close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Курсовик по фильтрам 13 вариант

код для вставкиСкачать
ПРОЕКТИРОВАНИЕ АКТИВНЫХ ФИЛЬТРОВ
ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
Тема КП: спроектировать активный фильтр.
Исходные данные для проектирования:
Вар.Тип
фильтраf1
кГцf2
кГцf3
кГцF4
КГцD
ДБД
дБК
дБРеализация13ПП0,10,2512.245140ОУ АЧХ режекторного фильтра (РФ).
где D - необходимое минимальное затухание фильтра за пределами
полосы пропускания ( в децибелах);
Д - неравномерность коэффициента усиления в полосе
пропускания ( в децибелах);
f1,f2,f3,f4 - граничные частоты и частоты задерживания ( в Герцах);
К - коэффициент усиления (передачи) фильтра в полосе пропускания
(в децибелах).
ВВЕДЕНИЕ Целью данного курсового проекта является развитие основных навыков инженерной работы по синтезу и анализу простейших электронных устройств. При этом нужно изучить основные принципы проектирования узлов, ознакомиться с последовательностью этапов проектирования, освоить основные приемы и инструментарий инженерного проектирования, научиться грамотно оформлять результаты проделанной работы.
В соответствии с полученным вариантом задания проводится проектирование активного фильтра в следующем порядке:
> выбор, исходя из проведенного литературного обзора, наиболее подходящей методики построения фильтра;
> составление структурной схемы всего фильтра ;
> разложение схемы фильтра на отдельные звенья;
> определение порядка каждого звена фильтра;
> выбор схемной реализации для каждого звена в отдельности;
> расчет параметров пассивных компонентов каждого звена;
> проведение анализа (моделирование) рассчитанного фильтра;
> разработка конструкции фильтра.
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
Фильтром называется устройство, устанавливаемое между выводами электрической цепи с целью изменения соотношения между частотными составляющими спектра проходящего через него сигнала. Фильтры различаются по типу, форме амплитудно - частотной характеристики (АЧХ), и диапазону частот.
В зависимости от типа АЧХ имеется четыре основных класса фильтров:
* фильтр нижних частот (ФНЧ). Он пропускает только низко частотные составляющие сигнала - обычно от постоянной составляющей и до частоты, которая называется частотой среза и определяется в исходных данных для расчета фильтра. Все спектральные составляющие сигнала с частотой выше частоты среза ФНЧ подавляет;
* фильтр верхних частот (ФВЧ). Фильтры этого класса подавляют в спектре сигнала все компоненты с частотой от 0 до частоты среза. Спектральные составляющие с частотой выше частоты среза пропускаются ФВЧ без искажений;
* полосно-пропускающий фильтр (ПП). Он пропускает без искажений все спектральные компоненты только в пределах заданной полосы частот и подавляет все компоненты вне ее;
* режекторный фильтр (РФ). Он подавляет компоненты спектра внутри заданной полосы частот и подавляет все компоненты вне этой полосы;
Приведенные определения характеризуют так называемые идеальные фильтры. В реальных устройствах между полосой пропускания и полосой задержания всегда существует переходная область [1]. Более точно характеристику АЧХ фильтра можно описать рассмотрев его передаточную функцию:
Передаточная функция реализуемого фильтра представляет собой отношение полиномов. Коэффициенты а и b - вещественные постоянные величины, а
m,n=1,2,3...(m<n) (1.2)
Степень полинома знаменателя n определяет порядок фильтра. Реальные АЧХ лучше (более близки к идеальным) для фильтров более высокого порядка. Однако повышение порядка связано с усложнением схем и более высокой стоимостью. таким образом один из аспектов разработки фильтров связан с получением реализуемой характеристики, аппроксимирующей с некоторой заданной степенью точности идеальную характеристику при наименьших затратах.
Как только получена подходящая передаточная функция, разрабатывают схему фильтра, реализующую данную передаточную функцию. Существует много способов построения фильтра с заданной передаточной функцией n-го порядка. Один популярный способ заключается в том, чтобы представить передаточную функцию в виде произведения сомножителей N1, N2, ... Nm, соответствующие каждому сомножителю. Наконец эти звенья соединяются между собой каскадно (выход первого является входом второго и т.д.), как изображено на рис. 1.1.
