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

42 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

82269. Антинатуралистическая исследовательская программа и ее общенаучное значение 36.58 KB
  Природа остается в качестве предпосылки деятельности человека но культур центризмом не схватывается оставляя место натурализму Другой причиной жизненности натуралистической исследовательской программы является вызванное объективными социальными изменениями крушение классических рационалистических установок. Она по существу указала на границы натуралистической программы. Натуралистическая и антинатуралистическая программы направлены на изучение одного и того же объекта но в соответствии со своей методологией исследовательской программой...
82270. Применение натуралистической и антинатуралистической исследовательских программ ва социально –гуманитарных науках 33.52 KB
  В них присутствуют: натуралистическая парадигма общества основные варианты: механицизм физикализм биологизм географический детерминизм демографический детерминизм общество понимается как жестко-детерминированная система обусловленная влиянием определенных природных факторов климата полезных ископаемых территории и т. оно рассматривается с редукционистских позиций; антинатуралистическая парадигма общества основные варианты: социологизм экономизм психологизм антипсихологизм общество понимается как...
82271. Проблема разделения социальных и гуманитарных наук пол предмету, по методу, по предмету и методу одновременно, по исследовательским программам 34.01 KB
  В настоящее время считается что естественные науки и социально-гуманитарные науки имеют как общие так и различные характеристики. Естественные и социально-гуманитарные науки обладают всеми признаками науки как особого феномена познание нового наличие эмпирического и теоретического уровней оформленность в понятиях и т. Вместе с тем социально-гуманитарные науки отличаются от естественно-математических и технических наук по следующим основаниям: по объекту исследования естественные науки изучают природную реальность т. то что существует...
82272. Методы социальных и гуманитарных наук 42.51 KB
  Абстрагирование важнейший метод научного постижения реальности. Результатом применения этого метода является абстракция. Наряду с абстрагированием важнейшим методом научного познания на эмпирическом уровне познания является индукция. Индукция это метод движения мысли от менее общего знания к более общему.
82273. Вненаучное социальное знание. Взаимодействие социальных, гуманитарных наук и вненаучного знания в экспертизах социальных проектов и программ 39.26 KB
  Взаимодействие социальных гуманитарных наук и вненаучного знания в экспертизах социальных проектов и программ. Эйнштейн ищут основания знания в философии и художественной литературе. Антифундаменталистская тенденция просматривается в истолковании всех важнейших областей научного познания: математического естественнонаучного гуманитарного. В то время как сциентизм базируется на абсолютизации рациональнотеоретических компонентов знания антисциентизм опирается на ключевую роль этических правовых культурных ценностей по отношению к идеалу...
82274. Дисциплинарная структура социально –гуманитарного знания и междисциплинарные исследования. Дифференциация и интеграция знаний 37 KB
  В дальнейшем проблематика связанная с первым типам междисциплинарности практически полностью стала изучаться в рамках исследований по классификации науки и ее развития. При этом главная Наука как социальный институт задача состоит в том чтобы преодолеть в процессе исследований отмеченное в свое время И. Эта задача пусть и не всегда в явной форме стоит перед участниками междисциплинарных исследований любого масштаба . Успешное осуществление междисциплинарных исследований предполагает одновременное решение трех видов проблем:...
82275. Переопределение парадигм и предметно- тематических направлений, появление новых областей исследования 38.77 KB
  В ходе развития науки в последней трети XX в. Ее фундамент составляют ставшие общенаучными принципы развития и системности. Такое понимание процессов развития исходит из синергетики. Вопервых принцип развития эволюции в современной науке получил статус фундаментальной мировоззренческой и методологической константы.
82276. Роль СГН и вненаучного знания в экспертизах социальных проектов и программ 32.11 KB
  Социальногуманитарные науки являются социальнокультурным феноменом изменяются вместе с обществом. Социальногуманитарные науки необходимы для разработки стратегии развития общества для понимания человеком своего места в социальной среде. Социальная политика всегда нуждается в социальной науке так как первая лишь излагает определенные идеалы а вторая мысленно упорядочивает факты и предлагает варианты действий М. Социальногуманитарные науки развиваются в настоящее время по следующим основным направлениям: сближение с...
82277. Изменения дисциплинарной структуры социально-гуманитарного знания в современных условиях. Смена лидирующих дисциплин 35.88 KB
  Вместе с тем региональные и функциональные различия науки обусловленные уровнем экономического технологического развития природными ресурсами вносят определенную спецификацию в совокупный потенциал развития науки. Одним из бесспорных мировоззренческих итогов науки начала XXI в. В основе научного мировоззрения лежит представление о возможности научного постижения сущности многообразных явлений современного мира о том что прогресс развития человечества связан с достижениями науки. Острые споры ведутся вокруг проблемы взаимоотношений...