99613

Расчет LC-фильтра нижних частот Баттерворта

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Расчет LC-фильтра Баттерворта нижних частот. Записать выражение передаточной функции H(p), воспользовавшись таблицей. Вычислить номинальные (истинные) элементы фильтра. Рассчитать ослабление при частотах

Русский

2016-09-26

422.5 KB

9 чел.

Задание на курсовую работу

Вариант 08

  1.  Расчет LC-фильтра Баттерворта нижних частот, для которого f1=3 кГц; A=1 дБ; fS=7,5 кГц; AS=20 дБ:

1.1. Рассчитать порядок фильтра n;

1.2. Записать выражение передаточной функции H(p), воспользовавшись таблицей;

1.3. По таблице и аналитически найти нормированные элементы фильтра;

1.4. Начертить схему фильтра;

1.5. Вычислить номинальные (истинные) элементы фильтра;

1.6. Рассчитать ослабление при частотах f1; f0; fS; 1,5f1; 2f1

1.7. Начертить график зависимости ослабления от частоты.

  1.  Расчет симметричного полосового LC-фильтра Чебышева, для

     которого f 0=12  кГц; f1=16 кГц; fS2=18 кГц; AS2=22 дБ; A=0,5 дБ.

2.1. Рассчитать порядок фильтра n;

2.2. Воспользовавшись таблицей найти нормированные элементы низкочастотного прототипа фильтра;

2.3. С помощью частотного преобразования найти  нормированные элементы полосового фильтра;

2.4. Начертить схему фильтра;

2.5. Вычислить номинальные (истинные) элементы фильтра;

2.6. Рассчитать ослабление при частотах f –1; f0; f1; fS2; 1.5fS2; 2fS2 .

2.7. Начертить график зависимости ослабления от частоты.

  1.  Расчёт активного RC-фильтра нижних частот Чебышева, для которого f1=30 кГц; fS1=50 кГц; A=1 дБ; AS1=16 дБ; k=6:

3.1 Рассчитать порядок фильтра n;

3.2 Определить выражение каждого звена передаточной функции и всего фильтра;

3.3 Определить добротность каждого звена фильтра второго порядка и качественно построить график АЧХ каждого звена;

3.4 Начертить схему фильтра и рассчитать значения резистивных сопротивлений и ёмкостей каждого звена;

3.5 Рассчитать собственную частоту и добротность каждого звена фильтра;

3.6 Начертить качественно графики ослабления в функции частоты.

  1.  
    Расчет
    LC-фильтра нижних частот Баттерворта

Рассчитать двусторонний нагруженный фильтр Баттерворта в полосе пропускания 0<f<f1, f1=3 кГц, ослабление не должно превышать A=1 дБ, а при частоте fS= 7,5  кГц и более высоких ослабление должно быть не менее AS=20 дБ. Сопротивления генератора и нагрузки одинаковы RГ=RН=R=600 Ом.

   

 

Рис. 1

Решение.

1.1 Вычисляем нормированную частоту  

Определим порядок фильтра n по формуле:

Так как порядок фильтра должен быть целым числом, берем n=4, т.е. надо рассчитать фильтр 4-го порядка.

  1.  Передаточную функцию по напряжению записываем на основании таблицы 7 методических указаний для n=4

 

1.3. Произведем расчет нормированных элементов фильтра при помощи таблиц. По таблице 9 из методических указаний находим две схемы для четного n=4 и их параметры рис.2.

а) – схема с источником напряжения на входе с нормированными параметрами l'1=0.7654, c'2=1.8478, l'3=1.8478, c'4=0.7654, rГ=rН=600;

б) – схема с источником тока на входе с нормированными параметрами c1=0.7654, l2=1.8478, c3=1.8478, l4=0.7654, gГ=gН=600;

1.4.

а)

б)

Рис. 2

Произведем аналитический расчет фильтра.

Вычислим нули полинома Баттерворта для четных n по формуле:

    n=6 ; k=1,2,3..2n.     

При k=1,2,3,4,5,6,7,8 получим:

 

Выберем те Sk, которые имеют отрицательные вещественные части. Это будет при k=3,4,5,6.

Вычислим знаменатель передаточной функции

Полученные коэффициенты полностью совпадают с табличными значениями.

