BADANIE DOLNOPRZEPUSTOWEGO FILTRU RC



Podobne dokumenty
PRACOWNIA ELEKTRONIKI

Ćwiczenie - 1 OBSŁUGA GENERATORA I OSCYLOSKOPU. WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYKI AMPLITUDOWEJ I FAZOWEJ NA PRZYKŁADZIE FILTRU RC.

Charakterystyka amplitudowa i fazowa filtru aktywnego

Ćwiczenie F3. Filtry aktywne

W celu obliczenia charakterystyki częstotliwościowej zastosujemy wzór 1. charakterystyka amplitudowa 0,

Ćwiczenie 2: pomiar charakterystyk i częstotliwości granicznych wzmacniacza napięcia REGIONALNE CENTRUM EDUKACJI ZAWODOWEJ W BIŁGORAJU

ĆWICZENIE 5 EMC FILTRY AKTYWNE RC. 1. Wprowadzenie. f bez zakłóceń. Zasilanie FILTR Odbiornik. f zakłóceń

Ćwiczenie nr 11. Projektowanie sekcji bikwadratowej filtrów aktywnych

Ćwiczenie F1. Filtry Pasywne

Badanie wzmacniacza niskiej częstotliwości

Analiza właściwości filtra selektywnego

Laboratorum 2 Badanie filtru dolnoprzepustowego P O P R A W A

PROTOKÓŁ POMIAROWY - SPRAWOZDANIE

Pomiar podstawowych parametrów liniowych układów scalonych

Ćwiczenie nr 65. Badanie wzmacniacza mocy

Bierne układy różniczkujące i całkujące typu RC

LABORATORIUM ELEKTRONIKI FILTRY AKTYWNE

PRACOWNIA ELEKTRONIKI

PRACOWNIA ELEKTRONIKI

Ćwiczenie F1 ( 90 minut ) Filtry pasywne

Filtry aktywne filtr środkowoprzepustowy

Wzmacniacz tranzystorowy

POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, WYDZIAŁ PPT I-21 LABORATORIUM Z PODSTAW ELEKTRONIKI Ćwiczenie nr 4. Czwórniki bierne - charakterystyki częstotliwościowe

Politechnika Białostocka

TEORIA OBWODÓW I SYGNAŁÓW LABORATORIUM

Własności dynamiczne przetworników pierwszego rzędu

Analiza właściwości filtrów dolnoprzepustowych

H f = U WY f U WE f =A f e j f. 1. Cel ćwiczenia. 2. Wprowadzenie. H f

Elektronika. Wzmacniacz tranzystorowy

Filtry. Przemysław Barański. 7 października 2012

Liniowe układy scalone. Filtry aktywne w oparciu o wzmacniacze operacyjne

Badanie właściwości dynamicznych obiektów I rzędu i korekcja dynamiczna

Filtry aktywne filtr górnoprzepustowy

Tranzystor bipolarny LABORATORIUM 5 i 6

ĆWICZENIE 6 Transmitancje operatorowe, charakterystyki częstotliwościowe układów aktywnych pierwszego, drugiego i wyższych rzędów

LABORATORIUM OBWODÓW I SYGNAŁÓW

Dynamiczne badanie wzmacniacza operacyjnego- ćwiczenie 8

WZMACNIACZ OPERACYJNY

Tranzystory bipolarne. Właściwości dynamiczne wzmacniaczy w układzie wspólnego emitera.

PROTOKÓŁ POMIARY W OBWODACH PRĄDU PRZEMIENNEGO

Wzmacniacze operacyjne

BADANIE FILTRÓW. Instytut Fizyki Akademia Pomorska w Słupsku

Ryszard Kostecki. Badanie własności filtru rezonansowego, dolnoprzepustowego i górnoprzepustowego

LABORATORIUM ELEKTROTECHNIKI POMIAR PRZESUNIĘCIA FAZOWEGO

AKADEMIA MORSKA KATEDRA NAWIGACJI TECHNICZEJ

Ćwiczenie 5. Pomiary parametrów sygnałów napięciowych. Program ćwiczenia:

Tranzystory bipolarne. Właściwości wzmacniaczy w układzie wspólnego kolektora.