Каскадное соединение фильтров
+ +
U1 U2
- - Рис.1.1
Если эти звенья не влияют друг на друга и не изменяют собственные передаточные функции, то общая схема обладает требуемой передаточной функцией n - порядка. Для фильтров первого порядка передаточная функция представляется в виде
где С - постоянное число, а Р(s) - полином первой или нулевой степени. Для фильтров второго порядка передаточная функция Для четного порядка n>2 обычная каскадная схема содержит n/2 звеньев второго порядка, каждое с передаточной функцией типа (1.3). Если же порядок n>2 является нечетным, то схема содержит (n-1)/2 звеньев второго порядка, с передаточными функциями (1.4) и одно звено первого порядка с передаточной функцией (1.3).
Существует много типов АЧХ фильтров. Фильтры Баттерворда, Чебышева, инверсные Чебышева и эллиптические образуют четыре наиболее известных классов. Вероятно, наиболее простая АЧХ у фильтра Баттерворда наиболее плоская по сравнению с характеристикой любого полиномиального фильтра n - го порядка и в следствии этого называется максимально плоской. Следовательно, характеристика фильтра Баттерворда наилучшим образом аппроксимирует идеальную характеристику. Однако для частот, расположенных около точки среза и в полосе задерживания, характеристика фильтра Баттерворда заметно уступает характеристике фильтра Чебышева. Режекторные активные фильтры строятся из двух каналов ФВЧ и ФНЧ параллельно соединенных между собой. Схемных реализаций фильтров множество, рассмотрим два из них, наиболее подходящих для данного курсового проекта. Из-за своей относительной простоты фильтр с МОС является одним из наиболее популярных типов фильтров с инвертирующим коэффициентом усиления он также обладает определенными преимуществами , а именно хорошей стабильностью характеристик и низким выходным полным сопротивлением, таким образом, его можно сразу соединять каскадно с другими звеньями для реализации фильтра более высокого порядка. Недостаток схемы состоит в том, что невозможно достичь высокого значения добротности, без значительного разброса значений элементов и высокой чувствительности к их изменению.
2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ЕЕ КОМПОНЕНТОВ
Как было подчеркнуто ранее, режекторный фильтр строится из двух параллельно соединенных ФВЧ и ФНЧ (рис. 2.1). Из технического задания известно, что коэффициент передачи РФ должен равняться 40 дБ. Реализуем ФНЧ с частотой среза 0,1 кГц (f3) и частотой задерживания 0,25 кГц (f4), ФВЧ - с частотой среза 1 кГц (f2) и частотой задерживания 2,2 кГц (f1). ФВЧ и ФНЧ должны иметь минимальное затухание за пределами полосы пропускания не хуже 45 дБ (D) и неравномерность коэффициента усиления в полосе пропускания 1 дБ (Д).
Структурная схема
U1
U2
Рис. 2.1
Выбираем фильтр Чебышева. Рассчитываем минимальный порядок ФНЧ и ФВЧ по формуле 2.1.
где n - порядок фильтра, fс - частота среза, f - частота задерживания.
Для ФВЧ получаем n=4,6==> берем ФВЧ - 5-го порядка.
Для ФНЧ получаем n=3,9 ==> берем ФНЧ - 4-го порядка. 3. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА И РАСЧЕТ ЕЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ПАРАМЕТРОВ
3.1. Принципиальная схема канала ФВЧ По расчетам ФВЧ получился 5-го порядка, схема представлена на рис.3.1.
Схема ФВЧ 5-го порядка
Рис. 3.1.
Звено имеет передаточную функцию:
где В и С берутся из таблиц справочника.
Схема 1-го звена ФВЧ показана на рис. 3.2.
Рис. 3.2. Анализируя эту схему получаем
Коэффициент у схемы - не инвертирующий, а значения сопротивлений определяются следующим образом:
Сначала расчитаем фильтр для К=1, то в качестве сопротивления R3 можно взять разомкнутую цепь, а сопротивления R4 - короткозамкнутую цепь и в этом случае ОУ работает как повторитель напряжения, а сопротивления R1, R2 не изменятся. Рассчитываем параметры 1-го звена.
* берем из таблицы В=0,178917, С=0,988315;
* для ФВЧ значения С1 и С2 примерно одинаковы 4.5 нФ;
* из соотношения (3.3) имеем;
R1=1500 Ом, R2=175 кОм.
Схема второго звена имеет туже структуру, а расчет производится по тем же формулам.
