ИССЛЕДОВАНИЕ АКТИВНЫХ ФИЛЬТРОВ

1. Цель работы

Исследование амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик ак­тивных фильтров на основе ОУ.

Рекомендуемая литература [ 1 - 6. 14].

2. Общие сведения

Любой фильтр (активный, пассивный, т. е. не содержащий усилителей) про­пускает со своего входа на выход лишь определённую часть спектра частот. Фильтры классифицируются в зависимости от пропускаемой части частотного спектра.

Фильтры нижних частот (ФНЧ) пропускают на выход частоты, начиная от нулевой (постоянный ток) и до некоторой заданной частоты среза fcp, и ослаб­ляют частоты, превышающие fcp. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) такого фильтра показана на рис. 4.1.

Диапазон частот от нуля до fcp называется полосой пропускания, а диапа­зон частот, превышающих fп, - полосой подавления (или заграждения). Интер­вал частот между fcpи fn называется переходным участком, а скорость, с кото­рой на этом участке изменяется величина ослабления, является важной характе­ристикой фильтра.

Частота среза f_Cp - это частота, при которой Uвых фильтра падает до уровня 0,707 от напряжения в полосе пропускания, т.е. падает на 3дБ; fn - частота, при которой Uвых составляет 0,1 от Uвых в полосе пропускания.

Фильтры верхних частот (ФВЧ) ослабляют частоты, начиная от нулевой и до частоты fср и пропускают все частоты, начиная с f_Cp и до верхнего частотного предела схемы. АЧХ фильтра ВЧ показана на рис. 4.2

Полосовой фильтр (рис. 4.3) пропускает частоты в полосе между нижней частотой среза f₁ и верхней частотой среза f₂. Все частоты ниже f₁ и выше f₂ ос­лабляются. Диапазоны частот от f’₁до f₁ и от f₂до f'₂ являются переходными участками. Геометрическое среднее частот f₁и f₂ называется средней централь­ной частотой (f₀), т.е. f₀ =

Режекторный полосовой фильтр (заграждения) ослабляет частоты между f₁ и f₂ и пропускает все остальные. АЧХ такого фильтра представляет собой зер­кальное отображение характеристики полосового фильтра.

Активные фильтры имеют по сравнению с пассивными следующие пре­имущества: 1) в них используются только сопротивления и конденсаторы, т.е. компоненты, свойства которых ближе к идеальным, чем свойства катушек ин­дуктивности; 2) они относительно дешевы; 3) они могут обеспечивать усиление в полосе пропускания и, в отличие от пассивных фильтров, редко вносят суще­ственные потери; 4) использование в активных фильтрах ОУ обеспечивает раз­вязку входа от выхода, поэтому активные фильтры целесообразно делать много­каскадными, что улучшает их показатели; 5) активные фильтры относительно легко настраивать; 6) фильтры для очень низких частот могут быть построены из компонентов, имеющих умеренные значения параметров; 7) активные фильтры невелики по размерам и массе.

Активные фильтры имеют и недостатки. Они нуждаются в источнике пита­ния, их рабочий диапазон частот ограничен сверху максимальной рабочей часто­той ОУ. Для обеспечения высокого качества работы активных фильтров в их схемах следует использовать компоненты, параметры которых имеют малый раз­брос. Сопротивления и конденсаторы должны иметь малые температурные ко­эффициенты и малый временной дрейф параметров.

3. Программа работы.

3.1 Ознакомиться с лабораторным макетом 4 для исследования активных фильтров.

3.2. Исследовать амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики активных фильтров схем 1-3 макета (рис.4.4 - 4.6.).

3.3. Исследовать амплитудно-частотную характеристику универсального фильтра (схема 4, рис.4.7.); фильтра ВЧ, фильтра НЧ ( выход 2), фильтра ПП ( выход 1), фильтра-пробки.

3.4. Исследовать амплитудно-частотные характеристики звеньев многокаскадного фильтра ( рис.4.8 ) и общую АЧХ фильтра.

Рис. 4.5. Активный фильтр (схема 2 макета)

Рис. 4.6. Активный фильтр (схема 3 макета)

Рис. 4.7. Универсальный фильтр

4. Экспериментальные исследования

4.1.Ознакомиться с лабораторным стендом.

4.2. Исследовать схему фильтра ИНУН (источник напряжения управляе­мый напряжением) (рис. 4.4). Для снятия АЧХ фильтров можно использовать встроенный в макет генератор сигнала синусоидальной формы с перестраивае­мой частотой.

Цифровой генератор сигнала с перестраиваемой частотой предназначен для исследования амплитудно-частотных характеристик фильтров, усилителей низ­кой частоты и т.п. Генератор может работать в двух режимах, выбираемых пере­ключателем SА9 «Дискрет/ГКЧ» (рис. 4.9).

