LABORATORIUM ELEKTRONIKI

Transkrypt

1 INSTYTUT NAWIGACJI MOSKIEJ ZAKŁD ŁĄCZNOŚCI I CYBENETYKI MOSKIEJ AUTOMATYKI I ELEKTONIKA OKĘTOWA LABOATOIUM ELEKTONIKI Studia dzienne I rok studiów Specjalności: TM, IM, PHiON, AT, PM, MSI ĆWICZENIE N 10 FILTY Jerzy Hreczycho, Piotr Majzner, Marcin Mąka Szczecin 2007

2 10. FILTY Pytania kontrolne 1. Omówić klasyikację iltrów. 2. Omówić budowę i działanie iltra dolnoprzepustowego C i LC. 3. Omówić budowę i działanie iltra górnoprzepustowego C i LC. 4. Omówić budowę i działanie iltrów rezonansowych. 5. Omówić budowę i działanie iltra pasmowoprzepustowego. 6. Omówić budowę i działanie iltra pasmowozaporowego. 7. Co to jest pasmo przepuszczania w iltrze? 8. Co to są iltry aktywne? Opis programu Program symulacji iltrów uruchamia się wpisując nazwę programu iltr potwierdzoną przyciskiem Enter. Na ekranie komputera pojawi się strona tytułowa, aby przejść do następnej części programu należy nacisnąć dowolny klawisz. Następnie pojawia się ekran główny programu. W górnym oknie rysowana jest charakterystyka iltru wraz z zaznaczeniem częstotliwości granicznych. Na dole z lewej strony widać schemat aktualnie badanego iltru, z prawej strony wartości elementów iltru. Na samym dole ekranu pojawia się menu: F1 Charakterystyka F2 Zmiana iltru F3 Zmiana danych Esc Koniec Naciśnięcie klawisza Esc powoduje wypisanie zapytania czy chcemy zakończyć program. Czy chcesz zakończyć (t/n)? Naciśnięcie t spowoduje wyjście z programu, a po naciśnięciu n program znowu jest gotowy do pracy. Naciśnięcie klawisza F1 spowoduje wyrysowanie w górnym oknie całej charakterystyki iltru wraz z zaznaczeniem częstotliwości granicznych. Naciśnięcie F2 spowoduje przejście do nowego ekranu na którym widoczne będą schematy występujących w programie iltrów. Aktualnie badany iltr zaznaczony jest czerwoną ramką. Jeżeli chcemy zmienić iltr to należy klawiszami kursora naprowadzić czerwoną ramkę na zadany iltr i wcisnąć Enter. Pojawi się główny ekran z wyrysowanym i ustawionym nowym iltrem. Naciśnięcie klawisza F3 spowoduje przejście do poprawiania danych stosowanych w procesie symulacji. Każda zmienna jest opisana i podana jest jej jednostka w układzie SI. Jeżeli chcemy na przykład zmienić rezystancję występującą w iltrze, należy przycisnąć F4. Pojawi się nowe okno w którym należy wpisać nową wartość, potwierdzoną przyciskiem Enter. Ponieważ w komputerze trudno zapisać wykładnik liczby 10, stąd zastosowano zapis zmiennoprzecinkowy tzn. 1e 07 oznacza to samo co = 0.1μ Zmieniona dana jest ponownie wyświetlona razem z pozostałymi. Dane napisane kolorem żółtym zmienia się jako jedną z możliwych. Na przykład, jeżeli chcemy zmienić typ skali częstotliwości wciskamy F1, a następnie kursorem wybieramy odpowiedni typ - skale normalną albo logarytmiczną (częściej stosowana) i wciskamy Enter. Nowy typ skali jest wyświetlany razem z 1

3 pozostałymi danymi. Jeżeli proces poprawiania danych chcemy zakończyć należy wcisnąć Esc. Proces symulacji będzie uruchamiany już z nowymi danymi Wykonanie ćwiczenia Przegląd wybranych iltrów Dla wszystkich siedmiu iltrów górnoprzepustowego C, dolonoprzpustowego C, górnoprzepustowego L, dolonoprzpustowego L, górnoprzepustowego CL, dolonoprzpustowego LC przerysować charakterystyki, przerysować schematy iltrów wraz z wartościami elementów iltru Badanie iltru dolnoprzepustowego C a. Dla iltru dolnoprzepustowego C ustawić = 1000 Ω. Przerysować rodzinę charakterystyk (wszystkie charakterystyki na jednym wykresie) z zaznaczeniem i zapisaniem częstotliwości granicznych, zmieniając wartość pojemności C: C = 0.1 μf, C = 0.2 μf, C = 0.3 μf, C = 0.4 μf, C = 0.5 μf. b. Ustawić: C = 0.1 μf Przerysować rodzinę charakterystyk (wszystkie charakterystyki na jednym wykresie) z zaznaczeniem i zapisaniem częstotliwości granicznych, zmieniając wartość rezystancji : = 1 kω, = 2 kω, = 3 kω, = 4 kω, = 5 kω Badanie iltru dolnoprzepustowego L a. Dla iltru dolnoprzepustowego L ustawić: = 1000 Ω. Przerysować rodzinę charakterystyk (wszystkie charakterystyki na jednym wykresie) z zaznaczeniem i zapisaniem częstotliwości granicznych, zmieniając wartość indukcyjności L: L = 0.1 H, L = 0.2 H, L = 0.3 H, L = 0.4 H, L = 0.5 H. b. Ustawić: L = 0.1 H. Przerysować rodzinę charakterystyk (wszystkie charakterystyki na jednym wykresie) z zaznaczeniem i zapisaniem częstotliwości granicznych, zmieniając wartość rezystancji : 2

4 = 1 kω, = 2 kω, = 3 kω, = 4 kω, = 5 kω Badanie iltru dolnoprzepustowego (rezonansowego) LC Dla iltru dolnoprzepustowego CL ustawić: s = 700 Ω, L = 0.7 H, C = 0.1 μf. Zmieniać rezystancję szeregową cewki s według wartości: s = 700 Ω s = 1 kω s = 1.5 kω s = 2 kω s = 5 kω s = 10 kω s = 100 kω Przerysować rodzinę charakterystyk (wszystkie charakterystyki na jednym wykresie), zapisywać częstotliwość graniczną Ustawienie częstotliwości granicznej w iltrze górnoprzepustowym C Dla iltru górnoprzepustowego C ustawić: = 1000 Ω, C = 0.1 μf Przerysować przebieg, zapisać dane. Następnie zmieniać wartość pojemności C tak długo, aż uzyska się częstotliwość graniczną podaną przez prowadzącego ćwiczenie. Wszelkie próby znalezienia tej częstotliwości zanotować w tabelce. C 0.1 μf 1.59 khz C x podana przez prowadzącego Ustawienie częstotliwości granicznej w iltrze górnoprzepustowym L Dla iltru górnoprzepustowego L ustawić: = 1000 Ω L = 0.7 H. Przerysować przebieg, zapisać dane. Następnie zmieniać wartość indukcyjności L tak długo, aż uzyska się częstotliwość graniczną podaną przez prowadzącego ćwiczenie. Wszelkie próby znalezienia tej częstotliwości zanotować w tabelce. L 0.1 H 1.59 khz L x podana przez prowadzącego 3

5 Ustawianie pasma przenoszenia iltru pasmowo przepustowego Dla iltru pasmowo przepustowego zmieniać pojemność C 1 a następnie pojemność C 2 tak, aby uzyskać przepuszczanie pasma akustycznego: 16 Hz 20 khz Sprawozdanie W sprawozdaniu należy zamieścić: charakterystyki wszystkich iltrów wraz ze schematami i wartościami elementów, wykreślone rodziny charakterystyk z punktów i z zaznaczeniem częstotliwości granicznych i dokładnym opisem, opis, jaki jest wpływ pojemności lub indukcyjności na częstotliwość iltrów górnoprzepustowych i dolnoprzepustowych oraz jaki jest wpływ rezystancji w tych iltrach, charakterystyki iltru rezonansowego CL dla różnych dobroci cewki (mogą być na jednym wykresie) wraz z częstotliwościami granicznymi, opis, jaki jest wpływ dobroci cewki na charakterystykę iltru rezonansowego, opis, jaka jest różnica miedzy iltrami dolnoprzepustowymi C i L (górnoprzepustowymi C i L) a iltrem rezonansowym dolnoprzepustowym LC (górnoprzepustowym CL), wartości pojemności i indukcyjności, które dawały zadana częstotliwość graniczna wraz z zapisanymi wszystkimi próbami, opis, jaki jest wpływ członu dolnoprzepustowego w iltrze pasmowym, a jaki jest wpływ członu górnoprzepustowego, własne wnioski i spostrzeżenia. 4

6 Filtry elektryczne Filtry elektryczne - to obwody elektryczne wydzielające z doprowadzonego sygnału napięcia elektrycznego przebiegi, których częstotliwość leży w określonym paśmie częstotliwość. W podstawowej klasyikacji rozróżnia się iltry: dolnoprzepustowe, górnoprzepustowe, pasmowozaporowe (środkowozaporowe), pasmowoprzepustowe (środkowoprzpustowe). C U 0.7 g φ L π/2 π/4 ys Filtr górnoprzepustowy: a) C; b) L; c) charakterystyki częstotliwościowe (amplitudowa i azowa) g U C 0.7 g L φ π/4 -π/2 g ys Filtr dolnoprzepustowy: a) C; b) LC; c) charakterystyki częstotliwościowe (amplitudowa i azowa) 5

