close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Курсовик по фильтрам 6 вариант

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ВОЛОГОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра АТПП
Дисциплина Электроника
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ АКТИВНЫХ ФИЛЬТРОВ
Выполнила: ст. гр. ЭМ-31
Селезнев Р.Г.
Проверил: Сердюков Н.А.
Вологда
2000
СОДЕРЖАНИЕ
ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ 3
ВВЕДЕНИЕ 4
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР 5 2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ
ЕЕ КОМПОНЕНТОВ 8
3. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА И РАСЧЕТ
ЕЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ПАРАМЕТРОВ 9
3.1. Принципиальная схема канала ФВЧ 3.2. Принципиальная схема канала ФНЧ
4. ЗАМЕНА ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ НА ДИСКРЕТНУЮ РЕАЛИЗАЦИЮ. 5. ВЫБОР РЕЗИСТОРОВ. 6. ВЫБОР КОНДЕНСАТОРОВ.
7. ВЫБОР ТРАНЗИСТОРОВ.
8. ПОЛНАЯ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА УСТРОЙСТВА 9. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ УСТРОЙСТВА 10. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ УСТРОЙСТВА ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Приложение 1
Приложение 2
Приложение 3
Приложение 4
Приложение 5
ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
Тема курсовой работы - проектирование активного фильтра.
Исходные данные для проектирования:
Вар.Тип
фильтраF1
КГцf2
кГцf3
кГцf4
кГцD
дБД
дБК
дБРеализация6ПП0,010,030,090,9221,50ДК АЧХ полосно-пропускающего фильтра (ПП).
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 правильно оформлять результаты проделанной работы.
В соответствии с заданием 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;
 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, которое передает (пропускает) синусоидальные сигналы в одном определенном диапазоне частот (в полосе пропускания) и не передает (задерживает) их в остальном диапазоне частот. Фильтры могут работать в диапазоне частот от 0 (постоянный ток) до 10 Гц. Они 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 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 . 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. Полосно-пропускные активные фильтры строятся из двух каналов ФНЧ и ФВЧ последовательно 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
Полосно-пропускной фильтр строится из двух последовательно соединенных ФНЧ и ФВЧ (рис. 2.1). Из задания известно, что коэффициент передачи ПФ должен равняться 0 дБ. Реализуем ФНЧ с частотой среза 0,09 кГц (f3) и частотой задерживания 0,9 кГц (f4), ФВЧ - с частотой среза 0,03 кГц (f2) и частотой задерживания 0,01 кГц (f1). ФВЧ и ФНЧ должны иметь минимальное затухание за пределами полосы пропускания не хуже 22 дБ (D) и неравномерность коэффициента усиления в полосе пропускания 1,5 дБ (Д).
Структурная схема
U1U2
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=2,53 ==> берем ФВЧ - 3-го порядка.
Для ФНЧ получаем n=1,26 ==> берем ФНЧ - 2-го порядка. 3. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА И РАСЧЕТ ЕЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ПАРАМЕТРОВ
3.1. Принципиальная схема канала ФВЧ По расчетам ФВЧ получился 3-го порядка, схема представлена на рис.3.1.
Схема ФВЧ 3-го порядка
Рис. 3.1.
Звено имеет передаточную функцию:
где В и С берутся из таблицы [2].
Схема 1-го звена ФВЧ показана на рис. 3.2.
Рис. 3.2. Уравнения описывающие схему :
Коэффициент у схемы - не инвертирующий, а значения сопротивлений определяются следующим образом:
где С1 имеет произвольное значение. Если 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=0,494171, С=0,994203;
* выбираем С2=33 нФ, К=1;
* из соотношения (3.3) имеем;
R1=39 кОм, R2=649 кОм.
Схема второго звена имеет структуру как показано на рис.3.
Рассчитываем параметры 2-го звена.
* берем из таблицы С=0,494171;
* выбираем С1=22 нФ, К=1;
* из соотношения R1=C/C1*C имеем;
R1=120 кОм .
3.2. Принципиальная схема канала ФНЧ По расчетам ФНЧ получился второго порядка, схема ФНЧ представлена на рис. 3.3.
Схема ФНЧ 2-го порядка
Рис. 3.3.
Эта схема реализует функцию фильтра нижних частот с передаточной функцией:
где В и С берутся из таблицы [2].
Параметры схемы
Значения сопротивлений определяются следующим образом:
где значения С1 и С2 выбираются произвольно.
Следовательно, по заданным K, С, B и wc можно выбрать значения С1 и С2 и вычислить требуемые значения сопротивлений. Емкости должны иметь номинальные значения, которые в результате расчета дают реальные значения сопротивлений. Если требуется К=1, то значения R1 и R2 также определяется из (3.5.), но в этом случае получаем R3= (разомкнутая цепь) и R4=0 (короткозамкнутая цепь). В этом случае ИНУН работает как повторитель напряжения, т.е. его выходное напряжение равно входному или повторяет его.