CHARAKTERYSTYKI CZĘSTOTLIWOŚCIOWE

TEORIA OBWODÓW I SYGNAŁÓW LABORATORIUM

Ćwiczenie: "Obwody prądu sinusoidalnego jednofazowego"

Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa

Laboratorium Podstaw Elektrotechniki i Elektroniki

Autor: Franciszek Starzyk. POJĘCIA I MODELE potrzebne do zrozumienia i prawidłowego wykonania

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

L ABORATORIUM UKŁADÓW ANALOGOWYCH

Badanie właściwości multipleksera analogowego

Autorzy: Jan Szajdziński Michał Bujacz Karol Kropidłowski. Laboratorium: Projektowanie pasywnych i aktywnych filtrów analogowych

Ćwiczenie nr 3 OBWODY LINIOWE PRĄDU SINUSOIDALNEGO

WZMACNIACZE OPERACYJNE

Laboratorium Przyrządów Półprzewodnikowych Laboratorium 1

Sprzęt i architektura komputerów

A3 : Wzmacniacze operacyjne w układach liniowych

Laboratorium: Projektowanie pasywnych i aktywnych filtrów analogowych

Ćwiczenie E6. BADANIE PROSTOWNIKÓW JEDNO- i DWUPOŁÓWKOWEGO

WZMACNIACZ NAPIĘCIOWY RC

Ćwiczenie 21. Badanie właściwości dynamicznych obiektów II rzędu. Zakres wymaganych wiadomości do kolokwium wstępnego: Program ćwiczenia:

Elektronika. Wzmacniacz operacyjny

ĆWICZENIE NR 1 TEMAT: Wyznaczanie parametrów i charakterystyk wzmacniacza z tranzystorem unipolarnym

Podstawowe zastosowania wzmacniaczy operacyjnych wzmacniacz odwracający i nieodwracający

ZASTOSOWANIA WZMACNIACZY OPERACYJNYCH

A6: Wzmacniacze operacyjne w układach nieliniowych (diody)

SPRAWDZENIE PRAWA OHMA POMIAR REZYSTANCJI METODĄ TECHNICZNĄ

Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa

LABORATORIUM PODZESPOŁÓW ELEKTRONICZNYCH. Ćwiczenie nr 2. Pomiar pojemności i indukcyjności. Szeregowy i równoległy obwód rezonansowy

WYDZIAŁ FIZYKI, MATEMATYKI I INFORMATYKI POLITECHNIKI KRAKOWSKIEJ, Instytut Fizyki LABORATORIUM PODSTAW ELEKTROTECHNIKI, ELEKTRONIKI I MIERNICTWA

POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, WYDZIAŁ PPT I-21 LABORATORIUM Z PODSTAW ELEKTROTECHNIKI I ELEKTRONIKI 2

TEORIA OBWODÓW I SYGNAŁÓW LABORATORIUM

WZMACNIACZ OPERACYJNY

Temat ćwiczenia: Wyznaczanie charakterystyk częstotliwościowych podstawowych członów dynamicznych realizowanych za pomocą wzmacniacza operacyjnego

Ćw. 8: POMIARY Z WYKORZYSTANIE OSCYLOSKOPU Ocena: Podpis prowadzącego: Uwagi:

Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki Katedra Elektroniki

BADANIE SZEREGOWEGO OBWODU REZONANSOWEGO RLC

Bogdan Olech Mirosław Łazoryszczak Dorota Majorkowska-Mech. Elektronika. Laboratorium nr 3. Temat: Diody półprzewodnikowe i elementy reaktancyjne

Laboratorium Podstaw Elektrotechniki i Elektroniki

L ABORATORIUM UKŁADÓW ANALOGOWYCH

WZMACNIACZE OPERACYJNE Instrukcja do zajęć laboratoryjnych

Ćwiczenie M3 BADANIE PRZEBIEGÓW NAPIĘCIOWYCH ZA POMOCĄ MULTIOSCYLOSKOPU

Laboratorium KOMPUTEROWE PROJEKTOWANIE UKŁADÓW

rezonansu rezonansem napięć rezonansem szeregowym rezonansem prądów rezonansem równoległym

POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA

E 6.1. Wyznaczanie elementów LC obwodu metodą rezonansu

Badanie układów aktywnych część II

Wartość średnia półokresowa prądu sinusoidalnego I śr : Analogicznie określa się wartość skuteczną i średnią napięcia sinusoidalnego:

Ćwiczenie M2 POMIARY STATYSTYCZNE SERII OPORNIKÓW

WSTĘP DO ELEKTRONIKI

Ćwiczenie 4. Filtry o skończonej odpowiedzi impulsowej (SOI)

LABORATORIUM ELEKTRONIKI WZMACNIACZ MOCY

LABORATORIUM ELEKTRONIKA. Opracował: mgr inż. Tomasz Miłosławski

Badanie wzmacniacza operacyjnego

Wzmacniacz operacyjny

Transkrypt:

Laboratorium Podstaw Elektroniki Wiaczesław Szamow Ćwiczenie E BADANIE DOLNOPRZEPSTOWEGO FILTR RC opr. tech. Mirosław Maś Krystyna Ługowska niwersytet Przyrodniczo - Humanistyczny Siedlce 0

. Wstęp Celem ćwiczenia jest zmontowanie i zbadanie najprostszego dolnoprzepustowego filtru RC. Bada się tu charakterystykę amplitudową i charakterystykę fazową filtru w zależności od częstotliwości wejściowego napięcia przemiennego. W skład zestawu laboratoryjnego wchodzą:. oscylograf dwukanałowy Rigol DS 30CA. generator RC typ PW 9 3. opornik dekadowy DO 5 4. kondensator dekadowy DK 50 5. trójnik BNC 6. wtyk BNC z dwoma przewodami 7. trzy przewody koncentryczne i przewód zwykły z kopytkami Przed rozpoczęciem ćwiczenia sprawdź, czy zestaw laboratoryjny jest kompletny. Do ćwiczenia należy przygotować następujące zagadnienia: funkcje logarytmiczna, trygonometryczne i arctg x liczby zespolone i działania na nich napięcie harmoniczne i jego parametry wskazowy zapis napięć harmonicznych pojęcie czwórnika i decybeli pasywne filtry RC charakterystyka amplitudowa i fazowa filtru 3 db pasmo przenoszenia i częstotliwość graniczna pasma nachylenie charakterystyki amplitudowej WAGA: Generator RC włącza do sieci prowadzący zajęcia. 3

. Czwórniki i decybele Czwórnikiem nazywamy układ z dwoma parami zacisków. Jedną parę stanowią zaciski wejściowe, a drugą zaciski wyjściowe. Rys. Ogólnie dzielimy czwórniki na liniowe i nieliniowe. Czwórnikiem liniowym nazywa się czwórnik, w którym napięcie wyjściowe jest proporcjonalne do napięcia wejściowego. Sam czwórnik może być wewnątrz dowolnie skomplikowany. Własności czwórnika bada się na różne sposoby. Do najważniejszych badań należy analiza częstotliwościowa, w której na wejście czwórnika podaje się napięcie harmoniczne we = cosωt () gdzie pulsacja ω = πf. Częstotliwość f napięcia zmieniamy przy stałej amplitudzie. W przypadku czwórników liniowych napięcie wyjściowe jest również harmoniczne i ma tę samą częstotliwość co napięcie wejściowe wy = cos( ω t + ) () ϕ Ma ono z reguły inną amplitudę i może być przesunięte w fazie względem napięcia wejściowego. Stosunek amplitud i kąt przesunięcia fazowego ϕ zależą od częstotliwości napięcia wejściowego. Wykresy tych zależności nazywa się odpowiednio charakterystyką amplitudową i charakterystyką fazową. Oba te pojęcia należą do najważniejszych przy badaniu układów analogowych. Ponieważ stosunek amplitud może się zmieniać w szerokim zakresie, wygodniej tu stosować skalę logarytmiczną niż skalę liniową. W skali logarytmicznej stosunek sygnałów mierzy się w decybelach 0log [db] gdzie log jest logarytmem dziesiętnym. Przykładowo odstęp w decybelach między wielkościami i wynosi: 4

0 db gdy : = 3 db gdy : = 6 db gdy : = 0 db gdy : = 0 Do opisu charakterystyki amplitudowej czwórnika służą takie pojęcia jak: 3 db pasmo przenoszenia jest to zakres częstotliwości, w którym charakterystyka amplitudowa maleje nie więcej niż raza (stosunek mocy sygnałów maleje mniej niż -krotnie) częstotliwość graniczna f g częstotliwość dla której stosunek amplitud : wynosi dokładnie. Ogranicza ona 3 db pasmo przenoszenia czwórnika. nachylenie charakterystyki inaczej szybkość opadania (wznoszenia) charakterystyki amplitudowej. Mierzy się ten parametr w decybelach na dekadę [db/dek]. Przez dekadę rozumiemy tu 0-krotną zmianę częstotliwości. 3. Klasyfikacja filtrów RC Filtry elektroniczne powinne przenosić tylko te składowe przebiegu wejściowego, których częstotliwości są zawarte w paśmie przenoszenia filtru a pozostałe składowe tłumić. W zależności od zakresu pasma rozróżnia się filtry: dolnoprzepustowe i górnoprzepustowe środkowoprzepustowe i środkowozaporowe Charakterystyki amplitudowe poszczególnych filtrów ukazuje Rys. gdzie wprowadzono oznaczenia: Rys. DP filtr dolnoprzepustowy GP filtr górnoprzepustowy ŚP filtr środkowoprzepustowy Filtr środkowozaporowy ma charakterystykę złożoną z dwóch krzywych DP i GP. Filtry stosuje się głównie do eliminacji sygnałów zakłócających przebieg użyteczny. Przykładowo, 5

aby zmniejszyć zakłócenia pochodzące od sieci zasilającej (30V/50Hz) stosuje się filtry górnoprzepustowe. Z uwagi na sposób przetwarzania sygnału filtry dzielimy na cyfrowe i analogowe. Filtry ponadto dzielimy na pasywne i aktywne. Pasywne filtry składają się z pasywnych elementów elektronicznych, głównie z oporników i kondensatorów. Czasami, zwłaszcza przy dużych częstotliwościach wykorzystuje się indukcyjności nawinięte na rdzeń ferrytowy. Filtry aktywne realizuje się na bazie wzmacniaczy operacyjnych z ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Ważnym parametrem filtrów jest nachylenie charakterystyki amplitudowej. Aby skutecznie tłumić składowe o niepożądanych częstotliwościach, nachylenie charakterystyki powinno być jak największe. Z uwagi na to wyróżnia się: filtry -go rzędu o nachyleniu 0dB/dek filtry -go rzędu o nachyleniu 40 dbb/dek filtry 3-go rzędu o nachyleniu 60 db/dek itd. Najlepsze parametry posiadają filtry cyfrowe. Wykonuje się je obecnie jako układy scalone zawierające kilka filtrów o różnych pasmach przenoszenia. 4. Pasywne filtry RC Najprostszymi filtrami są pasywne filtry RC, złożone z opornika R i kondensatora C jak na Rys. 3 Rys. 3 Przy tym filtr a jest dolnoprzepustowy, a filtr b górnoprzepustowy. Jest to oczywiste jeśli się przypomni, że kondensator dobrze przewodzi sygnały szybkozmienne a źle sygnały wolnozmienne. W pierwszym filtrze kondensator C zwiera składowe o dużych częstościach. Natomiast w drugim filtrze kondensator C nie przenosi składowych o małych częstościach. Najłatwiej działanie takich filtrów można przeanalizować stosując zapis wskazowy przebiegów przemiennych. Napięciom () i () odpowiadają odpowiednio wskazy ˆ =, ˆ = e iϕ Gdzie:, - amplitudy napięcia wejściowego i wyjściowego φ - kąt przesunięcia fazowego napięcia wyjściowego względem napięcia wejściowego 6

