Полосовой фильтр на ОУ. Расчет полосового фильтра
Полосовые фильтры используются во многих областях электроники. Особенно они широко используется в схемах радиоприема и радиопередачи, в частности в резонансных контурах.
Однако и для низких частот, активный полосовой фильтр является эффективным средством выделения сигнала промежуточных частот.
Для этих фильтров наиболее широко используемым активным элементом является операционный усилитель (ОУ).
Полосовые фильтры на ОУ легко проектировать и строить, поскольку для этого необходимо минимум компонентов. В дополнение к этому, они обеспечивают очень высокий уровень производительности.
Что такое полосовой фильтр
Как следует из названия, полосовой фильтр фильтрует все частоты, пропуская только частоты находящиеся в определенном диапазоне. Все частоты за пределами данного частотного диапазона ослабляются.
Есть два основных параметра определяющие характеристики полосового фильтра: полоса пропускания, где фильтр пропускает сигналы и полоса затухания, в которой сигналы ослабляются.
Идеальный полосовой фильтр имеет ровную полосу пропускания (усиление и отсутствие затухания сигнала по всей полосе пропускания) и полное затухание вне полосы пропускания. Кроме того, переход из полосы пропускания абсолютно резкий.
Но на практике невозможно создать идеальный полосовой фильтр. Реальный фильтр неспособен полностью задержать все частоты за границами желаемого диапазона частот.
В частности, имеется область в непосредственной близости у границы заданного диапазона, где сигнал частично ослабляется, но не отфильтровывается полностью. Эта область носит название крутизна спада фильтра, и измеряется в дБ затухания на октаву.
Как правило, при проектировании, стремятся сделать данный спад как можно более узким, что позволяет получить фильтр максимально приближенным к заданным параметрам.
Расчет полосового фильтра
Расчет полосового фильтра может стать очень сложным занятием даже при использовании операционных усилителей. Тем не менее можно немного упростить методику расчета, и в то же время сохранить производительность полосового фильтра на ОУ на приемлемом уровне.
Данная схема и методика расчета представляют собой хороший баланс между производительностью и простотой конструкцией фильтра.
Из рисунка видно, что помимо операционного усилителя схема еще содержит два конденсатора и три резистора.
Пример упрощенного расчета элементов полосового фильтра на ОУ
Входные данные:
- Резонансная частота f = 20Гц.
- Добротность Q = 10.
- Коэффициент передачи Hо = 5
Так как fmax – fmin = f / Q = 2Гц,
то полоса пропускания составит fmax = 21 Гц, fmin=19 Гц.
Будем исходить из того, что C1=C2=C=1мкФ
Тогда сопротивления резисторов можно рассчитать по следующим формулам:
В нашем случае получим следующие результаты:
R1 = 10 / (5*2*3,14*20*0,000001) = 15,9 кОм
R2 = 10 / ((2*10*10-5)*2*3,14*20*0,000001) = 408 Ом
R3 = 2*10 / (2*3,14*20*0,000001) = 159,2 кОм
В схеме с одним операционным усилителем, желательно, чтобы коэффициент передачи не превышал 5 и добротность была не более 10. Для получения качественного фильтра параметры резисторов и конденсаторов должны как можно ближе соответствовать расчетным значениям.
Источник: http://www.joyta.ru/7299-polosovoj-filtr-na-ou-raschet-polosovogo-filtra/
Операционные усилители (на основе простейших примеров): часть 3
Продолжаю спамить писать на тему операционных усилителей. В этой статье постараюсь дать обзор одной из важнейших тем, связанной с ОУ. Итак, добро пожаловать, активные фильтры.
Возможно, Вы уже сталкивались с моделями RC-, LC- и RLC-фильтров. Они вполне подходят для большинства задач.
Но для некоторых целей очень важно иметь фильтры с более плоскими характеристиками в полосе пропускания и более крутыми склонами. Вот тут нам и нужны активные фильтры.
Для освежения в памяти, напомню, какие бывают фильтры:
Фильтр Нижних Частот (ФНЧ) — пропускает сигнал, который ниже определенной частоты (ее еще именуют частотой среза). Википедия
Фильтр Высоких Частот (ФВЧ) — пропускает сигнал выше частоты среза. Википедия
Полосовой Фильтр — пропускает только определенный диапазон частот. Википедия
Режекторный Фильтр — задерживает только определенный диапазон частот. Википедия Ну еще немного лирики. Посмотрите на амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) ФВЧ. На этом графике ничего интересного пока не ищите, а просто обратите внимание на участки и их названия:
Самые банальные примеры активных фильтров можно подсмотреть здесь в разделе «Интеграторы и дифференциаторы». Но в данной статье эти схемы трогать не будем, т.к. они не очень эффективны.
Выбираем фильтр
Предположим, что Вы уже определились с частотой, которую хотите фильтровать. Теперь нужно определиться с типом фильтра. Точнее нужно выбрать его характеристику. Иными словами, как фильтр будет себя «вести». Основными характеристиками являются:
Фильтр Баттерворда — обладает самой плоской характеристикой в полосе пропускания, но имеет плавный спад.
Фильтр Чебышева — обладает самым крутым спадом, но у него самые неравномерные характеристики в полосе пропускания.
Фильтр Бесселя — имеет хорошую фазочастотную характеристику и вполне «приличный» спад. Считается лучшим выбором, если нет специфического задания.
Еще немного информации
Предположим, и с этим заданием вы справились. И теперь можно смело приступить к расчетам. Есть несколько методов расчета. Не будем усложнять и воспользуемся самым простым. А самый простой — это «табличный» метод.
Таблицы можно найти в соответствующей литературе. Чтобы Вы долго не искали, приведу из Хоровица и Хилла «Искусство Схемотехники». Для ФНЧ:Скажем так, это все Вы могли бы найти и прочитать и в литературе.
Перейдем конкретно к проектированию фильтров.
Расчет
В данном разделе попытаюсь кратко «пробежаться» по всем типам фильтров.
Итак, задание # 1. Построить фильтр низких частот второго порядка с частотой среза 150 Гц по характеристике Баттерворда.
Приступим. Если мы имеем фильтр n-ного четного порядка, это означает, что в нем будет n/2 операционников. В данном задании — один. Схема ФНЧ:
Для данного типа расчета берется во внимание, что R1 = R2, C1 = C2.
Смотрим в табличку. Видим, что К = 1.586. Это нам пригодится чуть позже. Для фильтра низких частот справедливо:
, где, разумеется,
— это частота среза.
Сделав подсчет, получаем. Теперь займемся подбором элементов. С ОУ определились — «идеальный» в количестве 1 шт. Из предыдущего равенства можно предположить, что нам не принципиально, какой элемент выбирать «первым». Начнем с резистора. Лучше всего, чтоб его значение сопротивления были в пределах от 2кОм до 500кОм. На глаз, пусть он будет 11 кОм. Соответственно, емкость конденсатора станет равной 0.1 мкФ. Для резисторов обратной связи значение R берем произвольно. Я обычно беру 10 кОм. Тогда, для верхнего значение К возьмем из таблицы. Следовательно, нижний будет иметь значение сопротивления R = 10 кОм, а верхний 5.8 кОм. Соберем и промоделируем АЧХ.
Задание # 2. Построить фильтр высоких частот четвертого порядка с частотой среза 800 Гц по характеристике Бесселя.
Решаем. Раз фильтр четвертого порядка, то в схеме будет два операционника. Тут все совсем не сложно. Мы просто каскадно включаем 2 схемы ФВЧ. Сам фильтр выглядит так:Фильтр же четвертого порядка выглядит:
Теперь расчет. Как видим, для фильтра четвертого порядка у нас аж 2 значения К.
Логично, что первое предназначается для первого каскада, второе — для второго. Значения К равны 1.432 и 1.606 соответсвенно. Таблица была для фильтров низких частот (!). Для расчета ФВЧ надо кое-что изменить. Коэффициенты К остаются такими же в любом случае. Для характеристик Бесселя и Чебышева изменяется параметр
— нормирующая частота.
Она будет равна теперь:
Для фильтров Чебышева и Бесселя как для нижних частот, так и для высоких справедлива одна и та же формула:Учтите, что для каждого отдельного каскада придется считать отдельно. Для первого каскада:
Пусть С = 0.01 мкФ, тогда R = 28.5 кОм. Резисторы обратной связи: нижний, как обычно, 10 кОм; верхний — 840 Ом.
Для второго каскада:
Емкость конденсатора оставим неизменной. Раз С = 0.01 мкФ, то R = 32 кОм. Строим АЧХ.Для создания полосового или режекторного типа фильтров можно каскадно соединить ФНЧ и ФВЧ. Но такими типами, зачастую, не пользуются из-за плохих характеристик.
Для полосовых и режекторных фильтров также можно использовать «табличный метод», но тут немного другие характеристики. Приведу сразу табличку и немного ее объясню. Чтоб сильно не растягивать — значения взяты сразу для полосового фильтра четвертого порядка.
a1 и b1 — расчетные коэффициенты. Q — добротность. Это новый параметр.
Чем значение добротности больше — тем более «резким» будет спад. Δf — диапазон пропускаемых частот, причем выборка идет на уровне -3 дБ. Коэффициент α — еще один расчетный коэффициент. Его можно найти используя формулы, которые довольно легко найти в интернете. Ну ладно, хватит. Теперь рабочее задание.
Задание # 3.
Построить полосовой фильтр четвертого порядка по характеристике Баттерворда с центральной частотой 10 кГц, шириной пропускаемых частот 1 кГц и коэффициентом усиления в точке центральной частоты равным 1.
Поехали. Фильтр четвертого порядка. Значит два ОУ. Типовую схему приведу сразу с расчтными элементами.Для первого фильтра центральная частота определяется как:Для второго фильтра:
Конкретно в нашем случае, опять же из таблицы, определяем, что добротность Q = 10. Рассчитываем добротность для фильтра. Причем, стоит отметить, что добротность обоих будет равна.
Поправка усиления для области центральной частоты:Финальная стадия — расчет компонентов. Пусть конденсатор будет равен 10 нФ. Тогда, для первого фильтра:
В том же порядке, что и (1) находим R22 = R5 = 43.5 кОм, R12 = R4 = 15.4 кОм, R32 = R6 = 54.2 Ом. Только учтите, что для второго фильтра используемНу и на последок, АЧХ.
https://www.youtube.com/watch?v=N4v8giYY444
Следующая остановка — полосно-заграждающие фильтры или режекторные. Тут есть несколько вариаций. Наверное, самый простой — это фильтр Вина-Робинсона (англ. Active Wien-Robinson Filter). Типовая схема — тоже фильтр 4го порядка.Наше последнее задание.
Задание # 4.
Построить режекторный фильтр с центральной частотой 90 Гц, добротностью Q = 2 и коэффициентом усиления в полосе пропускания равным 1.
Прежде всего, произвольно выбираем емкость конденсатора. Допустим, С = 100 нФ.
Определим значение R6 = R7 = R:
Логично, что «играясь» с этими резисторами, мы можем изменять диапазон частот нашего фильтра. Далее, нам надо определить промежуточные коэффициенты. Находим их через добротность.
Выберем произвольно резистор R2. В данном конкретном случае, лучше всего, чтобы он равнялся 30 кОм. Теперь можем найти резисторы, которые будут регулировать коэффициент усиления в полосе пропускания.
И на последок, необходимо произвольно выбрать R5 = 2R1. У меня в схеме эти резисторы имеют значение 40 кОм и 20 кОм соответственно. Собственно, АЧХ:
Практически конец
Кому интересно узнать немного больше, могу посоветовать почитать Хоровица и Хилла «Искусство схемотехники». Также, D. Johnson «A handbook of active filters».
Википедия
Также, кому не очень нужны расчеты, а нужны именно сами фильтры, могу посоветовать полезный софт
P.S.
Источник: https://habr.com/post/112996/
Активные фильтры на ОУ
Активные фильтры реализуются на основе усилителей (обычно ОУ) и пассивных RC- фильтров. Среди преимуществ активных фильтров по сравнению с пассивными следует выделить:
· отсутствие катушек индуктивности;
· лучшая избирательность;
· компенсация затухания полезных сигналов или даже их усиление;
· пригодность к реализации в виде ИМС.
Активные фильтры имеют и недостатки:
¨ потребление энергии от источника питания;
¨ ограниченный динамический диапазон;
¨ дополнительные нелинейные искажения сигнала.
Отметим так же, что использование активных фильтров с ОУ на частотах свыше десятков мегагерц затруднено из-за малой частоты единичного усилениябольшинства ОУ широкого применения. Особенно преимущество активных фильтров на ОУ проявляется на самых низких частотах, вплоть до долей герц.
В общем случае можно считать, что ОУ в активном фильтре корректирует АЧХ пассивного фильтра за счет обеспечения разных условий для прохождения различных частот спектра сигнала, компенсирует потери на заданных частотах, что приводит к получению крутых спадов выходного напряжения на склонах АЧХ. Для этих целей используются разнообразные частотно-избирательные ОС в ОУ. В активных фильтрах обеспечивается получение АЧХ всех разновидностей фильтров: нижних частот (ФНЧ), верхних частот (ФВЧ) и полосовых (ПФ).
Первым этапом синтеза всякого фильтра является задание передаточной функции (в операторной или комплексной форме), которая отвечает условиям практической реализуемости и одновременно обеспечивает получение необходимой АЧХ или ФЧХ (но не обеих) фильтра. Этот этап называют аппроксимацией характеристик фильтра.
Операторная функция представляет собой отношение полиномов:
K(p)=A(p)/B(p),
и однозначно определяется нулями и полюсами. Простейший полином числителя – константа.
Число полюсов функции (а в активных фильтрах на ОУ число полюсов обычно равно числу конденсаторов в цепях, формирующих АЧХ) определяет порядок фильтра.
Порядок фильтра указывает на скорость спада его АЧХ, которая для первого порядка составляет 20дБ/дек, для второго – 40дБ/дек, для третьего – 60дБ/дек и д.д.
Задачу аппроксимации решают для ФНЧ, затем с помощью метода инверсии частоты полученную зависимость используют для других типов фильтров. В большинстве случаев задают АЧХ, принимая нормированный коэффициент передачи:
,
где f(х) – функция фильтрации;- нормированная частота;- частота среза фильтра; e – допустимое отклонение в полосе пропускания.
В зависимости от того, какая функция принимается в качестве f(х) различают фильтры (начиная со второго порядка) Баттерворта, Чебышева, Бесселя и др. На рисунке 7.15 приведены их сравнительные характеристики.
Фильтр Баттерворта (функция Батерворта) описывает АЧХ с максимально плоской частью в полосе пропускания и относительно небольшой скоростью спада. АЧХ такого ФНЧ может быть представлена в следующем виде:
,
где n – порядок фильтра.
Фильтр Чебышева (функция Чебышева) описывает АЧХ с определенной неравномерностью в полосе пропускания, но не большей скоростью спада.
Фильтр Бесселя характеризуется линейной ФЧХ, в результате чего сигналы, частоты которых лежат в полосе пропускания, проходят через фильтр без искажений. В частности, фильтры Бесселя не дают выбросов при обработке колебаний прямоугольной формы.
Помимо перечисленных аппроксимаций АЧХ активных фильтров известны и другие, например, обратного фильтра Чебышева, фильтра Золотарева и т.д. Заметим, что схемы активных фильтров не изменяются в зависимости от типа аппроксимации АЧХ, а изменяются соотношения между номиналами их элементов.
Простейшие (первого порядка) ФВЧ, ФНЧ, ПФ и их ЛАЧХ приведены на рисунке 7.16.
В этих фильтрах конденсатор, определяющий частотную характеристику, включен в цепь ООС.
Для ФВЧ (рисунок 7.16а) коэффициент передачи равен:
,
где.
Частоту сопряжения асимптотнаходят из условия, откуда
.
Для ФНЧ (рисунок 7.16б) имеем:
,
.
где.
В ПФ (рисунок 7.16в) присутствуют элементы ФВЧ и ФНЧ.
Можно увеличить крутизну спада ЛАЧХ, если увеличить порядок фильтров. Активные ФНЧ, ФВЧ и ПФ второго порядка приведены на рисунке 7.17.
Наклон асимптот у них может достигать 40дБ/дек, а переход от ФНЧ к ФВЧ, как видно из рисунков 7.17а,б, осуществляется заменой резисторов на конденсаторы, и наоборот. В ПФ (рисунок 7.17в) имеются элементы ФВЧ и ФНЧ. Передаточные функции равны [13]:
¨ для ФНЧ:
;
¨ для ФВЧ:
;
¨ для ПФ:
.
Для ПФ резонансная частота равна:
.
Для ФНЧ и ФВЧ частоты среза соответственно равны:
;
.
Довольно часто ПФ второго порядка реализуют с помощью мостовых цепей. Наиболее распространены двойные Т-образные мосты, которые “не пропускают” сигнал на частоте резонанса (рисунок 7.18а) и мосты Вина, имеющие максимальный коэффициент передачи на резонансной частоте(рисунок 7.18б).
Мостовые схемы включены в цепи ПОС и ООС. В случае двойного Т-образного моста глубина ООС минимальна на частоте резонанса, и усиление на этой частоте максимально.
При использовании моста Вина, усиление на частоте резонанса максимально, т.к. максимальна глубина ПОС. При этом для сохранения устойчивости глубина ООС, введенной с помощью резисторови, должна быть больше глубины ПОС.
Если глубины ПОС и ООС близки, то такой фильтр может иметь эквивалентную добротность Q»2000.
Резонансная частота двойного Т-образного моста прии, и моста Вина прии, равна, и ее выбирают исходя из условия устойчивости, т.к. коэффициент передачи моста Вина на частотеравен 1/3.
Для получения режекторного фильтра двойной Т-образный мост можно включить так, как показано на рисунке 7.18в, или мост Вина включить в цепь ООС.
Для построения активного перестраемого фильтра обычно используют мост Вина, у которого резисторыивыполняют в виде сдвоенного переменного резистора.
Возможно построение активного универсального фильтра (ФНЧ, ФВЧ и ПФ), вариант схемы которого приведен на рисунке 7.19.
В его состав входят сумматор на ОУи два ФНЧ первого порядка на ОУи, которые включены последовательно. Если, то частота сопряжения. ЛАЧХ имеет наклон асимптот порядка 40дБ/дек. Универсальный активный фильтр имеет хорошую стабильность параметров и высокую добротность (до 100). В серийных ИМС довольно часто используется подобный принцип построения фильтров.
Гираторы
Гиратором называется электронное устройство, преобразующее полное сопротивление реактивных элементов. Обычно это преобразователь емкости в индуктивность, т.е. эквивалент индуктивности. Иногда гираторы называют синтезаторами индуктивностей.
Широкое распространение гираторов в ИМС объясняется большими трудностями изготовления катушек индуктивностей с помощью твердотельной технологии.
Использование гираторов позволяет получить относительно большую индуктивность с хорошими массогабаритными показателями.
На рисунке 7.20 приведена электрическая схема одного из вариантов гиратора, представляющего собой повторитель на ОУ, охваченный частотно-избирательной ПОС (и).
Поскольку с увеличением частоты сигнала емкостное сопротивление конденсаторауменьшается, то напряжение в точке а будет возрастать. Вместе с ним будет возрастать напряжение на выходе ОУ.
Увеличенное напряжение с выхода по цепи ПОС поступает на неинвертирующий вход, что приводит к дальнейшему росту напряжения в точке а, причем тем интенсивнее, чем выше частота.
Таким образом, напряжение в точке а ведет себя подобно напряжению на катушке индуктивности. Синтезированная индуктивность определяется по формуле [12]:
.
Добротность гиратора определяется как [12]:
.
Одной из основных проблем при создании гираторов является трудность в получении эквивалента индуктивности, у которой оба вывода не соединены с общей шиной. Такой гиратор выполняется, как минимум, на четырех ОУ. Другой проблемой является относительно узкий диапазон рабочих частот гиратора (до нескольких килогерц на ОУ широкого применения).
Дата добавления: 2016-06-18; просмотров: 6577;
Источник: https://poznayka.org/s19132t1.html
Активные фильтры
Электрическим фильтром называется устройство для передачи электрических сигналов, пропускающее токи в определенной области частот и препятствующее их прохождению вне этой области. В радиотехнике и электронике электрические фильтры подразделяют на пассивные и активные. Схемы пассивных фильтров содержат только пассивные элементы: резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности.
В схемы активных фильтров помимо указанных элементов входят такие активные изделия, как транзисторы или интегральные микросхемы. Фильтрующие свойства устройства определяются его амплитудно-частотной характеристикой, которой называется зависимость коэффициента усиления этого устройства от частоты сигнала.
В некоторой области частот, которая называется полосой пропускания или полосой прозрачности, электрические колебания передаются фильтром с входа на выход практически без ослабления. Вне полосы прозрачности расположена полоса затухания или задерживания, в пределах которой частотные составляющие сигнала ослабляются.
Между полосой прозрачности и полосой задерживания находится частота, называемая граничной.
В связи с тем что существует плавный переход между полосой прозрачности и полосой затухания, граничной обычно считается частота, на которой ослабление сигнала оказывается равным -3 дБ – то есть по напряжению в √2 раз меньше, чем в полосе прозрачности.
Всегда интересно получить крутой переход амплитудно-частотной характеристики между полосой прозрачности и полосой затухания.
В пассивных фильтрах увеличения крутизны такого перехода добиваются усложнением схемы и применением многозвенных систем. Сложные фильтры требуют громоздких расчетов и точной настройки.
Активные фильтры благодаря использованию обратной связи оказываются значительно проще и дешевле.
Принято подразделять фильтры на четыре категории в зависимости от расположения полосы прозрачности:
• фильтры нижних частот (0 ≤ f ≤ f0);
• фильтры верхних частот (f ≥ f0);
• полосовые фильтры (f01 ≤ f ≤ f02);
• заграждающие или режекторные фильтры (0 ≤ f ≤ f01 и f ≥ f02).
Здесь f – частота сигналов, проходящих через фильтр; f0 -граничная частота; f01 – нижняя граничная частота; f02 – верхняя граничная частота.
Таким образом, фильтр нижних частот nponycкает составляющие сигнала, частота которых меньше граничной частоты; фильтр верхних частот пропускает составляющие сигнала, частота которых больше граничной частоты; полосовой фильтр пропускает составляющие сигнала, частота которых находится между нижней граничной частотой f01 и верхней граничной частотой f02; наконец режекторный фильтр ослабляет сигналы, частота которых находится между нижней граничной f01 и верхней граничной f02 частотами. Существуют и более сложные фильтры специального назначения, например гребенчатый фильтр, применяемый в цветном телевидении, пропускающий много узких полос и ослабляющий промежутки между ними.
Электрические фильтры находят широкое применение в электротехнике, радиотехнике и электронике.
Так на выходе выпрямителей используется фильтр нижних частот, пропускающий только постоянную составляющую выпрямленного тока и ослабляющий прохождение пульсаций.
В радиоприемниках широко используются полосовые фильтры, которые позволяют выделить из принятых антенной сигналов множества радиостанций только один, полоса частот которого оказывается в полосе прозрачности фильтра.
Принято еще одно деление всех фильтров на две категории: фильтры, схема которых содержит катушки индуктивности, и фильтры без индуктивностей, RC-фильтры или резисторно-конденсаторные фильтры.
Активные резисторно-конденсаторные фильтры имеют огромное преимущество перед их пассивными аналогами, особенно на частотах ниже 10 кГц. Пассивные фильтры для низких частот должны содержать катушки большой индуктивности и конденсаторы большой емкости. Поэтому они получаются громоздкими, дорогостоящими, а их характеристики оказываются далеко не идеальными.
Большая индуктивность достигается за счет большого числа витков катушки и применения ферромагнитного сердечника.
Это лишает ее свойств чистой индуктивности, так как длинный провод многовитковой катушки обладает заметным сопротивлением, а ферромагнитный сердечник подвержен влиянию температуры на его магнитные свойства.
Необходимость же использования большой емкости вынуждает применять конденсаторы, обладающие плохой стабильностью, например электролитические. Активные фильтры в значительной мере лишены указанных недостатков.
Схемы дифференциатора и интегратора, построенные с применением операционных усилителей, представляют собой простейшие активные фильтры.
При выборе элементов схемы в определенной зависимости от частоты дифференциатор становится фильтром верхних частот, а интегратор – фильтром нижних частот. Далее будут рассмотрены примеры других более сложных и наиболее универсальных фильтров.
Большое количество других возможных схем активных фильтров вместе с их детальным математическим анализом можно найти в разных учебниках и пособиях.
Фильтры нижних частот
Если объединить схему инвертирующего усилителя со схемой интегратора, образуется схема фильтра нижних частот первого порядка, которая показана на рис. 1.
Рис. 1. Схема активного фильтра нижних частот первого порядка
Такой фильтр представляет собой инвертирующий усилитель, обладающий постоянным коэффициентом усиления в полосе прозрачности от постоянного тока до граничной частоты f0. Видно, что в пределах полосы прозрачности, пока емкостное сопротивление конденсатора достаточно велико, коэффициент усиления схемы совпадает с коэффициентом усиления инвертирующего усилителя:
Граничная частота этого фильтра определяется элементами цепи обратной связи в соответствии с выражением:
Амплитудно-частотная характеристика – зависимость амплитуды сигнала на выходе устройства от частоты при постоянной амплитуде на входе этого устройства – представлена на рис.2.
Рис. 2. Амплитудно-частотная характеристика фильтра нижних частот первого порядка
В полосе затухания выше граничной частоты f0 усиление уменьшается с интенсивностью 20 дБ/декада (или 6 дБ/октава), что означает уменьшение коэффициента усиления по напряжению в 10 раз при увеличении частоты также в 10 раз или уменьшение коэффициента усиления в два раза при каждом удвоении частоты.
Если такой крутизны наклона амплитудно-частотной характеристики в полосе затухания недостаточно, можно использовать фильтр нижних частот второго порядка, схема которого показана на рис.З.
Рис. З. Принципиальная схема активного фильтра нижних частот второго порядка
Коэффициент усиления фильтра нижних частот второго порядка такой же, как у фильтра первого порядка, в связи с тем что суммарное сопротивление резисторов в цепи инверсного входа, как и ранее, выражается значением R1:
Граничная частота при выполнении условия R1C1 = 4R2C2 также выражается прежней формулой:
Что касается амплитудно-частотной характеристики этого фильтра, представленной на рис. 4, то она отличается повышенной крутизной наклона, которая составляет 12 дБ/октава.
Рис. 4. Амплитудно-частотная характеристика фильтра нижних частот второго порядка
Таким образом, в полосе затухания при увеличении частоты вдвое напряжение сигнала на выходе фильтра уменьшается в четыре раза.
Фильтры верхних частот
Аналогично построена схема фильтра верхних частот, которая представлена на рис.5. Такой фильтр является инвертирующим усилителем с постоянным коэффициентом усиления в полосе прозрачности от частоты f0 и более. В полосе прозрачности коэффициент усиления схемы такой же, как у инвертирующего усилителя:
Рис.5. Принципиальная схема активного фильтра верхних частот первого порядка
Граничная частота f0 на уровне -3 дБ задается входной цепью в соответствии с выражением:
Крутизна наклона амплитудно-частотной характеристики, которая представлена на рис.6, в области граничной частоты составляет 6 дБ/октава.
Рис.6. Амплитудно-частотная характеристика фильтра верхних частот первого порядка
Как и в случае фильтров нижних частот, можно собрать активный фильтр верхних частот второго порядка в целях повышенного подавления сигнала в полосе затухания. Принципиальная схема такого фильтра показана на рис.7.
Рис.7. Принципиальная схема активного фильтра верхних частот второго порядка
Крутизна наклона амплитудно-частотной характеристики фильтра верхних частот второго порядка в области граничной частоты составляет 12 дБ/октава, а сама характеристика показана на рис.8.
Рис.8. Амплитудно-частотная характеристика фильтра верхних частот второго порядка
Полосовые фильтры
Если объединить активный фильтр нижних частот с активным фильтром верхних частот, то в результате образуется полосовой фильтр, принципиальная схема которого приведена на рис.9.
Рис. 9. Принципиальная схема активного полосового фильтра
Эту схему иногда называют избирательным усилителем с ин-тегродифференцирующей обратной связью. Подобно усилителям, содержащим колебательные контуры, полосовой фильтр также имеет амплитудно-частотную характеристику с выраженным максимумом на определенной частоте.
Называть такую частоту резонансной нельзя, так как резонанс возможен только в контурах, образованных индуктивностью и емкостью. В других случаях частоту такого максимума обычно называют частотой квазирезонанса.
Для рассматриваемого полосового фильтра частота квазирезонанса f0 определяется элементами цепи обратной связи:
Амплитудно-частотная характеристика этого полосового фильтра показана на рис. 10.
Рис.10. Амплитудно-частотная характеристика полосового фильтра
Максимальный коэффициент усиления на частоте квазирезонанса оказывается равным:
Относительная полоса пропускания на уровне -3 дБ:
Принципиальная схема еще одного полосового фильтра приведена на рис. 11.
Рис. 11. Принципиальная схема полосового фильтра с двойным Т-фильтром
Здесь в цепь отрицательной обратной связи включен двойной Т-фильтр, образованный резисторами R2, R3, R5 и конденсаторами Cl, С2, СЗ.
Как известно, если выполняются следующие условия:
амплитудно-частотная характеристика двойного Т-фильтра содержит квазирезонанс, частота которого равна
причем на частоте квазирезонанса коэффициент передачи двойного Т-фильтра равен нулю.
Поэтому активный фильтр с двойным Т-фильтром, включенным в цепь отрицательной обратной связи, является полосовым фильтром с максимумом амплитудно-частотной характеристики на частоте квазирезонанса.
Три такие характеристики представлены на рис. 12. Характеристики различаются разными сопротивлениями резистора R4: нижняя соответствует R4 = 100 кОм, средняя – R4 = 1 МОм, верхняя – R4 = ∞.
Рис. 12. Амплитудно-частотная характеристика активного фильтра с двойным Т-фильтром в цепи отрицательной обратной связи
Режекторные фильтры
Тот же самый двойной Т-фильтр может быть включен не в цепь отрицательной обратной связи, как это сделано при создании полосового фильтра, а в цепь входного сигнала. При этом образуется активный режекторный фильтр, схема которого приведена на рис, 13.
Рис.13. Принципиальная схема режекторного фильтра с двойным Т-фильтром
При выполнении прежних условий
амплитудно-частотная характеристика активного фильтра, имеющего во входной цепи двойной Т-фильтр, содержит квазирезонанс, частота которого по-прежнему определяется фор мулой (8). Но на частоте квазирезонанса коэффициент усиления этого активного фильтра равен нулю. Амплитудно-частотная характеристика активного фильтра с двойным Т-фильтром во входной цепи показана на рис.14.
Рис. 14. Амплитудно-частотная характеристика активного фильтра с двойным Т-фильтром во входной цепи
Сложные фильтры
Несколько активных фильтров можно соединять последовательно для получения амплитудно-частотной характеристики с повышенной крутизной наклона. Кроме того, соединенные последовательно секции простых фильтров имеют пониженную чувствительность.
Это означает, что небольшое отклонение величины одного из компонентов схемы (отклонение сопротивления резистора или емкости конденсатора от нормы) будет приводить к меньшему влиянию на окончательную характеристику фильтра, чем в случае аналогичного сложного фильтра, построенного на одном операционном усилителе.
Рис. 15. Принципиальная схема ступенчатого фильтра
На рис. 15 показан ступенчатый фильтр, собранный из трех операционных усилителей.
Популярность таких фильтров резко возросла после появления в продаже интегральных микросхем, содержащих несколько операционных усилителей в одном корпусе.
Достоинствами этого фильтра являются низкая чувствительность к отклонениям величин компонентов и возможность получения трех выходов: верхних частот Uвых1, полосового Uвых2 и нижних частот UвыхЗ.
Фильтр составлен из суммирующего усилителя DA1 и двух интеграторов DA2, DA3, которые соединены в виде замкнутой петли. Если элементы схемы выбраны согласно условию
то граничная частота оказывается равной
Выходы верхних и нижних частот имеют крутизну наклона амплитудно-частотной характеристики, равную 12 дБ/октава, а полосовой выход имеет треугольную характеристику с максимумом на частоте f0 с добротностью Q, которая определяется резисторами установки усиления микросхемы DA1.
Источник: http://radio-hobby.org/modules/news/article.php?storyid=1162
Расчет полосового фильтра
При построении электронных схем достаточно часто используются фильтры полосового типа. Они широко применяются в резонансных контурах при построении схем приема и передачи радиосигнала и т.д. Для фильтрации частот низкого типа наиболее целесообразным является применение полосовых фильтров, в качестве активного элемента в которых выступает операционный усилитель.
Преимущественным достоинством полосовых фильтров, создаваемых на основе ОУ, является минимальное количество используемых компонентов. Поэтому такие фильтры легки в проектировании и построении, но при этом достаточно производительны.
Назначение и особенности полосовых фильтров
Полосовой фильтр создается с целью пропускания только частот заданного диапазона и погашения всех остальных частот. Основными характеристиками такого фильтра являются:
- полоса пропускания, образуемая сигналами, пропускаемыми фильтром без изменения;
- полоса затухания, представляющая собой сигналы, подвергаемые ослаблению при прохождении через фильтр.
В идеале фильтр должен содержать резкое разграничение полос пропускания и затухания, обеспечивая беспрепятственное прохождения сигнала внутри полосы и полное его погашение вне данного диапазона.
На самом деле создать фильтр с идеальными характеристиками невозможно. В любом случае, сигнал, проходящий вне полосы пропускания, но в непосредственной близости к ней, будет погашаться только частично.
Данную область именуют крутизной спада фильтра, ее измерение осуществляется в дБ затухания/октава. Чем уже область спада, тем эффективнее будет работать фильтр, что следует учитывать при его проектировке.
Расчет полосового фильтра
Построение полосового фильтра, обеспечивающего эффективную фильтрацию частот, – занятие достаточно сложное. Но вполне возможно создать фильтр на ОУ, оптимально совмещающий простую конструкцию и достаточно высокую производительность. Примером такого фильтра может послужить схема, содержащая помимо ОУ, 2 резистора и 3 конденсатора.
Максимальное и минимальное значение полосы пропускания определяются в зависимости от резонансной частоты (f) и добротности (Q):
fmax – fmin = f/Q .
Так, при значении f=20 Гц, Q=10, разница между максимальным и минимальным значением частот составляет 2 Гц, соответственно fmax=21 Гц, fmin=19 Гц.
Для упрощения расчетов в схеме лучше использовать конденсаторы одинаковой емкости. Допустим, C1=C2=C=1мкФ.
Для расчета сопротивления воспользуемся формулами:
Выполним расчеты для случая H0= 5. Вообще, приступая к расчетам следует учесть, что для построения полосного фильтра, содержащего только один операционный усилитель, значение коэффициента усиления не должно быть более 5, а добротности – более 10.
Выполнив вычисления, получим: R1=15,9 кОм; R2=408кОм; R3=159,2 кОм.
Чем ближе будут характеристики резисторов и конденсаторов к полученным при расчете значениям, тем качественнее будет функционировать фильтр, созданный по вашей схеме.
В каталоге нашей компании можно приобрести полосовые фильтры, а также ознакомиться с их функциональными особенностями и характеристиками. Цены на представленные модели можно уточнить, связавшись с менеджером «СпецТехКонсалтинг».
Источник: http://pro-spec.ru/poleznaya-informaciya/156-raschet-polosovogo-filtra
Проектирование и расчёт полосного фильтра
Работа добавлена на сайт samzan.ru: 2015-07-10
red0;
Проектирование и расчёт полосного фильтра
Реферат
Курсовая работа: 18с., 8 рис., 2 табл., 3 источника.
Объект исследования –активный полосовой фильтр на операционном усилителе.
Цель работы –расчёт и синтез схемы полосового фильтра на интегральном операционном усилителе, анализ амплитудно-частотной характеристики полученного устройства.
Метод исследования –формирование виртуальной модели фильтра, определение электрических параметров (по средствам ЭВМ).
Спроектирован фильтр на операционном усилителе с многопетлевой обратной связью. Устройство характеризуется следующими параметрами: частота среза , полоса пропускания Δf=250 Гц, коэффициентом передачи в полосе пропускания , наклон АЧХ 40(дБ/дек). Установлено, что выбранная схема фильтра является одной из наиболее дешёвых в реализации, при соблюдении предъявляемых к ней требований.
Ключевые слова:
ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, ПОЛОСОВОЙ ФИЛЬТР, АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА, ЧАСТОТА СРЕЗА, ПОЛОСА ПРОПУСКАНИЯ, ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ.
Содержание
Введение
1 Анализ технического задания
Синтез схемы и расчет элементов фильтра
3 Расчет АЧХ фильтра на ЭВМ
4 Подбор элементов для схемы
Выводы
Список использованных источников
Введение
Цепи фильтрации сигналов –важная и неотъемлемая часть многих систем связи и электрических контрольно-измерительных устройств. Они служат для формирования частотных каналов в системах коммутации, разделения и преобразования электрических сигналов.
В большинстве случаев электрический фильтр представляет собой частотно-избирательное устройство. Следовательно, он пропускает сигналы определённых частот и задерживает или ослабляет сигналы других частот.
Наиболее общими типами частотно-избирательных фильтров являются фильтры нижних частот (которые пропускают низкие частоты и задерживают высокие частоты), фильтры верхних частот (которые пропускают высокие частоты и задерживают низкие частоты), полосно-пропускающие фильтры (которые пропускают полосу частот и задерживают те частоты, которые расположены выше или ниже этой полосы) и полосно-заграждающие фильтры (которые задерживают полосу частот и пропускают те частоты, которые расположены выше или ниже этой полосы).
На практике невозможно реализовать идеальную амплитудно-частотную характеристику фильтра, поскольку требуется сформировать очень узкую переходную область. Следовательно, основная проблема при конструировании фильтра заключается в приближении реализованной реальной характеристики с заданной степенью точности к идеальной.
1. Анализ технического задания
Фильтры – это частотно-избирательные устройства, которые пропускают или задерживают сигналы, лежащие в определенных полосах частот. До 60-х годов для реализации фильтров применялись, в основном, пассивные элементы, т.е. индуктивности, конденсаторы и резисторы.
Основной проблемой при реализации таких фильтров оказывается размер катушек индуктивности (на низких частотах они становятся слишком громоздкими). С разработкой в 60-х годах интегральных операционных усилителей появилось новое направление проектирования активных фильтров на базе ОУ.
В активных фильтрах применяются резисторы, конденсаторы и усилители (активные компоненты), но в них нет катушек индуктивности. В дальнейшем активные фильтры почти полностью заменили пассивные. Сейчас пассивные фильтры применяются только на высоких частотах (выше 1 МГц), за пределами частотного диапазона большинства ОУ широкого применения.
Но даже во многих высокочастотных устройствах, например в радиопередатчиках и приемниках, традиционные пассивные RLC-фильтры заменяются кварцевыми фильтрами и фильтрами на поверхностных акустических волнах.
Сейчас во многих случаях аналоговые фильтры заменяются цифровыми. Работа цифровых фильтров обеспечивается, в основном, программными средствами, поэтому они оказываются значительно более гибкими в применении по сравнению с аналоговыми.
С помощью цифровых фильтров можно реализовать такие передаточные функции, которые очень трудно получить обычными методами.
Тем не менее, цифровые фильтры пока не могут заменить аналоговые во всех ситуациях, поэтому сохраняется потребность в наиболее популярных аналоговых фильтрах —активных RС-фильтрах.
Фильтры можно классифицировать по их частотным характеристикам, что в условном виде показано на рис. 1.1. На этом рисунке изображены характеристики фильтра нижних частот (ФНЧ), фильтра верхних частот (ФВЧ), полосового фильтра (ПФ), полосно-подавляющего фильтра (ППФ) и фильтра – “пробки” (режекторного фильтра – РФ).
Характеристика фазового фильтра (ФФ) на рисунке не показана, т.к. его коэффициент передачи не изменяется с частотой.
Основная функция любого фильтра заключается в том, чтобы ослабить сигналы, лежащие в определенных полосах частот, внести в них различные фазовые сдвиги или ввести временную задержку между входным и выходным сигналами.
С помощью активных RС-фильтров нельзя получить идеальные формы частотных характеристик в виде показанных на рис. 1.
1 прямоугольников со строго постоянным коэффициентом передачи в полосе пропускания, бесконечным ослаблением в полосе подавления и бесконечной крутизной спада при переходе от полосы пропускания к полосе подавления.
Проектирование активного фильтра всегда представляет собой поиск компромисса между идеальной формой характеристики и сложностью ее реализации. Это называется “проблемой аппроксимации”.
Во многих случаях требования к качеству фильтрации позволяют обойтись простейшими фильтрами первого или второго порядков. Проектирование фильтра в этом случае сводится к выбору схемы с наиболее подходящей конфигурацией и последующему расчету значений номиналов элементов для конкретных частот.
Однако бывают ситуации, когда требования к фильтрации сигнала могут оказаться гораздо более жесткими, и могут потребоваться схемы фильтров с характеристиками более высоких порядков, чем первый или второй.
Рисунок 1.1- Основные типы фильтров.
Реальные характеристики фильтров, а именно нижних частот, верхних частот и полосового фильтра, – показаны на рисунке 1.2.
Рисунок 1.2 – АЧХ фильтров.
На этих рисунках сплошными линиями изображены идеальные характеристики фильтров. Пунктирные линии показывают отклонение реальных характеристик от идеальных.
Основными параметрами фильтров нижних и верхних частот являются частота среза f0, коэффициент передачи в полосе пропускания Ко, наклон АЧХ в полосе ограничения п и неравномерность АЧХ в полосе пропускания.
Для полосовых фильтров по аналогии с избирательными усилителями вводят понятие добротности Q и усиления Ко на частоте f0.
2. Синтез схемы и расчет элементов фильтра
2.1 Исходные данные и требования для проектирования фильтра
| Частота среза, f0 | 5000 | Гц |
| Коэффициент передачи в полосе пропускания, К0 | 6 | |
| Наклон АЧХ в полосе ограничения, n | 40 | дБ/дек |
| Неравномерность АЧХ в полосе пропускания, ΔК | 20 | дБ |
| Полоса пропускания, Δf | Гц |
2.2 Разработка функциональной схемы
На рис. 2.1 приведена структурная схема фильтра с многопетлевой обратной связью. Каждый пассивный двухполюсный элемент в этой схеме может быть либо резистором, либо конденсатором.
Рисунок 2.1 –структурная схема фильтра
Передаточная функция для данной схемы имеет вид
(2.1)
Для того чтобы схема на рис. 2.1 выделяла полосу частот, передаточную функцию (2.1) необходимо привести к передаточной функции, соответствующей полосовому звену второго порядка:
(2.2)
где ωо = 2лf0, H =α·К0.
Сравнивая выражения (2.1) и (2.
2), нетрудно заметить, что, для того чтобы числитель не был функцией р, в качестве У1 и У4 должны использоваться резистивные проводимости; для того чтобы получить член с р2 в знаменателе, в качестве У3 и У5 должны использоваться емкостные проводимости; для того чтобы получить в знаменателе член, независимый от р, в качестве У2 должна использоваться резистивная проводимость.
Итак, однозначно определяются пассивные элементы схемы на рис. 2.1:
Y1=1/R1, Y2= pC1, Y3=1/R2, Y4= pC2, Y5=1/R3.
Схема полученного полосового фильтра приведена на рис. 2.2.
Рисунок 2.2 – Схема полосового фильтра
Передаточная функция имеет вид
(2.3)
Сравнивая последнее выражение с (2.2), получаем соотношения, необходимые для расчета фильтра:
(2.4)
В том случае, если и , имеем:
(2.5)
Отсюда ясно, что для получения больших значений добротности значения R1, R2, R3 должны быть по возможности разнесены. Порядок расчета фильтра с заданной добротностью таков. Выбираем величину С1=С2=С, определяем коэффициент К=2πf0C и находим остальные элементы схемы по формулам:
(2.6)
2.3 Расчет элементов схемы
Выбираем схему фильтра на основе ОУ с многопетлевой обратной связью (см. рис. 2.2).
Выбираем ОУ по частоте единичного усиления fТ ОУ ≥ f0 К0 = 15 кГц.
Для ОУ типа К140УД6 fТ =1МГц, т.е. последнее неравенство выполняется с запасом. Схема электрическая принципиальная данного ОУ представлена на рисунке 2.3. Паспортные данные выбранного ОУ представлены в таблице [1, приложение А].
По справочнику, RВХ ОУ = 1000 кОм, RВЫХ ОУ = 150 Ом, т.е. номиналы резисторов в схеме фильтра должны находится в пределах от 1,5 к Ом до 100 к Ом.
Рисунок 2.3 –Схема операционного усилителя К140УД6.
Зададимся значением емкости С2 = 500 пФ, при этом отметим, что выбранная величина существенно больше возможных паразитных емкостей в схеме.
Найдем значение вспомогательного коэффициента
Отсюда величина емкости С1 при
пФ.
Определим значения резисторов схемы фильтра:
кОм;
кОм;
кОм.
Проверяем полученное значение частоты:
Гц
и коэффициента усиления в полосе пропускания:
3. Расчет АЧХ фильтра на ЭВМ
Рисунок 3.1 –Полосовой фильтр. Схема электрическая принципиальная.
Рисунок 3.2 – Полученная осциллограмма полосового фильтра
Рисунок 3.3 –АЧХ полосового фильтра на частоте 5кГц.
4. Подбор элементов для схемы
Для проектируемого фильтра выбираем два керамических конденсатора типа КМ-6. Данный тип конденсаторов может обеспечить необходимую емкость в 500 и 9500 пФ, а также имеет номинальное напряжение при температуре 85 °С 50 В, допустимое отклонение емкости от номинальной составляет 5 и 10 % соответственно.
Для подбора резисторов воспользуемся таблицей [1, приложение Б], где указаны ряды промежуточных значений сопротивлений.
Сопротивление резистора R1 можно обеспечить следующим резистором металлопленочный резистор МЛТ R=7,5 кОм ряд Е24, у которого допустимое отклонение сопротивления от номинального 5%, а предельное рабочее напряжение 350 В.
https://www.youtube.com/watch?v=rlujKRqraWI
Резистор R2 состоит из: металлопленочный резистор МЛТ R=8,5 кОм ряд Е24 отклонение сопротивления от номинального 20%, предельное рабочее напряжение 30В.
В качестве резистора R3 берем металлопленочный резистор МЛТ
R=88,2 кОм ряд Е24.
Выводы
В данном курсовом проекте был произведен расчет полосового фильтра, а именно: подобран ОУ типа К140УД6, рассчитаны и подобраны элементы схемы.