7 Filtr górnoprzepustowy (rys ) słabo przenosi sygnały o małych częstotliwościach, sygnałów zaś o wielkich częstotliwościach, praktycznie nie tłumi. Odwrotnie zachowuje się iltr dolnoprzepustowy (rys ) - bardzo dobrze przenosi sygnały o małych częstotliwościach, zaś silnie tłumi sygnały o wielkich częstotliwościach. W odniesieniu do obu iltrów można wyznaczyć pewną wartość częstotliwości, nazywaną częstotliwością graniczną g, dla której stosunek wartości napięcia wyjściowego U 2 do wejściowego U 1 wynosi U 2 1 = = (10.5.1) U1 2 a przesunięcie azowe między tymi napięciami wynosi π/4. Częstotliwość g określa tzw. pasmo przenoszenia obwodu. Przyjmuje się, że w przypadku iltru górnoprzepustowego pasmo przenoszenia rozciąga się od g do nieskończoności, a dla iltru dolnoprzepustowego - od 0 do g. L U C 0.7 g C U L 0.7 ys Filtry LC: a) dolnoprzepustowy; b) charakterystyka iltru dolnoprzepustowego LC; c)górnoprzepustowy; d) charakterystyka iltru górnoprzepustowego g ys Filtr C pasmowozaporowy : a) schemat elektryczny; b) charakterystyki częstotliwościowe (amplitudowa i azowa) 6

8 ys Filtr C pasmowoprzepustowy : a) schemat elektryczny; b) charakterystyki częstotliwościowe (amplitudowa i azowa) Filtr pasmowozaporowy (rys ) słabiej przenosi sygnały o częstotliwości 0 ( dla = 0 charakterystyka amplitudowa osiąga minimum) niż sygnały o innych częstotliwościach, zarówno większych jak i mniejszych od 0. Odwrotnie zachowuje się iltr pasmowoprzepustowy C (rys ) - lepiej przepuszcza sygnały o częstotliwości 0 (dla = 0 charakterystyka amplitudowa osiąga maksimum) niż sygnały o innych częstotliwościach (większych i mniejszych). Warto jednak zaznaczyć, że jako iltry pasmowozaporowe dużo częściej stosuje się układy typu podwójne T (rys ), wyróżniające się o wiele większą tłumiennością sygnałów dla częstotliwości 0. Filtry pasmowoprzepustowe i pasmowozaporowe mogą być też realizowane z elementów reaktancyjnych, tj. pojemności i indukcyjności (rys ). Filtry takie charakteryzować się mogą większym tłumieniem częstotliwości niepożądanych i lepszym przenoszeniem częstotliwości, na których nam zależy. Charakterystyki takich iltrów potraią być bardziej prostokątne tzn. pomiędzy częstotliwościami przenoszonymi i niepszenoszonymi jest bardzo wąska granica, zbliżona do linii pionowej. Filtry elektryczne mają szerokie zastosowanie w rozmaitych urządzeniach elektrycznych i elektronicznych. ys Filtr mostkowy typu podwójne T: a) schemat elektryczny; b) charakterystyki częstotliwościowe (amplitudowa i azowa) 7

9 ys Przykładowe schematy elektryczne iltrów LC: a) dolnoprzepustowego; b) górnoprzepustowego; c) pasmowozaporowego; d) pasmowoprzepustowego Filtr aktywny Filtry aktywne są to układy o pasmowej charakterystyce amplitudowo częstotliwościowej zbudowane z elementów aktywnych (najczęściej wzmacniaczy operacyjnych) oraz elementów biernych i C. Zastępują klasyczne iltry LC i LC, szczególnie w zakresie małych i bardzo małych częstotliwości. Ich zaletą jest brak elementów indukcyjnych. Indukcyjności bowiem są nielubianym elementem w elektronicy ze względu na małe dobroci (prawie każda rzeczywista indukcyjność posiada pewną rezystancję) i dość duże rozmiary. Dzięki zastosowaniu elementu aktywnego można uzyskać nawet wzmocnienie sygnałów z pasma przenoszenia. Filtry aktywne charakteryzują się także możliwością łatwego scalania. Są to więc w istocie wzmacniacze selektywne, o odpowiedniej konstrukcji, z elementami C lub C. Przykładowy iltr aktywny środkowoprzepustowy (tzw. iltr Sallena-Keya) przedstawiono na rys Częstotliwość środkowa tego iltru 0 wynosi: 1 0 = ( ) 2 π C Przykłady iltrów dolno- i górnoprzepustowego przedstawiono na rys Trzydecybelowe częstotliwości graniczne tych iltrów zależą od elementów i C: Są to tzw.iltry drugiego rzędu, gdyż ich transmitancja jest kwadratową unkcją częstotliwości. ys Schemat iltru aktywnego środkowoprzepustowego 8

10 ys Schemat iltru aktywnego: a) dolnoprzepustowego; b) górnoprzepustowego 9