Высокодобротный полосовой фильтр с усилителем мощности - Курсовая работа

Полосно-пропускающий фильтр представляет собой устройство, которое пропускает сигналы в диапазоне частот с шириной полосы BW, расположенной приблизительно вокруг центральной частоты ?0. Усилитель звуковых частот (УЗЧ), усилитель низких частот (УНЧ), усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) - прибор (электронный усилитель) для усиления электрических колебаний, соответствующих слышимому человеком звуковому диапазону частот (обычно от 16 до 20 000 Гц, в специальных случаях - до 200 КГЦ). По типу обработки входного сигнала и схеме построения выходного каскада усилителя: класс «A» - аналоговая обработка сигнала, линейный режим работы усилительного элемента класс «AB» - аналоговая обработка сигнала, режим работы с большим углом отсечки (>90°) класс «B» - аналоговая обработка сигнала, режим работы с углом отсечки равным 90° класс «C» - аналоговая обработка сигнала, режим работы с малым углом отсечки (<90°) класс «D» - аналоговая обработка сигнала, усилительный элемент работает в ключевом режиме, скважность импульсов изменяется в соответствии с текущим значением входного сигнала линейно, не имея дискретных значений, применяется широтно-импульсная модуляция, усилительный элемент работает в ключевом режиме класс «T» - аналоговая обработка сигнала, усилительный элемент работает в ключевом режиме, скважность и частота изменяются в соответствии с текущим значением входного аналогового сигнала линейно, не имея дискретных значений, применяется широтно-импульсная модуляция с изменением частоты и скважности импульсов класс ? Данный класс допускает возможность организации сквозного цифрового тракта, полностью исключающего искажения, от источника цифрового звукового сигнала (Audio-CD, DVD и др.), а также цифровой компенсации искажений, возникающих в выходном каскаде при работе на комплексную нагрузку акустической системы, а также цифровой компенсации искажений, возникающих в самой акустической системе. Данный класс допускает возможность организации сквозного цифрового тракта, полностью исключающего искажения, от источника цифрового звукового сигнала (Audio-CD, DVD и др.), а также цифровой компенсации искажений, возникающих в выходном каскаде при работе на комплексную нагрузку акустической системы, а также цифровой компенсации искажений, возникающих в самой акустической системе.Выполнив данный курсовой проект, я спроектировал полосовой фильтр с усилителем мощности. Научился рассчитывать схемы и подбирать компоненты для них, чертить электрические принципиальные схемы и составлять перечень элементов. При работе над курсовым проектом постоянно преследовали ошибки и неудачи, но я шел дальше и старался из всех сил. Хотелось бы собрать макет данного устройства или хотя бы его часть, но, к сожалению, я сильно поздно взялся за выполнение данного задания и поэтому не успел это сделать, но, тем не менее, данное устройство было промоделировано в программе PSPICE. Так же, мощность на выходе устройства незначительно превышает данную в задании.

Полосовые фильтры

Полосно-пропускающий фильтр представляет собой устройство, которое пропускает сигналы в диапазоне частот с шириной полосы BW, расположенной приблизительно вокруг центральной частоты ?0. На рисунке 1.1.1 изображены реальная и идеальная амплитудно-частотные характеристики. В реальной характеристике частоты ?L и ?U представляют собой нижнюю и верхнюю частоты среза и определяют полосу пропускания и ее ширину.

Рисунок 1.1.1 - Идеальная и реальная амплитудно-частотные характеристики полосно-пропускающего фильтра.

В полосе пропускания амплитудно-частотная характеристика никогда не превышает некоторого определенного значения, например А1 на рисунке 1.1.1. Существуют так же две полосы задерживания 0 ? ? ? ?1 и ? ? ?2, где значение АЧХ никогда не превышает заранее выбранного значения, скажем, А2. Диапазоны частот между полосами задержки и полосой пропускания образуют нижнюю и верхнюю переходные области, в которых характеристика является монотонной.

Отношение Q = ?0/BW характеризует качество самого фильтра и является мерой его избирательности. Высокому значению Q соответствует относительно узкая, а низкому значению Q - относительно широкая полосы пропускания. Коэффициент усиления фильтра К определяется как значение его АЧХ на центральной частоте; таким образом, K = |H(j?0)|. [1]

Существует множество полосно-пропускающих фильтров.

Усилители мощности

Усилитель звуковых частот (УЗЧ), усилитель низких частот (УНЧ), усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) - прибор (электронный усилитель) для усиления электрических колебаний, соответствующих слышимому человеком звуковому диапазону частот (обычно от 16 до 20 000 Гц, в специальных случаях - до 200 КГЦ). Может быть выполнен в виде самостоятельного устройства, или использоваться в составе более сложных устройств - телевизоров, музыкальных центров, радиоприемников, радиопередатчиков, радиотрансляционной сети и т. д.

Схемотехника и применение

Усилители низкой частоты наиболее широко применяются для усиления сигналов, несущих звуковую информацию, в этих случаях они называются, также, усилителями звуковой частоты, кроме этого УНЧ используются для усиления информационного сигнала в различных сферах: измерительной технике и дефектоскопии; автоматике, телемеханике и аналоговой вычислительной технике; в других отраслях электроники. Усилитель звуковых частот обычно состоит из предварительного усилителя и усилителя мощности (УМ). Предварительный усилитель предназначен для повышения мощности и напряжения и доведения их до величин, нужных для работы оконечного усилителя мощности, зачастую включает в себя регуляторы громкости, тембра или эквалайзер, иногда может быть конструктивно выполнен как отдельное устройство. Усилитель мощности должен отдавать в цепь нагрузки (потребителя) заданную мощность электрических колебаний. Его нагрузкой могут являться излучатели звука: акустические системы (колонки), наушники (головные телефоны); радиотрансляционная сеть или модулятор радиопередатчика. Усилитель низких частот является неотъемлемой частью всей звуковоспроизводящей, звукозаписывающей и радиотранслирующей аппаратуры.

Классификация

По типу обработки входного сигнала и схеме построения выходного каскада усилителя: класс «A» - аналоговая обработка сигнала, линейный режим работы усилительного элемента класс «AB» - аналоговая обработка сигнала, режим работы с большим углом отсечки (>90°) класс «B» - аналоговая обработка сигнала, режим работы с углом отсечки равным 90° класс «C» - аналоговая обработка сигнала, режим работы с малым углом отсечки (<90°) класс «D» - аналоговая обработка сигнала, усилительный элемент работает в ключевом режиме, скважность импульсов изменяется в соответствии с текущим значением входного сигнала линейно, не имея дискретных значений, применяется широтно-импульсная модуляция, усилительный элемент работает в ключевом режиме класс «T» - аналоговая обработка сигнала, усилительный элемент работает в ключевом режиме, скважность и частота изменяются в соответствии с текущим значением входного аналогового сигнала линейно, не имея дискретных значений, применяется широтно-импульсная модуляция с изменением частоты и скважности импульсов класс ? - цифровая обработка сигнала, усилительный элемент работает в ключевом режиме, скважность и/или частота изменяются дискретно в соответствии с текущим значением входного двоичного кода. Данный класс допускает возможность организации сквозного цифрового тракта, полностью исключающего искажения, от источника цифрового звукового сигнала (Audio-CD, DVD и др.), а также цифровой компенсации искажений, возникающих в выходном каскаде при работе на комплексную нагрузку акустической системы, а также цифровой компенсации искажений, возникающих в самой акустической системе. Применяется в новейших перспективных системах высокой верности воспроизведения с высоким КПД и, в основном, высокой мощности. класс ? - цифровая обработка сигнала, усилительный элемент работает в линейном режиме (класс A, AB, B), выходные ток и напряжение изменяются дискретно в соответствии с текущим значением входного двоичного кода. Данный класс допускает возможность организации сквозного цифрового тракта, полностью исключающего искажения, от источника цифрового звукового сигнала (Audio-CD, DVD и др.), а также цифровой компенсации искажений, возникающих в выходном каскаде при работе на комплексную нагрузку акустической системы, а также цифровой компенсации искажений, возникающих в самой акустической системе. Применяется в новейших перспективных системах высокой верности воспроизведения, в основном небольшой мощности (до десятков Ватт) изза невысокого КПД.

По типу применения в конструкции усилителя активных элементов: ламповые - на электронных, электровакуумных лампах. Составляли основу всего парка УНЧ до 70-х годов. В 60-х годах выпускались ламповые усилители очень большой мощности (до десятков киловатт). В настоящее время используются в качестве инструментальных усилителей, а также до сих пор в качестве звуковоспроизводящих. По сравнению с другими типами усилителей ламповые УЗЧ, как правило, имеют повышенный уровень нелинейных искажений и невысокие эксплуатационные характеристики. транзисторные - на биполярных или полевых транзисторах. Такая конструкция оконечного каскада усилителя является достаточно популярной, благодаря своей простоте и возможности достижения большой выходной мощности, хотя в последнее время активно вытесняется интегральными даже в мощных усилителях. интегральные - на интегральных микросхемах (ИМС). Существуют микросхемы, содержащие на одном кристалле как предварительные усилители, так и оконечные усилители мощности, построенные по различным схемам и работающие в различных классах. Из преимуществ - минимальное количество элементов и, соответственно, малые габариты. гибридные - часть каскадов собрана на полупроводниковых элементах, а часть на электронных лампах. Иногда гибридными также называют усилители, которые частично собраны на интегральных микросхемах, а частично на транзисторах или электронных лампах.

По виду согласования выходного каскада усилителя с нагрузкой: трансформаторные - в основном такая схема согласования применяется в ламповых усилителях. Обусловлено это необходимостью согласования большого выходного сопротивления лампы с малым сопротивлением нагрузки. Транзисторные усилители высокого класса также имеют трансформаторное согласование с нагрузкой. бестрансформаторные - наиболее распространенная схема согласования для транзисторных и интегральных усилителей, т.к. транзисторный каскад имеет малое выходное сопротивление, хорошо согласующееся с низкоомной нагрузкой. [2]

Выполнив данный курсовой проект, я спроектировал полосовой фильтр с усилителем мощности. Научился рассчитывать схемы и подбирать компоненты для них, чертить электрические принципиальные схемы и составлять перечень элементов. Я считаю, что это неплохой опыт.

Выполнение данного задания - это долгий и трудоемкий процесс. При работе над курсовым проектом постоянно преследовали ошибки и неудачи, но я шел дальше и старался из всех сил. В результате что-то таки получилось.

Хотелось бы собрать макет данного устройства или хотя бы его часть, но, к сожалению, я сильно поздно взялся за выполнение данного задания и поэтому не успел это сделать, но, тем не менее, данное устройство было промоделировано в программе PSPICE.

На мой взгляд, получили неплохие результаты, так как погрешность частоты составила около 4%. Это, скорее всего, связано с тем, что номиналы элементов выбирались из ряда Е24. Подстроить частоту можно с помощью одновременного изменения конденсаторов С5 и С8, если величина данной погрешности не устраивает.

Так же, мощность на выходе устройства незначительно превышает данную в задании. Это связано с тем, что при расчетах бил слегка увеличен коэффициент усиления всей схемы. Если это важно, то можно его слегка уменьшить изменением соответствующих резисторов в любом из каскадов схемы, например, в ПУ, изменением R2, либо в УМ, изменением R11.

Рассчитанная добротность так же соответствует заданной.

Но не стоит забывать, что это лишь модель, а реальная схема может иметь параметры, которые каким-то образом отличаются от параметров модели.

Для обеспечения заданного коэффициента гармоник пришлось использовать широкополосный операционный усилитель для увеличения фактора обратной связи, а соответственно уменьшения коэффициента гармоник усилителя мощности.

Тяжело было подобрать операционный усилитель для ПУ, так как он должен иметь малый уровень шума, а выбор таких ОУ ограничен. Сначала я выбрал К538УН1Б. Он вполне бы подошел, но, к сожалению, во-первых, он имеет однополярное питание, что повлекло бы за собой установку разделительной емкости после ПУ, а во-вторых, непонятно как его включать, так как нигде в литературе нет четких объяснений по поводу этого.

В результате, был выбран К157УД2.

При расчете источника питания пришлось рассчитывать параметрический стабилизатор напряжения, так как УМ имеет напряжение питания 20 В, а все ОУ - 15 В.

Так же следует отметить, что не удалось найти схему и методику для ее расчета для УМ, поэтому была использована схема, которую мы рассматривали на практическом занятии.

Но все же, с моей точки зрения, работа выполнена в полном объеме и соответствует поставленной цели и заданию.

1. Джонсон Д. и др. Справочник по активным фильтрам: Пер. с англ./ Д. Джонсон, Дж. Джонсон, Г. Мур. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 128 с., ил.

2.

3. 180 аналогов микросхем (справочник). Ю. А. Мячин. - Изд-во «Патриот», МП «Символ-Р» и редакция журнала «Радио», 1993. - 152с., ил., (приложение к журналу «Радио»).

4. А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях - М.: БИНОМ, 1994 - 352 с.: ил.

5. Вересов Г. П. Электропитание бытовой радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Радио и связь, 1983. - 128 с., ил.

6. Конспект лекций и практических занятий по дисциплине: «Аналоговая схемотехника»

Размещено на .ru