Номинальное значение емкости С1 : (C2 выбираем из условия, что входные сопротивления должны быть невелики)
Рассчитаем параметры звена
* берем из таблицы В=1,429934, С=1,537203;
* выбираем С1=3 мкФ, С2 =0.5 мкФ, К=1;
* из соотношения (3.4.) имеем:
R1=1,2 кОм, R2=1.2 кОм.
4. ЗАМЕНА ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ НА ДИСКРЕТНУЮ РЕАЛИЗАЦИЮ.
Заменим операционный усилитель с единичной передачей по напряжению и почти с нулевой передачей по току полевым транзистором серии КП103Л c p-n-переходом и p-каналом и расчитаем его рабочию точку для данных условии. Так же выбираем полевой транзистор из соображения:
1. Высокое входное сопротивление достигающее до 10^6 и 10^9 Ом. 2. Малый уровень собственных шумов т.к в переносе тока участвуют только заряды одного знака, что исключает появление рекомбинационного шума.
3. Высокая устойчивость против температурных и радиоактивных воздействий.
4. Высокая плотность расположения элементов при использовании приборов в интегральных схемах. Используем транзистор в схеме включения с общим стоком ( истоковый повторитель). Истоковый повторитель наиболее полно отвечает поставленным требованиям. Электрические параметры: Начальный ток стока Iн.с. (1,8-6,6)мА ; крутизна Sm (1,8-3,8)мА/В ; Vп-пороговое напряжение (2,0-6,0)В.
Выбираем начальные параметры из условия Sm=2 Iнс/Vп, тогда Iн.с.=6мА, Vп=4В, Sm=3 мА/В(удельная крутизна).
Коэффицент усиления полевого транзистора: Kv=S Rи/(1+S Rи), то есть нет сдвига по фазе относительно входного и выходного сигнала.
Так как единичной передачи по напряжению не добиться возьмем Kv=0.95 и Rи=9кОм , тогда S =2.1 мА/В.
Зная что S=Sm (1-Vз.и./Vп) , тогда Vз.и=1.2 В , из уравнения Ic= Iн.с /(Vп) * (Vп-Vзи) , Ic=1.43мА. Чтобы рабочая точка полевого транзистора была в области насыщения (активная область) выберем стандартное значение источника напряжения равным 12В. Тогда Vси=E- Vз.и=12-1.2=10.8 В.
В итоге рабочая точка истокового повторителя (Vз.и=1 ; Ic=1.43мА ; Vси=10.8 В).
5. Выбор резисторов.
Номиналы резисторов будем выбирать из стандартного ряда Е24. Номинальную мощность резисторов возьмём 0.25 Вт. Из справочника выбираем резисторы серии "МЛТ-0.25"[6].
6. Выбор конденсаторов.
Номиналы конденсаторов будем выбирать из стандартного ряда Е24. Выберем конденсаторы серий "К49-1-а"(номинальное напряжение 25В) [5 ] и серии К76-5 ЦМГ (номинальное напряжение 25В )[ 6]. 7. Выбор транзисторов.
Выберем полевые транзисторы серии "КП 103Л p-каналом"[3]. Эти транзисторы удовлетворяют рабочим условиям.
8. Полная принципиальная схема устройства
Чертеж полной принципиальной схемы устройства и перечень элементов можно увидеть в приложении соответственно 1 и 2.
9. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ УСТРОЙСТВА
Моделирование работы устройства проводилось в программе Electronic Workbench. Вместо транзистора КП103Л был взят аналог идиального транзистора с соответствующими коректировками. Результаты моделирования показывают правильность проведенных расчетов. Полосо-пропускной фильтр удовлетворяет всем техническим требованиям заданным в техническом задании. Схема и результаты моделирования в приложении 5.
10. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ УСТРОЙСТВА
Чертежи печатной платы и сборочного чертежа находятся в приложении соответственно 2 и 3.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
При разработке активного фильтра были изучены основные принципы и методы проектирования. Также был проведен аналитический обзор литературы, представленный ниже. Знакомство с основами выполнения и оформления электрических схем и с работой программы Electronic Workbench версии 5.0с и ее 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. Полупроводниковые приборы: Транзисторы. Cправочник / В.Л.Аронов, А.В. Баюков, А.А. Зайцев и др. Под общ. Ред. Н.Н. Горюнова.- 2-е изд., перераб.- М.:Энергоатомиздат, 1985.- 904 с.., ил. 4. Э.Т. Романычева и др. Разработка и оформление конструкторской документации РЭА: Справочное пособие-М: Радио и связь, -1984. -256с.,ил.
5. Справочник по электрическим конденсаторам / М.Н. Дьюков В.И. Карабанов В.И. Присняков В.Ф.Сминов.- М.: Радио и связь, 1983.-576 с.; ил.
6. Резисторы, кондесаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РАЭ Справ./ Н.Н. Анкимов, Е.П. Ващуков, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренко- Мн.: Беларусь, 1994.-591 с.:ил.
1
2
Документ
Категория
Рефераты
Просмотров
122
Размер файла
612 Кб
Теги
вариант, курсовик, фильтра
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа