Огляд аналогічних схем та особливості проектування фільтрів. Визначення полінома Баттерворта. Вибір типів резисторів, конденсаторів та операційних підсилювачів. Розрахунок елементів схеми. Методика налагодження та регулювання розробленого фільтра.
Аннотация к работе
До недавнього часу результати порівняння цифрових і аналогових приборів в радіоапаратурі і технічних засобах електрозвязку не могли не визивати відчуття незадоволення. Цифрові вузли, що реалізувалися з широким використанням інтегральних мікросхем, якісно відрізнялися своєю конструктивно-технологічною завершеністю. Громіздкі, які містять велику кількість ненадійних і трудомістких намотаних елементів, виглядали жахливо на фоні великих інтегральних схем, що викликало у багатьох спеціалістів думку про необхідність «тотальної цифризації» радіоелектронної апаратури. Адекватність в даному випадку може бути забезпечена переходом до активних RC-кіл, в елементний базис яких не входять котушки індуктивності і трансформатори, які принципово не реалізовані засобами мікроелектроніки. Вмотивованість такого переходу визначається в теперішній час, з одного боку, досягненнями теорії активних RC-кіл, а з іншої - успіхами мікроелектроніки, що дали розробникам високоякісні лінійні інтегральні схеми, серед яких і інтегральні операційні підсилювачі (ОП).Фільтри - це частотно-селективні прибори, які пропускають або затримують сигнали, що лежать в деяких визначених смугах частот. Фільтри можна класифікувати по їх частотним характеристикам: Фільтри нижніх частот (ФНЧ) - пропускають сигнали з частотами не вище деякої частоти зрізу і постійну складову. Фазові фільтри (ФФ) - мають постійний в ідеальному випадку коефіцієнт передачі на всіх частотах і назначені для зміни фази вхідних сигналів (в окремому випадку для часової затримки сигналів). За допомогою активних RC-фільтрів неможливо отримати ідеальні форми частотних характеристик в вигляді показаному на рис.1.1 прямокутників із постійними коефіцієнтами передачі в смузі пропускання, безкінечним послабленням в смузі затримки і безкінечною крутизною спаду при переході від смуги пропускання до смуги затримки. Але бувають випадки, коли вимоги до фільтрації можуть виявитися більш жорсткими, і можуть вимагатися схеми більш високих порядків, ніж перший і другий.В даному пункті буде розраховано порядок ФВЧ Баттерворта, визначено вигляд його передатної функції, вибрана схема фільтра, згідно з заданими параметрами технічного завдання (рис. Згідно таблиці нормованих передаточних функцій Баттерворта знаходимо поліном Баттерворта пятого порядку: Тоді передаточна функція буде записана у вигляді: 2.4 Зворотній перехід від нормованого ФНЧ до ненормованого ФВЧ В результаті масштабування отримуємо передатну функцію W(р) в вигляді: 2.5 Перехід від передатної функції до схеми Для переходу до схеми представимо передатну функцію ФВЧ пятого порядку, що проектується, у вигляді добутку передатних функцій трьох активних ФВЧ: одного ФВЧ першого порядку і двох ФВЧ другого порядку. Загальний коефіцієнт передачі фільтра (К0=6.309) буде визначатися добутком коефіцієнтів передатних функцій окремих фільтрів (К1, К2, К3).Перевіримо правильність розрахунку номіналів елементів за допомогою моделювання схеми фільтра з розрахованими номіналами елементів у програмі ORCAD 9.2. Для схеми фільтра, що проектується, щоб забезпечити низьку температурну залежність, необхідно вибирати резистори з мінімальним ТКС. Вибрані резистори повинні мати мінімальну власну ємність та індуктивність, для цього вибираємо недротяний тип резисторів. Але в дротяних резисторів більш високий рівень струмових шумів, тому необхідно врахувати і параметр рівня власних шумів. Вибирати конденсатор необхідно з як можна меншими втратами (з малим значенням тангенса кута діелектричних втрат).Перший каскад має незалежне від номіналів елементів значення добротності і незалежне регулювання коефіцієнту підсилення та частоти полюсу. Другий і третій каскади фільтра реалізовані на ФВЧ-ІІ Саллена-Кея, у якому не вдається перекрити діапазон можливих значень коефіцієнта підсилення, частоти полюса і добротності, так як ці значення залежать від одних і тих же значень номіналів резисторів.ФВЧ з апроксимацією частотних характеристик поліномом Баттерворта з параметрами, приведеними в технічному завданні, має пятий порядок і представляє собою каскадне зєднання трьох фільтрів: одного ФВЧ першого порядку неінвертуючого, двох ФВЧ другого порядку Саллена-Кея. Схема містить три операційні підсилювачі, дванадцять резисторів, пять ємностей. Вибір схеми кожного каскаду всього фільтра проводився на основі технічного завдання (забезпечити невеликий діапазон номіналів елементів) з урахування переваг і недоліків кожного типу схеми фільтрів, які використовувались в якості каскадів всього фільтра в цілому. Номінали елементів схеми підбиралися і розраховувались таким чином, щоб максимально наблизити їх до стандартного номінального ряду Е24, а також щоб отримати при цьому якомога більший вхідний опір кожного каскаду фільтра.
Вывод
Кінцевим етапом даної курсової роботи є отримання та розрахунок схеми заданого фільтра. ФВЧ з апроксимацією частотних характеристик поліномом Баттерворта з параметрами, приведеними в технічному завданні, має пятий порядок і представляє собою каскадне зєднання трьох фільтрів: одного ФВЧ першого порядку неінвертуючого, двох ФВЧ другого порядку Саллена-Кея. Схема містить три операційні підсилювачі, дванадцять резисторів, пять ємностей. В схемі використовуються два джерела живлення, кожне по 15 В.
Вибір схеми кожного каскаду всього фільтра проводився на основі технічного завдання (забезпечити невеликий діапазон номіналів елементів) з урахування переваг і недоліків кожного типу схеми фільтрів, які використовувались в якості каскадів всього фільтра в цілому.
Номінали елементів схеми підбиралися і розраховувались таким чином, щоб максимально наблизити їх до стандартного номінального ряду Е24, а також щоб отримати при цьому якомога більший вхідний опір кожного каскаду фільтра.
Після моделювання схеми фільтра (рис. 4.1) за допомогою пакета програм ORCAD 9.2 були отримані частотні характеристики (рис. 4.2), що мають необхідні параметри, приведені в технічному завданні.
До переваг даної схеми фільтра можна віднести невеликий діапазон номіналів елементів.
Недоліком схеми є відносно складне регулювання параметрів фільтра, неможливо незалежно налаштувати параметри другого і третього каскаду. Значення коефіцієнту підсилення та частоти полюса першого каскаду регулюються незалежно один від одного.
5. Резисторы: Справочник/В.В. Дубровский, Д.М. Иванов, Н.Я. Пратусевич и др.; Под ред. И.И Четверткова и В.М. Терехова.- 2-е изд. и доп.- М.: Радио и связь, 1991.- 528 с.: ил.