Для фильтра Баттерворта функция фильтрации находится по формуле:

  h (s) = S n 

Вычисляем нормированное входное сопротивление

Разложим полученное выражение в цепную дробь

1)делим числитель на знаменатель

 _2S4+2.6131S3+3.4142S2+2.6131S+1 2.6131S3+3.4142S2+2.6131S+1

     2S4+2.6131S3+2S2+0.7654S             

первый остаток  1.4142S2+1.8478S+1  0.7654Sl'1

2) делим делитель на первый остаток

_2.6131S3+3.4142S2+2.6131S+1  1.4142S2+1.8478S+1

    2.6131S3+3.4142S2  +1.8478S                                                                                                 второй остаток  0.7654S+1  1.8478S → c'2

      

3) делим второй делитель на второй остаток

 _1.4142S2+1.8478S+1   0.7654S+1

       1.4142S2+1.8478S           

 третий остаток  1  1.8478S → l'3

4) делим третий делитель на третий остаток

  _0.7654S+1    1

      0.7654S     

 четвертый остаток  1  0.7654Sc'4

5) делим четвертый делитель на четвертый остаток

    _1  1

       1     

      0  1→ r'Н

При аналитическом расчете получены такие же результаты, как и при табличном расчете, реализована схема а).

1.5. Реализуем схему а).

Денормируем элементы схемы и вычислим реальные значения по формулам:

; ;  

RН=RГ=600 Ом;

L'1

C'2

L'3

C'4

1.6. Рассчитаем ослабление фильтра на частотах f1, f0, fS, 1.5f1, 2f1,

Вычислим частоту f0

Расчет ослабления на выходе ФНЧ делаем по формуле:

1.7. График зависимости ослабления от частоты ФНЧ


2.
 Расчет параметров симметричного полосового

фильтра Чебышева

Фильтр нагружен двусторонне со следующими условиями:

– граничные частоты полосы пропускания f 0=12 кГц, f1 =16 кГц, в этой полосе пропускания ослабление должно быть не более A=0,5 дБ, а при частоте fS2=18 кГц и более ослабление должно быть не менее AS2=22 дБ;

  •  сопротивление нагрузок фильтра RГ=RН=R=600 Ом.

Решение.

Определим порядок фильтра n. Для этого  сначала найдем частоту низкочастотного прототипа ΩS

f 0=12 кГц; f1=16 кГц; fS2=18 кГц; AS2=22 дБ; A=0,5 дБ

, где

Итак, порядок фильтра прототипа низкочастотного n должен быть целым, т.е. n=5.

2.2. Схема фильтра ФПНЧ имеет вид:

 

                                                                                                         

По таблице 10 для A=0,5 дБ и n=5 нормированные элементы ФПНЧ имеют значения c1=1.706, l2=1.230, c3=2.541, l4=1,230, c5=1,706.

2.3. Нормированные элементы полосового фильтра равны

k=1,714

2.4. От схемы ФПНЧ согласно формулам переходим к схеме полосового фильтра рис.4:

Рис.4

2.5. Осуществим переход к номинальным величинам полосового фильтра:

;     ;     

;

2.6. Расчет ослабления проводим по формуле:

Необходимо рассчитать ослабление на частотах  f0, f –1, f1, fS2, 1.5fS2, 2fS2

При

При 

При 

При 

При 

При 

2.7. График зависимости ослабления от частоты

полосового фильтра Чебышева 5-го порядка.

3. Расчет параметров активного RC-фильтра

нижних частот Чебышева

Для расчёта фильтра задаются следующие параметры:

– максимально допустимая величина ослабления в рабочей полосе пропускания A=1дБ;

– граничная частота рабочей полосы задерживания (частота среза): f1=30 кГц;

– при частоте fS1=50 кГц и более ослабление должно быть не менее AS1=16 дБ;

  •  коэффициент усиления фильтра k=6.

3.1. Определим порядок фильтра n. Для этого  сначала найдем нормированную частоту ФНЧ на границе полосы задерживания: 

 

Принимаем:  n=3.

Следовательно, фильтр состоит из одного звена второго порядка и одного звена первого порядка. Коэффициент усиления k разобьём между звеньями так, чтобы:

  k= k1* k2* kn

тогда k1=3; k2=3.

По таблице 12 из методических указаний для первого звена находим коэффициенты:

В = 0,299; С = 0,839.