В первом режиме (режиме генерации сетки частот) генерируется частота, оп­ределяемая положением переключателей SА1 - SА8. Величина частоты находит­ся суммированием весовых коэффициентов всех включенных переключателей и может принимать значения от 100 до 25600 Гц с шагом 100 Гц. Во втором режи­ме (режиме генератора качающейся частоты) осуществляется генерация сигнала качающейся частоты. Нижняя граница качания частоты определяется по вклю-

ченным переключателям SА1 - SА4 и может изменяться от 100 до 1500 Гц с ша­гом 100 Гц. Верхняя граничная частота определяется переключателями SА5 -SА8 и изменяется от 1,6 до 24 кГц с шагом 1,6 кГц.

На переднюю панель макета кроме переключателей SА1 - SА8 выведены гнезда выходного сигнала (амплитудой 1 и 0.1 В), гнездо выхода синхронизации для подачи сигнала синхронизации в режиме ГКЧ на вход X осциллографа, гнез­до «Метки частоты» - для подачи на второй вход двулучевого осциллографа ме­ток для отсчета частоты. Импульс метки появляется в момент времени, когда частота выходного сигнала генератора принимает значения 1. 2, 3,.... 25 кГц.

Для изучения АЧХ устройства на его вход подается сигнал с гнезда «Выход» генератора, выход устройства подключается к входу осциллографа Y1, сигнал с гнезда «Метки частоты» подается на вход Y2, осциллограф переключается в ре­жим внешней синхронизации и на вход синхронизации подается сигнал с гнезда «Выход синхронизации» генератора.

Примечания

1. В режиме ГКЧ при выключенных тумблерах установки нижней частоты SА1 —SА4 нижняя частота автоматически устанавливается 100 Гц.

2. В этом же режиме при отсутствии установки верхней граничной часто­ты генератор выдает фиксируемую частоту, определяемую положением тумбле­ров.

3. В случае установки в режиме ГКЧ нижней граничной частоты 1 кГц и более метки частоты не соответствуют частотам 1, 2, 3 кГц и т.д., хотя относи­тельное расстояние между метками равно 1 кГц.

Рис. 4.8. Многокаскадный фильтр (схема 5 макета)

Рис. 4.9. Цифровой генератор сигнала с перестраиваемой частотой

4.3. Предварительно рассчитать схему фильтра ИНУН (рис.4.4), реализую­щую фильтр НЧ Баттерворта второго порядка. Установить Fср = 2 кГц, а = 1,414, К = 23К4.

4.4. Подать на вход схемы (рис. 4.4) сигнал с генератора качающейся часто­ты. Выход схемы подключить на вход осциллографа. Засинхронизировать раз­вёртку осциллографа импульсами синхронизации со встроенного генератора. На второй вход осциллографа подать метки частоты и совместить их с изображе­ниями АЧХ фильтра.

4.5. Для снятия фазочастотной характеристики (ФЧХ) фильтра использовать генератор синусоидальных сигналов ГЗ-112 и двулучевой осциллограф С1-93. Исследования провести для фильтров НЧ и ВЧ Баттерворта и Чебышева.

4.6. Исследовать АЧХ и ФЧХ других фильтров макета 4 (рис. 4.5 - 4.8).

5.Оформление отчета и анализ

полученных результатов

5.1. Вычерчиваются схемы (по указанию преподавателя) и приводится их краткое описание. Схемы выполняются согласно требованиям ГОСТа.

5.2. Производятся расчёты, которые требуются в разделе «Эксперименталь­ные исследования», сравниваются результаты теоретических расчётов и экспе­риментов.

5.3. Приводятся диаграммы АЧХ и ФЧХ, полученные расчетным и экспе­риментальным путями.

5.4. Объясняются полученные зависимости и даются практические оценки полученных результатов.

6. Контрольные вопросы

6.1. Назовите четыре преимущества активных фильтров перед пассивными.

6.2. Нарисуйте АЧХ фильтров НЧ, ВЧ, ППФ и заграждающего фильтра. Обозначьте на рисунках полосу пропускания, полосу заграждения (подавления) и переходный участок.

6.4. Укажите связь между числом полюсов активного фильтра и наклоном характеристики на переходном участке.

6.5. Перечислите преимущества каждого из следующих типов фильтров: Баттерворта. Чебышева и Бесселя.

6.6. Укажите связь между величиной коэффициента затухания фильтра и его частотной характеристикой вблизи Fср.

Лабораторная работа № 5

Дата добавления: 2014-10-10; просмотров: 1373; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!