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

29 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

83403. Английский язык: Методические указания по составлению заявки на грант 592.5 KB
  Другие организации занимающиеся деятельностью сходной с Вашим проектом часто также могут предоставить подробную информацию об источниках финансирования в интересующей Вас области а лучший способ получить подробную информацию о конкретном фонде запросить из этого фонда ежегодный отчет и другие материалы...
83404. Грамматика испанского языка: Практический курс 3.03 MB
  С момента третьего издания этой книги прошло почти десять лет. Однако цели и назначение учебника остались прежними. Книга предназначена для студентов отделений испанского языка различных университетов, специализированных гимназий, лицеев и может быть использована лицами...
83405. Теория игр. Расчётно-графическая работа 999.59 KB
  В данном разделе будет представлены методы нахождения минимакса максимина седловой точки решения игры оптимальных стратегий доминирующих стратегий графическое решение игр изоморфное и аффинное преобразования матрицы. Кроме того важно отметить не только то как решаются игры но и то что показывает...
83406. Применение статистических методов для анализа и обоснования закономерностей в эмпирических данных 609 KB
  Цель и задачи работы закрепить теоретические знания вероятностного и статистического анализа системы случайных величин направленного на выявление и описание существующих между ними зависимостей; реализовать методики создания основных видов статистических моделей вероятностных экспериментов...
83407. Современные образовательные технологии в профессиональном образовании 76.5 KB
  Личностная направленность образования сегодня является одной из основных тенденций развития профессионального образования, а на первый план образования выступает задача реализации принципа активности в обучении: создание условий для выявления и развития способностей студентов...
83408. Нетрадиционные операции банков 44.92 KB
  Целью данной работы является подробное изучение таких нетрадиционных операций коммерческого банка как лизинг факторинг и трастовые операции. В настоящее время некоторые кредитные операции проводимые российскими коммерческими банками можно отнести к косвенному нетрадиционному кредитованию...
83409. Понятие государственной налоговой службы, ее задачи и компетенция 76.5 KB
  Производить в органах в органах государственной власти и органах местного самоуправления, организациях, у граждан Российской Федерации, иностранных граждан и лиц без гражданства (далее – органы, организации и граждане) проверки документов, связанных с исчислением и уплатой обязательных платежей...
83410. Методы определения относительного возраста четвертичных отложений 763.84 KB
  Эта группа методов основана на характерной для четвертичного периода климатической ритмичности с чередованием теплых и холодных эпох. Это отражается в литологии отложений, составе заключенных в них остатков фауны и флоры, а также других особенностях.
83411. Карельские пословицы поговорки загадки. Портрет жанра. Воспитательские возможности 107 KB
  Пословицы и поговорки являются отражением мудрости многих поколений, не утратившие веками своей актуальности. Многие годы эти изречения являлись сводом законов нравственности и норм поведения, оказывали непосредственное влияние на формирование духовности нации.