхних частот

                      Рис. 4 Схема режекторного фильтра с двойным Т- мостом

                        Рис. 5 Схема трехконтурного режекторного фильтра

       Рис. 6  Схема полосового фильтра

Задание на выполнение лабораторной работы.

1. Провести моделирование фильтров по схемам на рисунках 2- 6.

2. Определить частоты среза дл ФНЧ и ФВЧ.

3. Определить полосу пропускания для режекторного и полосового фильтров.

4. Выяснить как влияет изменение величин резисторов R6 (схема на рис. 5) и R1 (схема на рис. 6) на АЧХ фильтров.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Карлащук А.И. Электронная лаборатория на IBM PC, Москва, изд.     Салон–Пресс, 2004г.

2. Дорошенко А.Н., Логинов В.А., Федоров В.Н. Моделирование дискретных устройств в системе ELECTRONICS WORKBENCH, Москва, изд. МЭИ, 2004г.

3. Смоляков Б.П., Андреев Н.К., Малеев Н.А.  Расчет и исследование активных корректирующих цепей информационного канала автоматизированного электропривода. Изд. КГЭУ, 2010г.

PAGE  12


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

36019. ТЕОРИЯ ЭКОНОМИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКОГО ПОЛОЖЕНИЯ 35 KB
  Страны лидеры в мировой добыче и экспорте нефти природного газа железной руды и Т. Специализированная продукция вывозится в другие страны а ей навстречу идут потоки других товаров. Половина внешнеторгового оборота приходится на страны Западной Европы имеющие обширную взаимную торговлю в рамках единого Европейского союза. ТЕОРИЯ ЭКОНОМИКОГЕОГРАФИЧЕСКОГО ПОЛОЖЕНИЯ Районирование стран регионов территорий внутри страны важнейший метод исследования географии можно проводить по оценке их особенностей в природе экономике размещению...
36020. Экономический механизм природопользования 35 KB
  Данный тип экономического механизма направлен главным образом на ликвидацию негативных экологических последствий слабо влияя при этом на темпы и масштабы развития. Помимо экологических стандартов нормативов административное регулирование предполагает широкое применение правовых рычагов мер административного воздействия на виновников загрязнения запреты ограничения лицензии и пр. В мировой практике широкое распространение получил такой инструмент административного регулирования природопользования как лицензирование под которым...
36021. Сохранение биологического разнообразия 35 KB
  Цели Конвенции: сохранение биоразнообразия. В Конвенции имеется статья Сфера юрисдикции которая определяет что Конвенция распространяется на все компоненты биоразнообразия в пределах национальной юрисдикции каждого участника Конвенции а также на процессы и деятельность осуществляемые под юрисдикцией или контролем участника независимо от места проявления последствий. Согласно Конвенции каждая Договаривающаяся Сторона разрабатывает национальные стратегии планы или программы сохранения и устойчивого использования биоразнообразия а также...
36022. Первичный ключ. Внешний ключ. Ссылочная целостность. Базовые ссылочные действия, определенные в стандарте языка SQL 33.5 KB
  В таком случае в реляционной модели по традиции по крайней мере в случае базовой переменнойотношения один из потенциальных ключей должен быть выбран в качестве первичного ключа а все остальные потенциальные будут называться альтернативными. Поэтому в качестве первичного ключа как правило выбирают тот который имеет наименьший размер физического хранения и или включает наименьшее количество атрибутов. Если не придерживаться формальностей то внешний ключ можно определить как множество атрибутов одной переменнойотношения R2 значения...
36023. Концентраторы напряжений 34 KB
  Дефекты и конструктивные концентраторы напряжений в элементах способствуют повышению уровня напряженности металла и как следствие снижению ресурса оборудования. Для изделий имеющих конструктивные концентраторы напряжений при оценке влияния дефекта на их работоспособность следует сопоставить степень влияния конструктивного концентратора напряжений и дефекта. При расположении дефекта в зоне концентратора напряжений он может оказывать большее влияние на долговечность изделия чем даже более опасный по его ориентации форме но...
36024. Основные задачи системного администрирования. Процессы и их идентификаторы 34.51 KB
  Процессы и их идентификаторы Для понимания процедуры начальной загрузки необходимо иметь самое общее представление о том что такое процесс в системе поскольку это понятие будет постоянно использоваться в дальнейшем. Процесс это загруженная в оперативную память программа. В Linux вначале запускается процесс который загружает в оперативную память программу из указанного ему файла и начинает ее выполнять. Это означает что каждый процесс должен быть запущен как говорят порожден какимто другим процессом.
36025. Отношения. Переменные отношения. Значение переменных отношения. Базовые переменные отношения и их представления. Предикаты и высказывания 32 KB
  Отношения. Переменные отношения. Значение переменных отношения. Базовые переменные отношения и их представления.
36026. Английский либерализм 19 века, его методологические принципы 36 KB
  Либерализм от лат свободный: идеология индивидуальных прав и свобод; свобода смысл чел жизни а не средство; начало 17в Локк. Идейное содержание: индивидуальная свобода цель общественного прогресса. Милль: индивидуальная свобода независимость чела в сфере действий кас его самого; границы: свобода мысли и мнения выражаемого вовне свобода действовать сообща с другими индивидами свобода выбора целей; угроза свободе не только от гва но и от обществен мнения взглядов большинства = уловил опасность массовой демократии ...
36027. Философия Платона, основные идеи Платона 34.5 KB
  Платон кличка широкий родился в Афинах в 428 или 427 г. Платон отправился в Египет и эта древняя цивилизация произвела на него глубокое впечатление. Платон вернулся в Афины в возрасте сорока лет он основал Академию в которой преподавал до конца своих дней.