Проект ARC-фильтра высших частот

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

СОДЕРЖАНИЕ

Техническое задание

Краткие теоретические положения

3. Использование САПР FilterPro для моделирования идеальных активных фильтров

3.1 Выбор типа фильтра

3.2 Ввод желаемых характеристик фильтра

3.3 Выбор аппроксимирующей функции фильтра

3.4 Выбор схемотехнической реализации фильтра

3.5 Результат моделирования

4. Создание модели реального фильтра в среде Multisim 11

4.1 Выбор операционного усилителя

4.2 Схема фильтра в автоматизированной системе моделирования Multisim

4.3 АЧХ и ФЧХ полученного фильтра

Заключение

Список литературы

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

На базе операционного усилителя синтезировать фильтр высоких частот, удовлетворяющий следующим техническим характеристикам:

Граничные частоты полосы пропускания: 1,5кГц

Усиление в полосе пропускания: 12 дБ

Затухание в полосе пропускания: 2 дБ

Граничные частоты полосы задерживания: 0,7 кГц

Затухание в полосе задерживания: 40 дБ

Максимальное выходное напряжение: 14 В

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Фильтры это устройства, которые необходимы для выделения из всего спектра частот, какой то одной частоты (либо спектра частот) и её передачу в отдельности от других, либо наоборот её подавление.

Простые фильтры первого порядка могут выполняться на простых RCL-цепочках, при этом спад АЧХ такого фильтра будет 20дБ/дек, если же необходимо добиться более крутого спада АЧХ, то необходимо применять фильтры более высокого порядка, такие фильтры можно сделать только с использованием активных элементов.

Пассивные RLC-цепи

Фильтр нижних частот

Такой фильтр обеспечивает передачу сигнала на нижних частотах и затухание на частоте превышающей частоту среза фильтра.

Описание в частотной области

Передаточная функция звена

Учитывая, что

Получим

.

Положив, что

получим выражение для частоты среза

Фазовый сдвиг ц на этой частоте составляет -45. Как видно из диаграммы Боде, АЧХ

Просто представить из двух асимптот:

1) [A]=0 Дб на нижних частотах f<<fg

2) На высоких частотах fg <<f [A]=1/цRC

-коэффициент усиления пропорционален частоте. При увеличении частоты в 10 раз коэффициент уменьшается в 10 раз, т.е -20 Дб на декаду.

Фильтр верхних частот

Фильтр верхних частот -это схема, которая передает без изменений сигналы высоких частот, а на низких частотах обеспечивает затухание сигналов и опережение их по фазе относительно входных сигналов.

Из формулы следует, что модуль комплексного коэф. усиления и угол сдвига определяются как

Выражение для частоты среза совпадает с соответствующим выражением для фильтра нижних частот. Фазовый сдвиг на этой частоте составляет + 45. Как и для фильтра нижних частот, наиболее просто составить АЧХ в двойном логарифмическом масштабе с помощью асимптот:

1)|A|=1=`0 дБ, на высоких частотах f>>fg.

2) На низких частотах f<<fg |A|=цRC коэффициент усиления пропорционален частоте. Наклон асимптоты равняется + 20 дБ на декаду.

Активные фильтры

Как и в пассивных фильтрах, RC-элементы являются неотъемлемой частью и в активных цепях. Меняя их параметры можно добиться нужного вида АЧХ. Если необходимо получить более быстрое уменьшение коэффициента передачи, можно включить n фильтров нижних частот последовательно.

Передаточная функция фильтра нижних частот в общем виде выглядит так:

,

порядок фильтра определяется максимальной степенью P.

Передаточная функция фильтра верхних частот в общем виде выглядит так:

,

порядок фильтра определяется максимальной степенью P.

Режекторный либо полосовой фильтр можно получить путём соединения ФВЧ и ФНЧ, при этом передаточная характеристика результирующего фильтра будет произведением передаточных функций полюсов.

1. ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ САПР ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ФИЛЬТРОВ

Свое начало существования термин САПР берет в 70-х годах прошлого столетия. САПР расшифровывается как Система Автоматизированного Проектирования.

Говоря простыми словами, Система Автоматизированного Проектирования предназначена для выполнения или создания проектных работ с помощью компьютерной техники, которая позволяет создавать технологическую и конструкторскую документацию на отдельные здания, сооружения, изделия.

Область применения системы САПР очень велика. Возможности САПР во многом определяются программным обеспечением, которое зачастую делят на уровни, опираясь на сложность системы и область ее возможностей.

Системы Автоматизированного Проектирования нижнего уровня в основном применяются при выпуске конструкторской документации, обычно она не связана друг с другом. А также САПР, которые обеспечивают выпуск комплектов конструкторской документации (КД), включая документы (экспликации, спецификации и т.п.) текстовые, сборочные, подсборочные, увязанные друг с другом. Применяются такие системы в создании проектов с различной степенью сложности в области строительства, архитектуры, геодезии, генплана, машиностроения и других.

САПР среднего уровня обеспечивает поверхностное и твердотельное моделирование в трехмерном пространстве, а также выпуск документации на проектируемые модели. Область применения САПР этого уровня - машиностроение (трехмерное проектирование), архитектура, геодезия и многое другое. Оно позволяет инженерам-конструкторам, которые работают в различных областях электроники, механики, архитектуры сильно повысить производительность контроля, документирования и проектирования изделий.

САПР верхнего уровня позволяет производить комплексное решение задач в моделировании объектов, выпуска конструкторской документации, расчетов, помогает решить специфические прикладные задачи. Примером может послужить расчет и прокладка газового трубопровода. Системы САПР верхнего уровня применяются в различных областях архитектуры, строительства, машиностроения и многих других.

С помощью САПР увеличивается эффективность выполняемых проектных работ за счет:

· очень удобных и принципиально новых средств рисования схем;

· в программном обеспечении заложено автоматическое формирование монтажно-коммутационных схем;

· средств, которые управляют проектом, состоят из множества документов;

· повышение уровня качества выпускаемой продукции.

Результатами САПР служат законченные проекты или части его. Они могут быть использованы как другими САПР, так и сделаны в виде уже законченного проекта, который открывается самостоятельно без необходимости установки дополнительного программного обеспечения.

В данном курсовом проекте используется программа FilterPro американского производителя полупроводников Texas Instruments. Последнюю версию всегда можно скачать после регистрации на сайте www.ti.com. На момент написания данного курсового проекта доступна версия 3.1.0.23446. Для моделирования схемы, АЧХ и ФЧХ используется САПР Multisim 11, компании National Instruments.

2. РЕАЛИЗАЦИЯ АКТИВНЫХ ФИЛЬТРОВ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

Очередной задачей синтеза фильтров является реализация найденной аппроксимирующей функции, т.е. определение на её основе структурной схемы устройства, модуль коэффициента передачи которой удовлетворяет предъявленным техническим требованиям и наилучшим образом приближается к идеальной АЧХ. Решение этой задачи неоднозначно, так как одну и ту же функцию передачи может иметь множество физически реализуемых цепей. Поэтому на этом этапе проектирования следует выбрать конкретную электрическую схему, которая оптимальным образом реализует найденную аппроксимирующую функцию. В качестве критерия оптимальности может служить минимум числа элементов схемы, минимум чувствительности характеристик цепи к изменению во времени и её элементов и т.д.

Далее следует реализация фильтров на основе выбранной элементной базы.

Данную реализацию можно осуществить на различной элементной базе. Например, может состоять из пассивных LCR - элементов, а также из их совокупности пассивных RC - элементов и активных элементов. Тенденция развития электроники сегодня таковы, что требуется создание фильтров, у которых отсутствуют индуктивные элементы. Это необходимо при работе на очень низких частотах (сейсмография, гидролокация, биолокация и т.д.), когда использование LC избирательных цепей значительно увеличивают габариты фильтра. По этим причинам получили распространение частотно - избирательные усилители с RC - цепями.

