Разработка полосового фильтра - Курсовая работа

Фильтрация - преобразование сигналов с целью изменения соотношения между их различными частотными составляющими. Фильтры обеспечивают выделение полезной информации из смеси информационного сигнала с помехой с требуемыми показателями. Частотно-избирательная цепь, выполняющая обработку смеси сигнала и шума некоторым наилучшим образом, называется оптимальным фильтром. Наиболее общими типами частотно-избирательных фильтров являются фильтры нижних частот (пропускают низкие частоты и задерживают высокие частоты), фильтры верхних частот (пропускают высокие частоты и задерживают низкие частоты), полосовые фильтры (пропускают полосу частот и задерживают те частоты, которые расположены выше и ниже этой полосы) и режекторные фильтры (задерживают полосу частот и пропускают частоты, расположенные выше и ниже этой полосы).Полосовой фильтр представляет собой устройство, которое пропускает сигналы в диапазоне частот с шириной полосы F, расположенной приблизительно вокруг центральной частоты fo (Гц) или wo = 2?fo (рад/с). На рисунке 1.1 изображены идеальная и реальная амплитудно-частотные характеристики.Основные требования, предъявляемые к фильтрам [2]: - крутизна переходной характеристики; способность пропускать сигналы без искажений по спектрам, лежащим в полосе пропускания; Среди множества рекурсивных фильтров отдельно выделяют следующие фильтры: - фильтр Баттерворта (максимально гладкая АЧХ в полосе пропускания);Передаточная характеристика такого фильтра представляет собой произведение передаточных характеристик каждого из каскадов, а их взаимодействие дает на выходе амплитудно-частотную характеристику с заданными параметрами. Активный фильтр порядка 2n 1 реализуется каскадным соединением n фильтров второго порядка и одним фильтром первого. При этом передаточная функция полосового фильтра будет иметь второй порядок: (1) где ?? - нормированная полоса пропускания. Нормированная полоса ?? = ?max-?min определяется для нормированных частот среза, на которых коэффициент передачи фильтра уменьшается на 3 ДБ. Исходя из свойств данного преобразования, можно заключить, что коэффициент K0 равен коэффициенту передачи полосового фильтра на резонансной частоте: K0 = Kr.Согласно заданию на курсовую работу необходимо реализовать полосовой фильтр, крутизна ската амплитудно - частотной характеристики которого составляет 30 ДБ/окт. Активный фильтр первого порядка обеспечивает скат АЧХ 6 ДБ/окт., следовательно, для реализации заданного фильтра необходим пятый порядок. Схемотехнически это можно представить в виде последовательно соединенных каскадов - ФНЧ пятого порядка и ФВЧ пятого порядка.Для расчета первого звена воспользуемся таблицей нормированных значений коэффициентов фильтра Баттерворта: B = 0,618, C = 1. Рассчитаем номинальное значение емкости по формуле: (1) Номинальное значение емкости рассчитываем по формуле: (2) Для расчета второго звена воспользуемся таблицей нормированных значений коэффициентов фильтра Баттерворта: B = 1,618, C = 1. Для расчета первого звена воспользуемся таблицей нормированных значений коэффициентов фильтра Баттерворта: B = 0,6180, C = 1.В разрабатываемой схеме активного полосового фильтра (в соответствии с рисунком 2.1) используется 6 операционных усилителей. Произведем расчет напряжения питания (VCC и VEE), а также величины выходного тока, предъявляемые к параметрам ОУ. Исходя из требуемого значения входного напряжения, допустимого диапазона температур, частот, а также рассчитанных напряжения питания и выходного тока выбран операционный усилитель марки LT1052M. Согласно рисункам, коэффициент усиления равен 2,95 (погрешность относительно задания на курсовую работу составляет 1,6%). В приложении Г на рисунке Г.3 определены частоты среза - они составляют fcp1 = 6,808 КГЦ и fcp2 = 10,235 КГЦ (погрешности относительно задания к курсовой работе составляют 2,8% и 2,3% соответственно).

Содержание

Введение

1. Обзор и анализ научно-технической информации

1.1 Общая характеристика активного полосового фильтра

1.2 Основные требования, предъявляемые к активным фильтрам, и выбор активного фильтра

1.3 Реализация активного полосового фильтра

2. Анализ технического задания и синтез схемы устройства

3. Расчет активного полосового фильтра

3.1 Расчет и выбор элементов схемы

3.2 Выбор операционного усилителя

3.3 Моделирование схемы в пакете MICROCAP v.9

Заключение

Приложение А (обязательное) Схема структурная ТПЖА. 431-01 СС 01

Приложение Б (обязательное) Схема электрическая принципиальная ТПЖА. 431-01 ЭС 01

Приложение В (обязательное) Характеристики устройства ТПЖА 431-01 ПЭ0

Фильтрация - преобразование сигналов с целью изменения соотношения между их различными частотными составляющими. Фильтры обеспечивают выделение полезной информации из смеси информационного сигнала с помехой с требуемыми показателями. Основная задача выбора типа фильтра и его расчета заключается в получении таких параметров, которые обеспечивают максимальную вероятность обнаружения информационного сигнала на фоне помех. Частотно-избирательная цепь, выполняющая обработку смеси сигнала и шума некоторым наилучшим образом, называется оптимальным фильтром. Критерием оптимальности принято считать обеспечение максимума отношения сигнал-шум. Это требование приводит к выбору такой формы частотного коэффициента передачи фильтра, которая обеспечивает максимум отношения сигнал-шум на его выходе. В задачах линейной фильтрации предполагается, что наблюдаемый реальный процесс представляет собой аддитивную смесь сигнала и помехи.

В большинстве случаев электрический фильтр представляет собой частотно-избирательное устройство. Следовательно, он пропускает сигналы определенных частот и задерживает или ослабляет сигналы других частот.

Наиболее общими типами частотно-избирательных фильтров являются фильтры нижних частот (пропускают низкие частоты и задерживают высокие частоты), фильтры верхних частот (пропускают высокие частоты и задерживают низкие частоты), полосовые фильтры (пропускают полосу частот и задерживают те частоты, которые расположены выше и ниже этой полосы) и режекторные фильтры (задерживают полосу частот и пропускают частоты, расположенные выше и ниже этой полосы).

Диапазоны или полосы частот, в которых сигналы проходят, называются полосами пропускания и в них значение амплитудно-частотной характеристики относительно велико, а в идеальном случае постоянно. Диапазоны частот, в которых сигналы подавляются, образуют полосы задерживания и в них значение амплитудно-частотной характеристики относительно мало, а в идеальном случае равно нулю. Частота wc, разделяющая эти две полосы, называется частотой среза амплитудно - частотной характеристики.

1. Авторский коллектив издательства LDL. Электроника: электронный справочник - М.: Руссобит Паблишинг, 2005 - 542 с., ил.

2. Колонтаевский Ю.Ф. Радиоэлектроника: Учеб. пособие для СПТУ - М.: Высшая школа, 1988 - 304 с., ил.

3. Хьюлсман Л.П., Аллен Ф.Е. Введение в теорию и расчет активных фильтров: Пер.с англ.- М.: Радио и связь,1984 - 384с.

4. Фолкенберри, Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС/Л. Фолкенберри. - М.: Мир, 1985 - 572 с., ил.

5. Джонсон Д. и др. Справочник по активным фильтрам: Пер. анг. / Джонсон и Д. Джонсон, Г. Мур - М. Энергоамиздат, 1983 - 128с. ил.

Приложение А (обязательное)

Схема структурная ТПЖА. 431000.017 СС 01

Приложение Б (обязательное)

Схема принципиальная электрическая ТПЖА. 431000.017 ЭС 01

Обозначения на схеме: 1 - балансировка (на схеме не показана);

2 - инвертирующий вход;

3 - неинвертирующий вход;

4 - питание (-); 5 - корпус;

6 - выход; 7 - питание ( );

8 -балансировка (на схеме не показана)

Приложение В (обязательное)

Характеристики устройства ТПЖА. 431000.017 ПЭ 01

Рисунок В.1 - Временная диаграмма на входе схемы

Рисунок В.2 - Временная диаграмма на выходе схемы

Рисунок В.3 - Амплитудно-частотная характеристика

Рисунок В.4 - Определение крутизны спада амплитудно-частотной характеристики

Рисунок В.5 - Спектр сигнала на выходе схемы

Рисунок В.6 - Влияние изменения температуры на работу фильтра

Размещено на