Ёмкость С2 определяем по формуле:

  С2 = 10/ f1=10/30000=0,3*10-3 мкФ=0,3*10-9Ф=300пФ;

Ёмкость С1 определяем по формуле:

  С1 ≤[В2+4С(k-1)]С2/4С;

  С1 ≤[0,2992+4*0,839(3-1)]0,3*10-9/4*0,839=0,6*10-9Ф=600пФ;

Вычислим резистивные сопротивления по формуле:

  R1= 2/[BС2+√[В2+4С(k-1)]C22-4CС1С2c

R1= 2/[0,299*0,3*10-9+√[0,2992+4*0,839 (3-1)] (0,3*10-9)2-4*0,839*0,6*10-9*0,3*10-9]*

*6.28*30000=35623 Ом = 35,6кОм;

  

  R2=1/(СС1С2R1ωc2);

 R2=1/(0,839*0,6*10-9 *0,3*10-9*35623*(6.28*30000)2)=10476 Ом = 10,5кОм;

 R3=k(R1+ R2)/(k-1) = 3(35623+10476)/(3-1) = 69149 Ом =69,149кОм;

 R4= k(R1+ R2) = 3(35623+10476) = 138297 Ом = 138,3кОм.

  

По таблице 12 находим коэффициенты для второго звена первого порядка:

С = 0,299.

Ёмкость С1 определяем по формуле:

 С1 = 10/ f1=10/30000=0,3*10-3 мкФ=0,3*10-9Ф=300пФ;

Вычислим резистивные сопротивления по формуле:

 R1=1/(СС1ωc) = 1/0,299*0,3*10-9*6.28*30000 = 62500 Ом = 62,5кОм;

 R2=kR1/(k-1) = 3*62500 /(3-1) = 93750 Ом =93,75кОм;

 R3=kR1= 3*93750=281250=281,25 кОм.

Схема активного RC-фильтра 3-го порядка на основе ИНУН.

3.2. Запишем передаточную функцию полученного фильтра, где каждому звену будет соответствовать свой множитель. Для первого и второго звена второго порядка передаточная функция определяется по формуле:

Для звена первого порядка передаточная функция определяется по формуле:

 

Для всего фильтра передаточная функция будет иметь вид:

3.3  Определим добротность первого звена второго порядка:

Собственная частота первого фильтра второго порядка описывается уравнением:

Амплитудно-частотная характеристика фильтра имеет вид:

3.4 График ослабления активного RC-фильтра низкой частоты 5-го порядка Чебышева имеет вид:


Список литературы.

  1.  Белецкий А.Ф. «Теория линейных электрических цепей». - М.: Связь, 1967.
  2.  Шебес М.Р., Каблукова М.В., «Задачник по теории линейных электрических цепей» . - М.: Высшая школа, 1990.
  3.  Альбац М.Е. «Справочник по расчёту фильтров и линий задержки». - М.: Госэнергоиздат, 1963.
  4.  Р.Зааль . «Справочник по расчёту фильтров». - М.: Радио и связь.- 1983.
  5.  Воробиенко П.П. «Теория линейных электрических цепей»/Учебное пособие для вузов/ Сборник задач и упражнений . - М.: Радио и связь, 1989.

Выполнил:28.12.12г.                                                          /Клементьев А.В. /

PAGE  11


AA
S

H

ΔAAA

f1

f1  fS

f

f

RГ

RН

U2

E

R'Г

L'1

L'3

E

R'H

C'2

C'4

GH

L44

L2

C3

GГ

C1

J

0

5

10

15

20

25

30

2

2,368

3

4

5

f, кГц

A, дБ

А (f)

AAS

H

ΔAAA

f-1      f1

f1  fS

f

f

RГ

RН

 ПФ

U2

E

J

C1

GГ

C3

GH

L2

L44

L2

GH

C3

C5

GГ

C1

J

J

C1

GГ

C3

GH

L2

3

2

1

R4

R3

2?

