- •Виртуальная лабораторная работа № 22 Активные фильтры нижних частот для извещателей с макетированием в пакете Electronics Workbench
- •. Определить скорость спада lax; фазовый сдвиг на частоте среза.
- •Методические указания
- •1. Принцип работы фнч
- •2. Расчет фильтров
- •3.Экспериментальные исследования
- •4.Выводы
- •Библиографический список
Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет
Факультет технической кибернетики
Кафедра измерительных информационных технологий
УТВЕРЖДЕНО
на заседании кафедры ИИТ
протокол № 3
от "10" ноября 2009 г.
Виртуальная лабораторная работа № 22 Активные фильтры нижних частот для извещателей с макетированием в пакете Electronics Workbench
Санкт-Петербург
2009г
УДК________________________
проф. Сидорин Ю.С. Виртуальная лабораторная работа № 22 Активные фильтры нижних частот для извещателей с макетированием в пакете Electronik WorkBench. Методические указания. СПб: 2009, с.
Рассмотрены активные фильтры нижних частот для извещателей, принципы их расчетов и методы виртуального моделирования с применением пакета Electronics WorkBench. Обращено внимание на особенность фильтров, а именно возможность их применения только при однополярном питании.
Работа предназначена для студентов специальности 090104 "Комплексная защита объектов информатизации", а также для студентов других электрорадиотехнических специальностей.
Автор работы выражает благодарность инженеру Кожевниковой М.Н. за набор и коррекцию текста.
Цель работы
Изучение простейших активных ФНЧ применяемых в охранных извещателях, умение рассчитывать их параметры, получение навыков по использованию пакета WorkBench для виртуального моделирования.
ПРОГРАММА РАБОТЫ
Изучить принцип работы активных фильтров ФНЧ.
Рассчитать активные фильтры,при работе от двухполярного и однополярного источника питания.
Рассчитать ФНЧ 1-го порядка (Рис.22.1)
. Рассчитать сопротивление R2 и емкость C1 активного ФНЧ первого порядка для получения коэффициента усиления |К(f=0)|=100 и частоты среза fcp = 1 Гц при сопротивлении R1=10кОм.
. Определить скорость спада LAX; фазовый сдвиг на частоте среза.
. Определить значение напряжения дополнительного источникаUoдля обеспечения работоспособности каскада.
Рассчитать активные ФНЧ 2-го порядка. Тип фильтра задается в соответствии с таблицей 22.1 и выполняются по трем схемам представленным на рис. 22.4, 22.5, 22.6.
. Рассчитать сопротивления и емкости фильтров для получения коэффициента усиления |К(f=0)| = 100 и частоты среза fср=1 Гц.
. Определить скорость спада lax; фазовый сдвиг на частоте среза.
. Рассчитайте значение дополнительных источников для обеспечения работоспособности каскадов.
Провести анализ рассмотренных фильтров в пакете Electronics Workbench с построением АЧХ всех фильтров на одном рисунке, снять ФЧХ всех фильтров. Заданные параметры и данные эксперимента свести в таблицу 22.1
Рассчитать погрешности полученных значений |K| и fср; оценить возможность реализации схем при наличии реальных элементов, имеющих определённый разброс номиналов (Например, при изменении R1 на ± 10%). Сравнить различные схемы (типы фильтров) по скорости спада ЛАХ и ФЧХ. Сделать выводы.
4. Выводы
Методические указания
1. Принцип работы фнч
Студент самостоятельно изучает принцип работы фильтров, и проводит их расчет. При выполнении эксперимента используются знания, полученные при выполнении работ 20 и 21, рекомендации по применению пакета [1], краткие выдержки из литературы [2], объясняющие принцип работы ФНЧ.
Идеальный активный фильтр низкой частоты (ФНЧ) имеет характеристику близкую к прямоугольной форме (рис.22.1)
Наилучшую аппроксимацию к указанной функции имеют неполиномиальные фильтры (инверсный фильтр Чебышева, эллиптический фильтры) и полиминальные фильтры (фильтры Баттерворта, Бесселя, Чебышева).
Чем выше порядок фильтра тем ближе его характеристика приближается к идеальной.
Выше указанные фильтры имеют свои специфические характеристики в зоне пропускания, переходной зоне, зоне затухания. Их особенности отражены в [2] и частично представлены на рис.22.2.
Из рис.22.2 видно, что наибольшую скорость спада АЧХ в переходной области (между полосами пропускания и заграждения) имеет эллиптический фильтр. Далее следуют фильтры Чебышева, инверсный Чебышева и Баттерворта. Наихудшим в этом смысле является фильтр Бесселя. Однако при скачке входного сигнала входное напряжение фильтра Бесселя устанавливается наиболее быстро, а у эллиптического фильтра и фильтра Чебышева – наиболее медленно.
Рис.22.2. Графики амплитудно-частотных характеристик активных фильтров нижних частот четвертого порядка.
1- Фильтр Баттерворта; 2 - Фильтр Чебышева; 3 – инверсный фильтр Чебышева; 4 – эллиптический фильтр; 5 – фильтр Бесселя
Рассмотрим полиномиальные фильтры – фильтры Баттерворта, Чебышева и Бесселя. В соответствии с рекомендациями [2] для каждого типа фильтра и порядка фильтра даются коэффициенты «в» и «с». В нашей работе будут исследоваться фильтры первого и второго порядка. В таблице 22.1 представлены соответствующие коэффициенты для фильтров 2-го порядка.
Таблица 22.1
Коэффициенты |
Фильтр Баттерворда |
Фильтр Чебышева q=0,5gБ |
Фильтр Чебышева q=1gБ |
Фильтр Чебышева q=2gБ |
Фильтр Бесселя |
в |
1,4142 |
1,4256 |
1,0977 |
0,8038 |
3,000 |
с |
1,000 |
1,5162 |
1,1025 |
0,8231 |
3,000 |
Для реализации этих фильтров используются схемы:
- схема с многопетлевой обратной связью – схема Рауха (рис.22.4);
- источник напряжения, управляемый напряжением (схема Сален-КИ (рис.22.5));
- схема биквадратного звена (рис.22.6).
Вначале студент должен исследовать фильтр 1-го порядка (рис.22.3) и затем в соответствии с номером станции (бригады) студенты должны исследовать указанные им тип фильтра выполненный на основании трех схем Рис.22.4, 22.5, .22.6. Номер бригады и тип фильтра указывается в таблице 22.2.
Таблица 22.2
№ бригады |
Тип фильтра |
Вид схемы |
1 |
Фильтр Баттерворта |
Схема Саллен Ки; Схема Рауха; Схема биквадратного полиномиального фильтра |
2 |
Фильтр Чебышева; q1 =0,5 дБ |
- “ - |
3 |
Фильтр Чебышева; q1=1 дБ |
- “ - |
4 |
Фильтр Чебышева; q1=2 дБ |
- “ - |
5 |
Фильтр Бесселя |
- “ - |
6 |
Фильтр Баттерворта
|
- “ - |
7 |
Фильтр Бесселя
|
- “ - |