Рассчитываем параметры 2-го звена.
* берем из таблицы В=0,468410, С=0,429298;
* С1=4,6 нФ, К=1;
* из соотношения (3.3) имеем;
R1=4 кОм, R2=30 кОм.
Рассчитываем параметры 3-го звена.
* берем из таблицы С=0,289493;
* С1=4,6 нФ, К=1;
* из соотношения R1=C/C1 имеем;
R1=5 кОм.
3.2. Принципиальная схема канала ФНЧ По расчетам ФНЧ получился второго порядка, схема ФНЧ представлена на рис. 3.3.
Схема ФНЧ 4-го порядка
Рис. 3.3.
Эта схема реализует функцию фильтра нижних частот с передаточной функцией:
где В и С берутся из таблицы справочника.
Номинальное значение емкости С1 выбираем такое , чтобы удовлетворяло условию: Предпочтительно наибольшее возможное номинальное значение.
Значения сопротивлений определяются следующим образом:
Сначала расчитаем фильтр для коэффициента К=1.
Номинальное значение емкости С2 выбирается близким к значению 10/fc мкФ, Рассчитаем параметры 1-го звена: * берем из таблицы В=0,279072, С=0,986505;
* получаем С1=0.1 нФ, С2 =0,1 мкФ, К=1;
* из соотношения (3.4.) имеем:
R1=225 кОм, R2=225 кОм.,R3=116 кОм Рассчитаем параметры 2-го звена: * берем из таблицы В=0,673739, С=0,279398;
* получаем С1=20 нФ, С2 =0,1 мкФ, К=1;
* из соотношения (3.4.) имеем:
R1=92 кОм, R2=92 кОм, R3=48 кОм
3.3. Выбор номиналов компонентов
Все резисторы берутся типа МЛТ 0,125 и выбираются по ряду проме-жуточных значений сопротивлений E96. Eмкости типа К10-17а . Операцион-ный усилитель в звеньях ФНЧ и ФВЧ берется K1401УД1, в звене 1-го порядка ФВЧ берется ОУ К140УД22, а вместо идеального операционного усилителя сумматора К574УД3.
3.4. Полная принципиальная схема устройства
Чертеж полной принципиальной схемы устройства со спецификацией можно увидеть в приложении 1.
4. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ УСТРОЙСТВА Моделирование работы устройства проводилось в программе Electronic Workbench. Вместо ОУ К1401УД1 был взят аналог LM2900 [4], а вместо ОУ К574УД3 был взят аналог LF351. Результаты моделирования показывают пра-вильность проведенных расчетов. РФ фильтр удовлетворяет всем техническим требованиям заданным в техническом задании. Схему и результаты моде-лирования см. в приложении 2.
5. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ УСТРОЙСТВА
Чертежи печатной платы и сборочного чертежа находятся в приложении3.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
При разработке проекта было выполнено следующее:
* проведено изучение элементарных основ проектирования активных фильтров;
* разработан режекторный фильтр;
* изучены основы выполнения и оформления электрических схем;
* ознакомился с работой программы Electronic Workbench версии 5.0a и их особенностями;
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кауфман М., Сидман А.Г. Практическое руководство по расчетам схем в электротехнике: Справ. в 2 т. Т.2: Пер. с англ./ под ред. Покровского. -М.: Энергоатомиздат, 1993.- 288с.: ил.
2. Джонсон Д. и др. Справочник по активным фильтрам: Пер. с англ./Д. Джонсон, ДЖ. Джонсон, Г.Мур.-М.: Энергоатомиздат, 1983. -128 с., ил.
3. Р.М. Терещук и др. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства: Справ.радиолюбителя-4-е изд., стер.-Киев: Наука.думка, 1989. -800с.,ил.
4. Интегральные схемы: Операционные усилители. Том 1.-М.: Физматлит, 1993. 240с.
5. Э.Т. Романычева и др. Разработка и оформление конструкторской документации РЭА: Справочное пособие-М: Радио и связь, -1984. -256с.,ил.
6. Н.Н.Горюнов и др.Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам.Изд. 4-е, перераб. И доп. М., "Энергия".1976.
