Порядок выполнения лабораторной работы. Расчет и выбор элементов, моделирование и анализ схем фильтров в среде MicroCAP7

Часть 1

Расчет и выбор элементов, моделирование и анализ схем фильтров в среде MicroCAP7

1. По заданным преподавателем значениям следующих параметров:

k – коэффициент передачи фильтра;

f _с – частота среза АЧХ;

α ₁ – максимально допустимое затухание АЧХ в полосе пропускания;

α ₂ – минимально допустимое затухание АЧХ в полосе задерживания

рассчитать значения пассивных компонентов фильтров Баттерворта, Чебышева, инверсного фильтра Чебышева, эллиптического фильтра Чебышева и Бесселя, учитывая соответствующие безразмерные коэффициенты (А, B, C), определяющие форму АЧХ и ФЧХ фильтров. Порядок расчета фильтров Баттерворта и Чебышева приведен в методических указаниях № 2235 (электронная версия – файл Методические указания_2235.doc), коэффициенты фильтров Баттерворта, Чебышева, инверсного фильтра Чебышева, эллиптического фильтра Чебышева и Бесселя – в Приложении А. Расчёт параметров осуществляется с помощью программы MathCad (образец расчета см. в файле Биквадр. ФНЧ. xmcd).

2. Выбрать ближайшие к расчётным номинальные значения рассчитанных в п.1 элементов фильтров. При выборе пользоваться стандартными рядами компонентов (см. Приложение В). В библиотеке компонентов MicroCAP 7 задать модели элементов с требуемыми параметрами – допускаемыми ТКС (ТКЕ) и отклонениями сопротивления (емкости) от номинального. Образец задания модели резистора и конденсатора см. в Приложении Б.

3. С учётом требований к операционным усилителям (ОУ) выбрать конкретные типы ОУ из библиотеки компонентов Micro-CAP 7.0.

4. Смоделировать схемы фильтров в системе Micro-Cap 7.0 (образец см. файле Биквадр ФНЧ.CIR). Описания моделей компонентов, используемых в лабораторной работе, приведены в методических указаниях № 3180 (электронная версия – файл Методические указания_3180.doc).

5. Произвести анализ схем в частотной области (в режиме АС-анализа) – построить ЛАЧХ, ЛФЧХ и частотную характеристику группового времени замедления фильтра τ (ω). Образец анализа приведен в файле Биквадр ФНЧ.CIR. Сделать выводы по результатам анализа спроектированных фильтров в частотной области.

Коэффициент усиления ФНЧ на постоянном токе k определяется по ЛАЧХ на частоте 0...1 Гц, погрешность по заданному коэффициенту усиления не должна превышать 5%.

Частота среза для ФНЧ 2-го порядка определяется:

– для фильтра Баттерворта – по уровню – 3 дБ относительно коэффициента k (по ЛАЧХ);

– для фильтра Чебышева – по уровню 0 дБ относительно коэффициента k (по ЛАЧХ);

– для фильтра Бесселя – по уровню 92.308% относительно группового времени замедления фильтра на постоянном токе (по характеристике τ (ω)).

– для инверсного фильтра Чебышева – по уровню – 3 дБ относительно коэффициента k (по ЛАЧХ);

– для эллиптического фильтра Чебышева – по уровню 0 дБ относительно коэффициента k (по ЛАЧХ);

Погрешность по частоте среза не должна превышать 5%.

Образец определения погрешностей приведен в файле Биквадр ФНЧ. CIR.

6. Произвести анализ переходного процесса при отклике фильтра на единичный скачок входного напряжения. (Transient-анализ). Образец анализа приведен в файле Биквадр ФНЧ. CIR.

В результате анализа необходимо определить коэффициент усиления ФНЧ на постоянном токе в линейном режиме ОУ. Погрешность не должна превышать 5%.

Также в результате анализа необходимо убедиться, что на выходе активного фильтра отсутствует смещение выходного сигнала, обусловленное паразитными параметрами ОУ: напряжением смещения U _СМ и разностью входных токов Δ i _ВХ. Смещение выходного сигнала на постоянном токе не должно превышать 10 мВ. Для компенсации указанных погрешностей предусматривается симметрирование ОУ (компенсация погрешности, связанной с Δ i _ВХ) или выбор ОУ, имеющего малые U _СМ и Δ i _ВХ.

Образец определения погрешностей приведен в файле
Биквадр ФНЧ. CIR.

Часть 2*

Исследование характеристик фильтров с помощью лабораторного стенда

1. Не включая стенд, и не собирая схему, установить соответствующие значения резисторов ФНЧ Баттерворта с помощью омметра.

2. Собрать схему ФНЧ Баттерворта, соединив перемычками соответствующие гнезда согласно биквадратной схеме полиномиального ФНЧ.

3. Включить стенд. С помощью генератора синусоидальных колебаний подать на вход фильтра сигнал синусоидальной формы частотой 0.1 f c и действующим значением 100 мВ (измеряется вольтметром в режиме измерения переменного напряжения). Убедившись, что на выходе также гармонический сигнал (нет насыщения ОУ или автогенерации), подключить к выходу ФНЧ вольтметр в режиме измерения переменного напряжения и снять действующее значение выходного сигнала ФНЧ на различных частотах. Частота входного сигнала (генератора) изменяется:

– от 0.1 f _c до 2 f _с – с шагом 0.1 f _с;

– от 2 f _с до 10 f _с – с шагом f _с;

По результатам эксперимента построить ЛАЧХ ФНЧ, как отношение действующих значений выходного и входного сигнала на различных частотах в логарифмическом масштабе:

.

Образец приведен в файле Биквадр ФНЧ. CIR.

4. С помощью генератора прямоугольных колебаний подать на вход фильтра сигнал прямоугольной формы и зарисовать переходную характеристику фильтра на частоте 0.1 f _с.

5. Проделать п. 1-4 для схем ФНЧ Чебышева и Бесселя. Обратите внимание, что для получения схем ФНЧ Чебышева и Бесселя требуется корректировка значений только сопротивлений R₁, R₂ и R₃, а значение двух одинаковых резисторов R₄ (по схеме стенда – R₄(₆) и R₄(₇)) остаются без изменений.

6. Проделать п. 1-4 для схем инверсного ФНЧ Чебышева и эллиптического ФНЧ Чебышева. При этом необходимо будет в п. 2. собрать биквадратную схему неполиномиального ФНЧ.

7. Сделать выводы по результатам эксперимента для частотной и временной характеристик фильтров. Сравнить полученные теоретические и практические результаты.

________________________________________________________

* – при наличии экспериментального стенда.