К2

К1

Uвхода

R1

C1

1

Uвых

Hc

fc

fmax 

Hmax

fc

А


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

29013. Поверхностное уплотнение грунтов укаткой, вибрацией и тяжёлыми трамбовками. Понятие об оптимальной влажности уплотняемого грунта 36 KB
  Понятие об оптимальной влажности уплотняемого грунта. Уплотняемость грунтов особенно пылеватоглинистых в значительной степени зависит от их влажности и определяется максимальной плотностью скелета уплотнённого грунта ρdmax и оптимальной влажностью w0. Эти параметры находятся по методике стандартного уплотнения грунта при различной влажности 40 ударами груза весом 215 Н сбрасываемого с высоты 30 см. По результатам испытания строится график зависимости плотности скелета уплотнённого грунта ρd от влажности грунта w рис.
29014. Глубинное уплотнение грунтов с помощью песчаных и грунтовых свай. Область применения указанных методов 51.5 KB
  Песчаные сваи применяют для уплотнения сильно сжимаемых пылеватоглинистых грунтов рыхлых песков и заторфованных грунтов на глубину до 18. Песчаные сваи изготовляют следующим образом. Вокруг песчаной сваи грунт также находится в уплотнённом состоянии рис. Уплотнение грунта песчаными сваями обычно производится под всем сооружением Сваи располагаются в шахматном порядке как это показано на рис.
29015. Уплотнение грунтов основания водопонижением. Ускорение процесса уплотнения с помощью электроосмоса 33.5 KB
  Площадь основания где намечено уплотнение грунтов окружается иглофильтрами или колодцами из которых производится откачка воды водопонизительными установками рис. Понижение уровня подземных вод приводит к тому что в пределах зоны водопонижения снимается взвешивающее действие воды на скелет грунта. При пропускании через грунт постоянного электрического тока происходит передвижение воды к иглофильтрукатоду и эффективный коэффициент фильтрации увеличивается в 10.
29016. Закрепление грунтов инъекциями цементных или силикатных растворов, битума, синтетических смол. Область применения указанных методов 34 KB
  Закрепление грунтов инъекциями цементных или силикатных растворов битума синтетических смол. Закрепление грунтов заключается в искусственном преобразовании строительных свойств грунтов в условиях их естественного залегания разнообразными физикохимическими методами. Это обеспечивает увеличение прочности грунтов снижение их сжимаемости уменьшение водопроницаемости и чувствительности к изменению внешней среды особенно влажности. Цементация грунтов.
29017. Термическое закрепление грунтов. Область применения и методы контроля качества работ 33.5 KB
  В результате этого образуются прочные водостойкие структурные связи между частицами и агрегатами грунта. Отметим что температура газов которыми производится обработка грунта не должна превышать 750.12 суток в результате чего получается упрочнённый конусообразный массив грунта диаметром поверху 15. Образуется как бы коническая свая из обожжённого непросадочного грунта с прочностью до 10 МПа.
29018. Что называется грунтом, его составные элементы 25 KB
  Структурные связи между частицами грунта. Грунтами называют любые горные породы коры выветривания земли сыпучие или связные прочность связей у которых между частицами во много раз меньше чем прочность самих минеральных частиц или эти связи между частицами отсутствуют вовсе. Вода и газы находятся в порах между твердыми частицами минеральными и органическими. Газообразные включения пары газы всегда в том или ином количестве содержатся в грунтах и могут находиться в следующих состояниях: замкнутом или защемленном располагаясь в...
29019. Назовите виды давления грунта на подпорную стенку в зависимости от ее поступательного движения. Какой вид имеет диаграмма давления грунта на стенку в зависимости от ее перемещения 31.5 KB
  Какой вид имеет диаграмма давления грунта на стенку в зависимости от ее перемещения В зависимости от поступательного движения подпорной стенки на нее могут действовать следующие виды давления грунта: активное давление; пассивное давление; давление покоя. Активным называется минимальное из всех возможных для данной стенки давление на нее грунта проявляющееся в том случае если стенка имеет возможность переместиться в сторону от засыпки рис. Активное давление иногда называют распором. Пассивным называется максимальное из всех возможных...
29020. Напряжения, возникающие в массиве грунта от действия сооружения, накладываются на поле начальных напряжений, к которым относятся напряжения от собственного веса грунта 28 KB
  Напряжения возникающие в массиве грунта от действия сооружения накладываются на поле начальных напряжений к которым относятся напряжения от собственного веса грунта. Как вычислить вертикальные напряжения в массиве грунта от его собственного веса в следующих случаях: однородное основание; многослойное основание; при наличии в толще грунта уровня подземных вод; при наличии ниже уровня подземных вод водоупорного слоя. Вертикальное напряжение от собственного веса грунта σz представляют собой вес столба грунта над рассматриваемой точкой...
29021. От чего зависит глубина заложения фундамента 31.5 KB
  Глубина заложения фундаментов является одним из основных факторов обеспечивающих необходимую несущую способность и деформации основания не превышающие предельных по условиям нормальной эксплуатации здания или сооружения. От чего зависит глубина заложения фундамента Допускается ли закладывать подошвы соседних фундаментов на разных отметках Глубина заложения фундамента определяется: инженерногеологическими условиями площадки строительства физикомеханические свойства грунтов характер напластования и пр.; гидрогеологическими условиями...