7. Н.Н.Акимов, Е.П.Ващуков и др. Резисторы, конденсаторы, трансфор-маторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справочник: Минск " Беларусь".1994
Приложение 2
Bode data for mos.ewb
column 1 frequency (Hz)
column 2 gain (dB)
column 3 gain (linear)
column 4 phase (degrees)
Frequency Gain (dB) Gain Phase ---------------------------------------------------
1.00000e+01 4.00682e+01 1.00789e+02 -1.56690e+01
1.07227e+01 4.00866e+01 1.01002e+02 -1.68389e+01
1.14976e+01 4.01074e+01 1.01244e+02 -1.81020e+01
1.23285e+01 4.01310e+01 1.01519e+02 -1.94669e+01
1.32194e+01 4.01576e+01 1.01831e+02 -2.09434e+01
1.41747e+01 4.01875e+01 1.02182e+02 -2.25424e+01
1.51991e+01 4.02210e+01 1.02577e+02 -2.42762e+01
1.62975e+01 4.02584e+01 1.03020e+02 -2.61588e+01
1.74753e+01 4.02998e+01 1.03512e+02 -2.82057e+01
1.87382e+01 4.03454e+01 1.04056e+02 -3.04349e+01
2.00923e+01 4.03950e+01 1.04652e+02 -3.28664e+01
2.15443e+01 4.04483e+01 1.05297e+02 -3.55228e+01
2.31013e+01 4.05048e+01 1.05984e+02 -3.84292e+01
2.47708e+01 4.05634e+01 1.06701e+02 -4.16136e+01
2.65609e+01 4.06223e+01 1.07427e+02 -4.51063e+01
2.84804e+01 4.06790e+01 1.08130e+02 -4.89390e+01
3.05386e+01 4.07300e+01 1.08767e+02 -5.31444e+01
3.27455e+01 4.07706e+01 1.09278e+02 -5.77531e+01
3.51119e+01 4.07950e+01 1.09584e+02 -6.27913e+01
3.76494e+01 4.07960e+01 1.09597e+02 -6.82763e+01
4.03702e+01 4.07660e+01 1.09219e+02 -7.42118e+01
4.32876e+01 4.06974e+01 1.08360e+02 -8.05837e+01
4.64159e+01 4.05845e+01 1.06961e+02 -8.73577e+01
4.97702e+01 4.04253e+01 1.05019e+02 -9.44815e+01
5.33670e+01 4.02235e+01 1.02606e+02 -1.01894e+02
5.72237e+01 3.99904e+01 9.98892e+01 -1.09540e+02
6.13591e+01 3.97467e+01 9.71260e+01 -1.17398e+02
6.57933e+01 3.95231e+01 9.46576e+01 -1.25506e+02
7.05480e+01 3.93607e+01 9.29043e+01 -1.34015e+02
7.56463e+01 3.93108e+01 9.23724e+01 -1.43256e+02
8.11131e+01 3.94306e+01 9.36547e+01 -1.53899e+02
8.69749e+01 3.97573e+01 9.72449e+01 -1.67247e+02
9.32603e+01 4.01936e+01 1.02254e+02 -1.85714e+02
1.00000e+02 4.01451e+01 1.01684e+02 -2.12194e+02
1.07227e+02 3.84071e+01 8.32439e+01 -2.43849e+02
1.14976e+02 3.49337e+01 5.58066e+01 -2.70153e+02
1.23285e+02 3.09381e+01 3.52292e+01 -2.87745e+02
1.32194e+02 2.70648e+01 2.25548e+01 -2.99446e+02
1.41747e+02 2.34376e+01 1.48553e+01 -3.07747e+02
1.51991e+02 2.00352e+01 1.00406e+01 -3.14024e+02
1.62975e+02 1.68143e+01 6.92973e+00 -3.19011e+02
1.74753e+02 1.37365e+01 4.86212e+00 -3.23123e+02
1.87382e+02 1.07717e+01 3.45611e+00 -3.26605e+02
2.00923e+02 7.89714e+00 2.48232e+00 -3.29613e+02
2.15443e+02 5.09529e+00 1.79789e+00 -3.32254e+02
2.31013e+02 2.35277e+00 1.31111e+00 -3.34597e+02
2.47708e+02 -3.40783e-01 9.61526e-01 -3.36695e+02
2.65609e+02 -2.99346e+00 7.08479e-01 -3.38583e+02