Проверка показала, что данный фильтр обеспечивает коэффициент передачи в полосе пропускания К0=6 на частоте f0=5кГц.
При помощи ЭВМ была смоделирована схема фильтра и построена его АЧХ, которая соответствует полосовому фильтру.
Список использованных источников
- Расчет электронных схем. Примеры и задачи: учеб. Пособие для вузов по спец. электрон. технике. / Г.И. Изъюров, Г.В.Королев и др.- М.: Высшая школа, 2007. –с.
- Джонсон Д, Джонсон Дж. Справочник по активным фильтрам. – М.: Энергоатомиздат, 2003.-128с.
- Терещук Р.М. и др. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства: Справ. Радиолюбителя.- Киев: Наук. думка, 1989,.-800с.
Источник: http://samzan.ru/205460
1.3 Активные полосовые RC-фильтры
Простейший полосовой фильтр можно получить, применив к фильтру нижних частот первого порядка преобразование частоты, т.е. провести замену переменных в выражении для передаточной функции (2.1) фильтра нижних частот первого порядка: p> (1/??) (p+1/p).
При этом передаточная функция полосового фильтра будет иметь второй порядок:
(2.4)
где ?? – нормированная полоса пропускания.
Нормированная полоса ??=?max-?min определяется для нормированных частот среза, на которых коэффициент передачи фильтра уменьшается на 3 дБ, причем ?max?min=1. Такой полосовой фильтр имеет геометрически симметричную частотную характеристику затухания относительно нормированной средней частоты ?=j/r =1.
Исходя из свойств данного преобразования, можно заключить, что коэффициент K0 равен коэффициенту передачи полосового фильтра на резонансной частоте: K0=Kr. По аналогии с колебательным контуром определяется добротность полосового фильтра: Q=1/Д?. Таким образом, основные параметры фильтра непосредственно входят в его передаточную функцию.
Рис.1.10. Полосовой фильтр с отрицательной обратной связью.
Из этого также следует, что можно использовать отрицательную обратную связь, представленную в ФНЧ и ФВЧ второго порядка, для построения полосового фильтра (рис.2.10). Его передаточная функция имеет следующий вид:
Из сравнения этого выражения с передаточной функцией (2.4) следует, что коэффициент при p2 должен быть равен 1. Отсюда находим резонансную частоту:
,
Подставив это выражение для резонансной частоты в формулу для KA (p) и приравняв соответствующие коэффициенты передаточной функции к коэффициентам выражения (2.4), получим соотношения для вычисления параметров фильтра:
Рис.1.11. Полосовой фильтр с положительной обратной связью.
Из них видно, что коэффициент передачи на резонансной частоте Kr, добротность Q и резонансная частота fr рассматриваемого полосового фильтра могут выбираться произвольно.
Полоса пропускания фильтра ?F =1/рR2C не зависит от R1 и R3, а Kr – от R3. Поэтому можно изменять резонансную частоту fr, варьируя величину сопротивления R3, что не приводит к изменению коэффициента передачи Kr и ширины полосы пропускания фильтра.
С помощью резистора R3 можно добиться высокой добротности фильтра при малом коэффициенте передачи Kr. Коэффициент передачи фильтра определяется лишь ослаблением входного сигнала делителем напряжения R1, R3.
Поэтому коэффициент усиления операционного усилителя при отсутствии нагрузки должен превышать 2Q2. Выполнение этого требования особенно важно потому, что оно должно удовлетворяться и на резонансной частоте.
Об этом следует помнить при выборе операционного усилителя для фильтра, особенно при работе в высокочастотном диапазоне.
Применение положительной обратной связи для построения схемы полосового фильтра иллюстрируется на рис.2.11. С помощью делителя напряжения R1 и (-1) R1 цепи отрицательной обратной связи задается коэффициент усиления операционного усилителя, равный . Передаточная функция фильтра имеет вид:
Приравнивая коэффициенты этого выражения к коэффициентам передаточной функции (2.4), получим формулы для расчета параметров фильтра:
щr=1/RC, Kr= (3-), Q=1/ (3-).
Недостаток схемы состоит в том, что Kr и Q не являются независимыми друг от друга, а достоинством – что ее добротность изменяется в зависимости от коэффициента усиления , тогда как резонансная частота от величины не зависит.
При =3 коэффициент передачи Kr становится бесконечно большим и возникает генерация. Точность установки значения коэффициента тем критичнее, чем он ближе к 3.
Задание
Исходные данные представлены в таблице 1.
Таблица 1. Исходные данные
|
K |
TW, Гц |
fc, Гц |
б1,dу |
б2, dу |
|
8 |
300 |
900 |
3 |
20 |
Рассчитать активный фильтр нижних частот на операционных усилителях.
Порядок расчета элементов схем фильтров:
1 определяем порядок фильтра
2 выбираем нормированные значения коэффициентов В и С
3 рассчитываем коэффициэнты усиления отдельных звеньев так, чтобы их произведение равнялось или было больше суммарного коэфициэнта усиления ФНЧ более высокого порядка.
4 задаем номинальное значение емкости С2, близкое к величине 10/fc, мкф, и выбираем наибольшее имеющееся номинальное значение емкости С1, удовлетворяющее
С1? [В2+4C (K-1)] С2/4C для ФНЧ на ИНУН
5 вычисляем номиналы резисторов из формул
6 выбираем ОУ. Полное входное сопротивление ОУ должно быть больше или равно 10Red.
Red = R1+R2
Рассчетная часть
При вычислении получаем порядок 3.76 и округляем его до 4, т.к. должно быть целое число.
С2 получаем из формулы С2=10/fc. Оно равно 11.1 нФ
Параметры фильтра для четвертого порядка представлены в таблице 2.
Таблица 2. Рассчетные данные
|
каскад |
В |
С |
С1, нФ |
R1, МОм |
R2, кОм |
R3, МОм |
R4, МОм |
|
1 |
0,17 |
0,303 |
33,3 |
1, 19 |
9,35 |
1,6 |
4,8 |
|
2 |
0,411 |
0, 195 |
12,4 |
0,492 |
87,3 |
1,16 |
1,16 |
Собираем экспериментальную схему в формате electronic workbench.
Red ОУ для первого каскада равно 12 Мом, а для второго – 5,793 Мом
Схема 1. Реализация активного фильтра низких частот на ОУ в формате Electronic workbench
Первый каскад в схеме усиливает сигнал в 4 раза, в второй – в 2 раза. Таким образом общее усиление составляет 8 раз.
Результативная осциллограмма представлена ниже.
Рисунок 2. Осциллограмма действия активного фильтра
Как видно из рисунка, имеется большой скачок, более 32 децебел, при допустимом по условию в 3 децебела.
Вывод: Следует предположить, что данный фильтр неработоспособен, вследствии малой точности коэффициентов В и С, имеющих лишь три значущих цифры.
Источник: http://radio.bobrodobro.ru/16558
Загрузка...