Лабораторна робота № 4 Дослідження активних фільтрів
Мета роботи: вивчення принципу роботи і дослідження основних характеристик активних фільтрів.
Обладнання: персональний комп'ютер з прикладним програмним забезпеченням – пакетом схемотехнічного моделювання Еlectronic work bench.
2. Теоретичні відомості
Фільтр - це схема, розрахована на пропускання сигналів у визначеній смузі частот і продавленим сигналів за межами цієї смуги. Коло фільтрації може бути пасивним і активним. Пасивні фільтри вміщують тільки резистори, котушки індуктивності і конденсатори.
Існує чотири типи фільтрів: фільтри нижніх і верхніх частот, смугові і загороджувальні (або режекторні) фільтри. Фільтр нижніх частот - це схема, напруга на виході якої незмінна від постійного струму до частоти зрізу fзр. По мірі збільшення частоти сигналу зверх fзр. вихідна напруга послаблюється (зменшується)(рис.2.1).
Рисунок. 2.1 – Фільтр нижніх частот
Фільтр верхніх частот послаблює вихідну напругу на всіх частотах, нижче частоти зрізу fзр. Вище fзр амплітуда напруги на виході фільтру постійна (рис 2.2).
Рисунок 2.2– Фільтр верхніх частот
Смугові фільтра пропускають сигнал тільки в визначеній смузі частот і послабляють всі частоти за межами цієї смуги (рис.2.3).
Рисунок 2.3 – Смуговий фільтр
Режекторні фільтри діють прямо протилежним чином, тобто вирізають визначену смугу частот, пропускаючи всі частоти за межами цієї смуги (рис.2.4).
Рисунок 2.4 – Режекторний фільтр
3. Лабораторне завдання
Фільтруючі елементи використовуються в блоках живлення для фільтрації сигналів, в якості коригувальних ланок в системах управління і т.п. Найбільш поширеним пасивним фільтром першого порядку є інтегруюча RC-ланцюг, що входить до складу розглянутого вище інтегратора, який може розглядатися як активний низькочастотний фільтр першого порядку. Цей же фільтр в техніці електроживлення називається Г-образним, в аудіотехніки - фільтром нижніх частот (ФНЧ), а в техніці управління - коригуючим або інтегруючою ланкою. Основними характеристиками фільтру є АЧХ і ФЧХ. Наприклад, для інтегруючого ланцюга на рис.3.1 вони описуються формулами 3.1-3.2:
(3.1)
(3.2)
Рисунок 3.1 – Схема пасивного ФНЧ першого порядку
Слід зазначити, що фільтри на базі RC-ланцюгів володіють своєрідною дуальністю. Якщо на рис.3.1 поміняти місцями елементи R і C, то отримаємо фільтр верхніх частот (ФВЧ).
3.1. Відкриваємо програму Electronics Workbench.
3.2. Будуємо схему пасивного ФНЧ першого порядку (рис. 3.2)
Рисунок 3.2 – Схема лабораторного стенда
3.3. В вікні Bode Plotter можемо спостерігати АЧХ даного фільтра (потрібно було натиснути Magnitute – АЧХ, Phase – ФЧХ)(рис. 3.3)
Рисунок 3.3 – АЧХ пасивного ФНЧ першого порядку
3.4. Будуємо схему фільтру другого порядку (послідовний RLC-ланцюг) (рис. 3.4).
RLC-ланцюг володіє явними резонансними властивостями, її АЧХ і ФЧХ описуються виразами:
(
(3.3)
(3.4)
Рисунок 3.4. – Схема лабораторного стенда
3.5. В вікні Bode Plotter можемо спостерігати АЧХ даного фільтра (рис. 3.5)
Рисунок 3.5 – АЧХ пасивного ФНЧ другого порядку
3.6. Будуємо схему активного RC – фільтру (рис. 3.6)
При практичній реалізації RLC-фільтрів (особливо низькочастотних) найбільші труднощі виникають з виготовленням котушок індуктивності, їх екрануванням, а при великих значеннях індуктивності - з проблемою маси і геометричних розмірів. З появою ОУ ці проблеми вирішені з використанням активних RC-фільтрів. З'явилися так звані безіндуктивні частотні фільтри. Як приклад на рис.3.6 наведена схема активного ФНЧ другого порядку на ОУ.
Рисунок 3.6 – Схема активного ФНЧ другого порядку
3.7. В вікні Bode Plotter можемо спостерігати АЧХ даного фільтра (рис. 3.7)
Рисунок 3.7 – АЧХ активного ФНЧ другого порядку
З смугових фільтрів найбільше поширення отримали фільтри, АЧХ яких описується поліномами Баттерворта, Чебишева і Бесселя; для розрахунку таких фільтрів застосовуються спеціальні таблиці.