2.84804e+02 -5.61144e+00 5.24117e-01 -3.40286e+02
3.05386e+02 -8.19925e+00 3.89079e-01 -3.41815e+02
3.27455e+02 -1.07596e+01 2.89747e-01 -3.43166e+02
3.51119e+02 -1.32930e+01 2.16447e-01 -3.44310e+02
3.76494e+02 -1.57961e+01 1.62255e-01 -3.45174e+02
4.03702e+02 -1.82591e+01 1.22193e-01 -3.45613e+02
4.32876e+02 -2.06590e+01 9.26931e-02 -3.45350e+02
4.64159e+02 -2.29450e+01 7.12444e-02 -3.43895e+02
4.97702e+02 -2.50055e+01 5.61983e-02 -3.40486e+02
5.33670e+02 -2.66112e+01 4.67134e-02 -3.34241e+02
5.72237e+02 -2.73808e+01 4.27523e-02 -3.25004e+02
6.13591e+02 -2.69590e+01 4.48796e-02 -3.14592e+02
6.57933e+02 -2.53725e+01 5.38734e-02 -3.05991e+02
7.05480e+02 -2.29916e+01 7.08630e-02 -3.00678e+02
7.56463e+02 -2.01714e+01 9.80464e-02 -2.98274e+02
8.11131e+02 -1.71156e+01 1.39387e-01 -2.97854e+02
8.69749e+02 -1.39202e+01 2.01367e-01 -2.98677e+02
9.32603e+02 -1.06267e+01 2.94215e-01 -3.00294e+02
1.00000e+03 -7.24957e+00 4.34032e-01 -3.02468e+02
1.07227e+03 -3.78894e+00 6.46477e-01 -3.05098e+02
1.14976e+03 -2.35514e-01 9.73250e-01 -3.08169e+02
1.23285e+03 3.42808e+00 1.48390e+00 -3.11727e+02
1.32194e+03 7.22806e+00 2.29828e+00 -3.15877e+02
1.41747e+03 1.12025e+01 3.63181e+00 -3.20803e+02
1.51991e+03 1.54066e+01 5.89294e+00 -3.26819e+02
1.62975e+03 1.99227e+01 9.91144e+00 -3.34503e+02
1.74753e+03 2.48707e+01 1.75201e+01 -3.45037e+02
1.87382e+03 3.03853e+01 3.30572e+01 -3.61203e+02
2.00923e+03 3.62344e+01 6.48218e+01 -3.89790e+02
2.15443e+03 4.00512e+01 1.00591e+02 -4.36285e+02
2.31013e+03 4.01204e+01 1.01396e+02 -4.77103e+02
2.47708e+03 3.95319e+01 9.47534e+01 -5.02529e+02
2.65609e+03 3.93691e+01 9.29935e+01 -5.21271e+02
2.84804e+03 3.95124e+01 9.45410e+01 -5.37815e+02
3.05386e+03 3.97448e+01 9.71051e+01 -5.53637e+02
3.27455e+03 3.99126e+01 9.89989e+01 -5.68933e+02
3.51119e+03 3.99478e+01 9.94012e+01 -5.83381e+02
3.76494e+03 3.98559e+01 9.83549e+01 -5.96617e+02
4.03702e+03 3.96804e+01 9.63875e+01 -6.08472e+02
4.32876e+03 3.94693e+01 9.40730e+01 -6.18986e+02
4.64159e+03 3.92581e+01 9.18135e+01 -6.28325e+02
4.97702e+03 3.90673e+01 8.98182e+01 -6.36694e+02
5.33670e+03 3.89054e+01 8.81595e+01 -6.44286e+02
5.72237e+03 3.87736e+01 8.68318e+01 -6.51264e+02
6.13591e+03 3.86688e+01 8.57909e+01 -6.57761e+02
6.57933e+03 3.85861e+01 8.49776e+01 -6.63877e+02
7.05480e+03 3.85196e+01 8.43294e+01 -6.69690e+02
7.56463e+03 3.84635e+01 8.37866e+01 -6.75258e+02
8.11131e+03 3.84123e+01 8.32945e+01 -6.80625e+02
8.69749e+03 3.83611e+01 8.28049e+01 -6.85824e+02
9.32603e+03 3.83054e+01 8.22759e+01 -6.90879e+02
1.00000e+04 3.82415e+01 8.16720e+01 -6.95808e+02
1
2
Документ
Категория
Рефераты
Просмотров
119
Размер файла
216 Кб
Теги
вариант, курсовик, фильтра
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа