Порядок выполнения лабораторной работы. 1. По заданным преподавателем значениям следующих параметров:

1. По заданным преподавателем значениям следующих параметров:

k – коэффициент усиления фильтра;

f _с – частота среза АЧХ;

α ₁ – максимально допустимое затухание АЧХ в полосе пропускания;

α ₂ – минимально допустимое затухание АЧХ в полосе задерживания;

Т _ω – максимально допустимая ширина переходной области АЧХ

рассчитать требуемый порядок фильтра Чебышева. Порядок фильтра n _тр должен быть целым числом. Необходимый порядок фильтра n _тр выбирается из условия:

n _тр = [ n+k _З],

где: n _тр – рассчитанный порядок фильтра;

k _З = 0, 15 – коэффициент запаса;

[ ] – обозначает ближайшее целое в сторону увеличения.

Образец расчета приведен в файле ФНЧ с зад Тw. xmcd.

2. Рассчитать параметры каждого звена фильтра Чебышева, учитывая соответствующие безразмерные коэффициенты (B, C) для каждого звена, определяющие форму АЧХ и ФЧХ фильтра. Порядок расчета фильтра (звена) Чебышева 2-го порядка приведен в методических указаниях № 2235 (электронная версия – файл Методические указания_2235.doc), коэффициенты фильтра Чебышева – в Приложении А. Расчёт параметров осуществляется с помощью программы MathCad (образец расчета см. в файле ФНЧ с зад Тw. xmcd).

3. Выбрать ближайшие к расчётным номинальные значения рассчитанных в п.2 элементов фильтра. 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.

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

5. Смоделировать схему фильтра в системе Micro-Cap 7.0 (образец см. в файле ФНЧ с зад Тw. CIR). Описания моделей компонентов, используемых в лабораторной работе, приведены в методических указаниях № 3180 (электронная версия – файл Методические указания_3180.doc).

6. Произвести анализ схемы в частотной области (в режиме АС-анализа) – построить ЛАЧХ, ЛФЧХ и частотную характеристику группового времени замедления фильтра τ (ω).Образец анализа приведен в файле ФНЧ с зад Тw. CIR. Сделать выводы по результатам анализа спроектированного фильтра 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 Чебышева четного порядка определяется по уровню 0 дБ относительно коэффициента k (по ЛАЧХ), для нечетного порядка по уровню – α ₁ дБ относительно коэффициента k (по ЛАЧХ). Погрешность по частоте среза не должна превышать 5%.

Ширина переходной области Т _ω должна быть меньше или равной заданной.

Образец определения погрешностей приведен в файле
ФНЧ с зад Тw. xmcd.

7. Произвести анализ переходного процесса при отклике фильтра на единичный скачок входного напряжения. (Transient-анализ). Образец анализа приведен в файле ФНЧ с зад Тw. 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
ФНЧ с зад Тw. xmcd.

8. Оценить требования по температурной стабильности пассивных элементов схемы ФНЧ, если фильтр работает в диапазоне температур (0…60)°С.

Для этого провести анализ изменения коэффициента усиления по постоянному току при температурах анализа 0°С и 60°С (в меню AC Analysys Limits, в поле Temperature выбрать режим «List» и через запятую задать температуры, при которых будет проводиться анализ схем: 0, 27, 60). Сделать выводы о влиянии температурной стабильности элементов на изменения коэффициента усиления по постоянному току фильтра. Дополнительная погрешность от влияния температуры не должна превышать 1% на каждые 10°С.

Образец определения погрешностей приведен в файле
ФНЧ с зад Тw. xmcd.

Исходные данные для проектирования фильтров нижних частот Чебышева с заданной нормированной шириной переходной области амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) на основе звеньев Рауха

коэффициент усиления k, частота среза f _c, максимально допустимая переходная область АЧХ T_ω , максимально допустимое затухание в полосе пропускания α ₁, минимально допустимое затухание в полосе задерживания α ₂ (из табл. 4).

Таблица 4

Содержание отчета

1. Наименование и цель работы.

2. Исходные данные для расчета.

3. Расчет порядка фильтра Чебышева.

4. Расчет параметров каждого звена фильтра Чебышева.

5. Справочные данные использованных резисторов, конденсаторов и ОУ.

6. Схема спроектированного фильтра нижних частот с указанным типом ОУ, номиналами конденсаторов, резисторов, а также с их относительным и температурным разбросом.

7. Графики ЛАЧХ, ЛФЧХ, частотной характеристики времени замедления (ЧХВЗ) и переходной характеристики для спроектированной схемы фильтра.

8. Расчет погрешностей в реализации АЧХ фильтра нижних частот Чебышева.

9. Расчет погрешностей в реализации переходных характеристик фильтра нижних частот Чебышева.

10. Результаты анализа дополнительной погрешности от влияния температуры окружающего воздуха в диапазоне температур (0…60)°С на ЛАЧХ фильтра нижних частот Чебышева.

Контрольные вопросы

1. Дать определение фильтра нижних частот Чебышева.

2. Что такое полоса пропускания?

3. Что такое переходная область амплитудно-частотной характеристики?

4. Найти передаточную функцию звена ФНЧ 2-го порядка на основе схемы Рауха.

5. Как производится регулировка схемы ФНЧ на основе порядка на основе схемы Рауха?

6. Что подразумевается под добротностью ФНЧ?

7. Как по частоте среза оценить время переходного процесса?

8. Что происходит с переходным процессом при сужении переходной полосы фильтра нижних частот?

9. Как регулируется добротность ФНЧ на основе звеньев Рауха?

10. Что такое частота срезаw_с?

11. Что такое пульсации в полосе пропускания ФНЧ, как численно они выражаются?

12. Что такое коэффициент усиления фильтра нижних частот?

13. Что произойдет с характеристикой фильтра, если все конденсаторы увеличить, а все резисторы уменьшить в одинаковое число раз?

14. Какой функцией описывается фильтр Чебышева?

15. Как произвести анализ схемы с учетом дрейфа пассивных компонентов?

16. Влияет ли на характеристики схемы разброс параметров ОУ и как он задается?

17. Как влияет на результирующую АЧХ ФНЧ скорость нарастания выходного напряжения ОУ?

18. Какие значения добротности можно реализовать в различных схемных реализациях ФНЧ?