Различают следующие разновидности линейных ARC - цепей:

1. ARC - цепи на усилителях, охваченных для формирования заданной ЧХ положительной частотно-зависимой обратной связи. Такие усилители устойчиво работают при коэффициенте усиления, близком к единице;

2. ARC - цепи на усилителях с отрицательной частотно-зависимой обратной связью. Такие усилители должны иметь большой коэффициент усиления;

3. ARC - цепи на ОУ-интеграторах, реализующих заданную ЧХ методом аналоговой вычислительной техники;

4. ARC - цепи на конверторах (преобразователях) отрицательного сопротивления;

5. ARC - цепи на имитаторах индуктивности (дираторах).

3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ САПР FILTERPRO ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ИДЕАЛЬНЫХ АКТИВНЫХ ФИЛЬТРОВ.

3.1 Выбор типа фильтра

Рис. 1. Выбор необходимого типа фильтра.

3.2 Ввод желаемых характеристик фильтра

Рис. 2. Ввод характеристик, указанных в техническом задании.

3.3 Выбор аппроксимирующей функции фильтра

Рис. 3. Выбор аппроксимирующей функции фильтра, исходя из соображений простоты схемы, коэффициента нелинейности и добротности.

3.4 Выбор схемотехнической реализации фильтра

Рис. 4. Выбор схемотехнического решения фильтра на основе ОУ.

3.5 Результат моделирования

Рис. 5. Схема смоделированного фильтра, а также его АЧХ, ФЧХ и групповая задержка.

В результате мы получили схему, АЧХ, ФЧХ и групповую задержку идеального фильтра исходя из условий технического задания.

Полученная модель фильтра имеет следующие характеристики:

Граничные частоты полосы пропускания: 1,5кГц

Усиление в полосе пропускания: 12 дБ

Затухание в полосе пропускания: 2 дБ

Граничные частоты полосы задерживания: 0,7кГц

Затухание в полосе задерживания: 40 дБ

Количество звеньев фильтра: 2

Добротность: 4,594

Коэффициент пульсаций: 2 дБ

4. СОЗДАНИЕ МОДЕЛИ РЕАЛЬНОГО ФИЛЬТРА В СРЕДЕ MULTISIM 11

4.1 Выбор операционного усилителя

В данном курсовом проекте использован ОУ TLC252 производства Texas Instruments. Полный даташит на него можно скачать по ссылке: www.ti.com/lit/ds/symlink/tlc252.pdf .

4.2 Модель фильтра в автоматизированной системе моделирования multisim 11

Для расчёта реального фильтра, полученная с помощью FilterPro схема, была перенесена в Multisim 11, при этом идеальный ОУ был заменён на TLC252, а пассивные компоненты выбраны из списка Е24.

Рис. 6. Схема фильтра в САПР Multisim 11.

4.3 АЧХ и ФЧХ реального фильтра

Рис. 7. АЧХ фильтра на отрезке 1 Гц-1мГц.

Рис. 8. ФЧХ фильтра на отрезке 1 Гц-1мГц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

фильтр частота моделирование аппроксимация

В курсовой работе был рассчитан и спроектирован ARC-фильтр высших частот порядка 4, при этом для расчёта АЧХ использовалась аппроксимация по Чебышеву. После расчёта и использования полученных данных для проектирования модели активного фильтра (на ОУ TLC252), подстановки реальных элементов была получена реальная модель фильтра.

Разработанная схема полностью отвечает требованиям технического задания, с учётом погрешности затухания в полосе пропускания. К её достоинствам следует отнести простату анализа и синтеза, возможность отдельной настройки каждого звена, возможность реализовать её на операционных усилителях, выполненных в интегральном исполнении, стабильность параметров.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Методические указания к курсовому проектированию/ Воронеж. гос. техн. ун-т; Сост.: к.т.н. Е.И. Воробьева, Воронеж, 2004, 62 с.

2. www.ti.com/lit/ds/symlink/tlc252.pdf .

3. www.ti.com .

Размещено на Allbest.ru