FILTRY AKTYWNE. Politechnika Wrocławska. Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki. Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego

Transkrypt

1 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinormatyki i Akustyki Zakład Układów Elektronicznych Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego FILTY AKTYWNE

2 . el ćwiczenia elem ćwiczenia jest praktyczne poznanie podstawowych iltrów aktywnych, metod ich projektowania oraz pomiaru ich podstawowych parametrów.. Opis badanych układów W ćwiczeniu proponuje się badanie właściwości układów iltrów II rzędu z wielokrotną pętlą sprzężenia zwrotnego. W tej strukturze iltrów można realizować iltry dolno-, górnoi środkowoprzepustowe. W kolejnych podpunktach omówiono ich struktury... Filtr dolnoprzepustowy Transmitancja iltru dolnoprzepustowego II rzędu z rys. ma postać: gdzie: H D = wzmocnienie. Ku UWY ( s) = = UWE ( s) s s, () G - U WE U WY OB E G 4 ys.. Filtr dolnoprzepustowy II rzędu z wielokrotną pętlą sprzężenia zwrotnego Wyznaczenie parametrów iltru dolnoprzepustowego dla zadanych: α, gran,,, ( > ): α = 4, () α =, () 4π char =, (4) = α 4π char ( ), (5)

3 4 =, (6) char =, (7) π gdzie: α współczynnik tłumienia iltru (tabela ), gran częstotliwość graniczna tj. częstotliwość przy db spadku wzmocnienia, char częstotliwość charakterystyczna iltru tj. częstotliwość przy której przesunięcie azy równe jest 90 0, 4 rezystor stosowany w celu zminimalizowania błędu niezrównoważenia. Typ iltru Tabela. Typy iltrów drugiego rzędu i ich współczynniki Współczynnik tłumienia α Współczynnik korekcyjny k p Bessela,7 0,786 Butterwortha,44 zebyszewa 0,5dB,58,58 zebyszewa db,054,40 zebyszewa db 0,886, zebyszewa db 0,766,89 zęstotliwość graniczna jedynie dla iltru Butterwortha pokrywa się z częstotliwością charakterystyczną. Podczas projektowania pozostałych typów iltrów zachodzi konieczność pomnożenia częstotliwości charakterystycznej przez odpowiedni współczynnik korekcyjny k p. = k. (8) Wartości współczynników dla danych typów iltrów umieszczono w tabeli... Filtr górnoprzepustowy Transmitancja iltru górnoprzepustowego II rzędu z rys. ma postać: gdzie: H G ( s) ( s) gran char p U wy Kus = =, (9) U we s s = wzmocnienie. G - U WE U WY OB E G ys.. Filtr górnoprzepustowy II rzędu z wielokrotną pętlą sprzężenia zwrotnego

4 Wyznaczenie parametrów iltru górnoprzepustowego dla zadanych: α, gran,,,, ( = ): =, (0) = π char α ( K ) K u, () u =, () π α char =, () 4π char char =, (4) π gdzie: rezystor stosowany w celu zminimalizowania błędu niezrównoważenia (w przybliżeniu równy ). zęstotliwość graniczna jedynie dla iltru Butterwortha pokrywa się z częstotliwością charakterystyczną. Podczas projektowania pozostałych typów iltrów zachodzi konieczność podzielenia częstotliwości charakterystycznej przez odpowiedni współczynnik korekcyjny k p. char gran =. (5) k p Wartości współczynników dla danych typów iltrów umieszczono w tabeli... Filtr środkowoprzepustowy Transmitancja iltru środkowoprzepustowego II rzędu z rys. ma postać: s U wy ( s) H S = =, (6) U ( ) we s s s a) G - U WE U WY OB E G 4 4

5 b) db środ d środ środ g ys.. Filtr środkoworzepustowy II rzędu z wielokrotną pętlą sprzężenia zwrotnego: a) realizacja iltru, b) charakterystyka iltru Wartości elementów iltru środkowoprzepustowego dla zadanych środ,, Q: =, (7) = =, (8) Q =, (9) π środ Q = πśrod ( Q ), (0) Q =, () π Q nom środ środ = =, () środ g środ środ d =, () π gdzie: 4 rezystor stosowany w celu zminimalizowania błędu niezrównoważenia (w przybliżeniu równy ). 5

6 . Przygotowanie do ćwiczenia Przed realizacją ćwiczenia, studenci otrzymują od prowadzącego zajęcia zadanie projektowe. W zadaniu określony jest typ iltru oraz jego parametry. Student dopuszczony będzie do ćwiczenia na podstawie znajomości zagadnień teoretycznych (kartkówka) oraz pod warunkiem przygotowania projektu i szablonu sprawozdania według poniższych podpunktów... Projekt powinien zawierać (szablon na stronie ) obliczenia iltru aktywnego II rzędu z wielokrotnym sprzężeniem zwrotnym. Należy pamiętać o doborze wartości elementów biernych ze znormalizowanych szeregów wartości rezystory dobierać z szeregu 5 % ego, kondensatory z wartości dostępnych w laboratorium (n, n5, n, 4n7, 6n8, 0n, 5n, n, 00nF), ) wykreślenie teoretycznej charakterystyki amplitudowej i azowej projektowanego iltru w skali lin-log (przebiegi wykreślić np. w programie PSpice). Wartość wzmocnienia napięciowego nanosić w decybelach, ) narysowanie przewidywanej odpowiedzi na skok jednostkowy układu, 4) naszkicowanie rozmieszczenia elementów iltru na uniwersalnej płytce drukowanej (rys.4),.. Szablon sprawozdania (sprawozdanie powinno zawierać 9 stron): ) strona tytułowa (szablon na stronie ) schemat układu iltru z naniesionymi wartościami elementów przyjętych w projekcie i wolnym miejscem przeznaczonym na wpisanie ich rzeczywistych wartości mierzonych na stanowisku laboratoryjnym, ) tabela na wyniki pomiarów charakterystyki U WY = (U WE ), 4) siatka w skali liniowo liniowej na wykres U WY = (U WE ), 5) tabela na wyniki pomiarów charakterystyki amplitudowej i azowej U WY = (), 6) wykres z teoretyczną charakterystyką amplitudową iltru w skali lin log na którą nanoszona będzie rzeczywista charakterystyka, mierzona na stanowisku, 7) wykres z teoretyczną charakterystyką azową iltru w skali lin log na którą nanoszona będzie rzeczywista charakterystyka, mierzona na stanowisku, 8) rysunek z odpowiedzią jednostkową iltru przewidzianą przy projektowaniu, na który naniesiona będzie rzeczywista odpowiedź zaobserwowana w czasie ćwiczeń, 9) wolna strona na wnioski z przeprowadzonego ćwiczenia. Sprawozdanie powinno być wykonane w czasie zajęć laboratoryjnych i oddane bezpośrednio po ich zakończeniu. 6

7 a) b) Z 5 Z 4 WE Z Z Z 6 Z -U - TL06 U WY ZASILANIE c) U TL U 4 regulacja osetu wejście odwracające wejście nieodwracające 4 -U 5 regulacja osetu 6 wyjście 7 U 8 N.. ys.4. Uniwersalna płytka drukowana: a) widok płytki z rozmieszczeniem elementów, b) schemat ideowy układu, c) wzmacniacz operacyjny TL06 wyprowadzenie pinów; kondensatory 5-8 służą odprzęganiu zasilania i wraz z układem TL 06 są wlutowane na płytce 4. Montaż układu ) mając na uwadze, że każdy element bierny wykonany jest z pewną dokładnością, przed przystąpieniem do składania układu iltru, należy za pomocą miernika (dostępnego na stanowisku) zmierzyć rzeczywiste wartości używanych elementów, ) zmierzone rzeczywiste wartości elementów nanieść na przygotowany schemat układu, ) rozmieścić elementy na uniwersalnej płytce montażowej i przystąpić do składania iltru. 7

8 5. Program ćwiczenia 5.. Pomiar zależności U WY = (U WE ) ) złożyć układ pomiarowy według schematu z rys.5, ) napięcie generatora zmieniać od 0 V aż do wartości, przy której mierzona charakterystyka staje się nieliniowa, pomiary wykonać dla kilku zadanych przez prowadzącego częstotliwości, ) dla badanych częstotliwości sporządzić na wspólnym rysunku wykresy U WY = (U WE ). WOLTOMIEZ ZASILAZ WOLTOMIEZ - - GENEATO U WE FILT AKTYWNY U WY OBIĄŻENIE OSYLOSKOP ys.5. Schemat blokowy układu do pomiaru U WY = (U WE ) przy = const i do pomiaru U WY = () przy U WE = const 5.. Pomiary charakterystyk amplitudowych i azowych ) w układzie z rys.5, przy stałej amplitudzie sygnału wejściowego U WE tak dobranej by iltr pracował liniowo, zmieniać częstotliwość generatora w zakresie ustalonym z prowadzącym ćwiczenie. Odczytywać wartość napięcia wyjściowego oraz przesunięcie azowe pomiędzy sygnałami wyjściowym a wejściowym (metoda oscyloskopowa Dodatek A). ) na przygotowanych do ćwiczenia rysunkach z teoretycznymi charakterystykami amplitudową i azową iltru nanieść jego pomiarowe charakterystyki, ) na podstawie wykonanych pomiarów określić: częstotliwości graniczne iltru, współczynnik tłumienia (dobroć iltru Q), wzmocnienie iltru, rodzaj charakterystyki iltru. 5.. Pomiar odpowiedzi impulsowej ) na wejście iltru podać alę prostokątną o częstotliwości powtarzania kilkakrotnie niższej od częstotliwości granicznej iltru (w przypadku iltru pasmowego podać alę prostokątną o częstotliwości równej częstotliwości środkowej), ) na przygotowany wykres nanieść przebiegi napięcia wejściowego i wyjściowego, ) wyznaczyć następujące parametry przebiegów: czas narastania, opadania i ustalania. 8

9 6. Uwagi odnośnie sprawozdania Wszystkie zmierzone parametry iltru należy porównać z parametrami wyznaczonymi analitycznie lub założonymi podczas projektowania układu. W sprawozdaniu należy także porównać rzeczywiste charakterystyki iltru otrzymane z pomiarów z charakterystykami uzyskanymi na drodze symulacji. We wnioskach należy przeprowadzić dyskusję różnic pomiędzy uzyskanymi wynikami rzeczywistymi i teoretycznymi, podejmując próbę wyjaśnienia powodów powstawania tych różnic. Sprawozdanie należy oddać bezpośrednio po wykonaniu ćwiczenia. 7. Literatura [] Golde W., Śliwa L., Wzmacniacze operacyjne i ich zastosowania, cz., Podstawy teoretyczne, Warszawa, WNT, 98. [] Guziński A., Liniowe elektroniczne układy analogowe, Warszawa, WNT, 99. [] Kulka Z., Nadachowski M., Wzmacniacze operacyjne i ich zastosowania, cz., ealizacje praktyczne, Warszawa, WNT, 98. [4] Kuta S., Elementy i układy elektroniczne, cz., Kraków, Uczelniane Wydawnictwo Naukowo- Dydaktyczne, 00. [5] Prałat A., Laboratorium układów elektronicznych, cz, Wrocław, Oicyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 00. 9

10 D O D A T E K A Pomiar przesunięcia azowego metoda oscyloskopową Pomiar przesunięcia azowego pomiędzy dwoma sygnałami najprościej wykonać na ekranie oscyloskopu. Podczas pomiaru należy pamiętać, że osie zerowe obu przebiegów muszą się pokrywać jak pokazano na rys.a.. Wówczas przesunięcie pomiędzy przebiegami obliczamy: 0 x ϕ = 60, (A.) x gdzie: x, x - odstępy odczytywane z ekranu oscyloskopu rys.a. x x ys.a.. Idea pomiaru przesunięcia azowego w trybie pracy dwukanałowej oscyloskopu Przesunięcie to można również zmierzyć przy wykorzystaniu krzywej Lissajous uzyskanej na ekranie oscyloskopu pracującego w trybie X-Y (rys.a.). Przesunięcie azowe pomiędzy przebiegami obliczamy ze wzoru: a ϕ = arcsin, (A.) b gdzie: a, b- odstępy odczytywane z ekranu oscyloskopu rys.a. b a ys.a.. Idea pomiaru przesunięcia azowego w trybie pracy X-Y oscyloskopu 0