W zapisie wskazowym pojemność C jest równoważna oporności urojonej gdzie j jest jedynką urojoną a /ωc reaktancją kondensatora. Stąd oba filtry można traktować jako dzielniki napięć zespolonych. Przykładowo, funkcja przenoszenia dla filtru dolnoprzepustowego jest równa jωc ) ) = jωc R + jωc = + jωrc Stosunek wskazów jest funkcją zespoloną ) ) = iϕ e Zatem obliczając moduł otrzymanej funkcji przenoszenia otrzymujemy charakterystykę amplitudową filtru dolnoprzepustowego = + f f g (3) gdzie wyrażenie ωrc przekształcono w iloraz f/f g. Wprowadzona wielkość f g = (4) πrc jest częstotliwością graniczną pasma przenoszenia filtru. Rzeczywiście kładąc f = f g otrzymujemy = co oznacza, że dla częstotliwości granicznej poziom charakterystyki amplitudowej opada o 3dB. Teoretyczna charakterystyka amplitudowa filtru dolnoprzepustowego przebiega jak na Rys. 4 7

Rys. 4 Nachylenie charakterystyki poza pasmem przenoszenia jest niewielkie i wynosi na dekadę (tj. dla f = 0f g ) 0log 0dB / dek + 00 Zatem rozpatrywany filtr jest -go rzędu i słabo tłumi sygnały powyżej częstotliwości granicznej. Znak minus oznacza, że charakterystyka opada ze wzrostem częstotliwości. Charakterystykę fazową filtru dostajemy obliczając argument otrzymanej funkcji przenoszenia f ϕ = arg = arctg (5) + jωrc f g gdzie arctg oznacza funkcję odwrotną do funkcji tangens. Zatem filtr dolnoprzepustowy RC wprowadza opóźnienie fazowe (w filtrze górnoprzepustowym napięcie wyjściowe wyprzedza w fazie napięcie wejściowe). Wykres teoretyczny charakterystyki fazowej dla filtru dolnoprzepustowego ukazuje Rys. 5 Rys. 5 8

Jak widać charakterystyka ta jest nieliniowa, jednak w 3 db paśmie przenoszenia nieliniowość charakterystyki nie jest znaczna. Jest to ważne, bo nieliniowość charakterystyki fazowej jest przyczyną zniekształceń sygnałów. 5. Przebieg pomiarów a. rozpoznaj jakie funkcje pełnią poszczególne pokrętła i przełączniki w oscyloskopie dwukanałowym. Zmierz dla wprawy amplitudę, napięcie międzyszczytowe i częstotliwość kilku dowolnie ustawionych przez prowadzącego zajęcia napięć harmonicznych. b. sprawdź czy oba kanały jednakowo mierzą. W tym celu podaj na oba kanały ten sam sygnał. staw jednakową skalę V/cm w obu kanałach. WAGA: Nie używaj przycisku TILITY i nie kalibruj kanałów oscyloskopu. c. przy wyłączonym generatorze połącz układ jak na Rys. 6 Rys. 6 gdzie: CH, CH oznaczają wejścia kanałów oscyloskopu. staw R = kω i C = 0,µF. Nie łącz przewodu gorącego z przewodem zimnym, bo zewrzesz wyjście generatora sinusoidy. We wtyku BNC przewód czerwony jest gorący a biały zimny. W przewodzie koncentrycznym z banankami zimnym jest przewód zwykły. WAGA: W generatorze sinusoidy nie używaj mnożnika x0, bo zmiana mnożnika zmienia warunki pomiarów. d. pomierz charakterystykę amplitudową i charakterystykę fazową badanego filtru, zmieniając częstotliwość, co 00Hz w przedziale 00 000Hz. W przedziale khz 9kHz częstotliwość zmieniaj co khz. Przy pomiarze charakterystyki amplitudowej wysokość sygnału wejściowego ustawiaj (kanał CH ) pokrętłem generatora dokładnie na 5V. Wysokość sygnału wyjściowego (kanał CH ) określaj z dokładnością 0,0V. Obserwując jednocześnie napięcia wejściowe i wyjściowe zmierz przesunięcie fazowe między nimi. Sposób pomiaru ukazuje Rys. 7. 9

Rys. 7 Zmierz przesunięcie między przebiegami w cm z możliwie największą dokładnością. Długość okresu T i przesunięcie t na ekranie oscyloskopu zależą od ustawienia pokrętła SCALE HORIZONTAL. Natomiast stosunek zależy tylko od przesunięcia w fazie sygnału wyjściowego względem sygnału wejściowego. Kąt przesunięcia fazowego wyrażony w radianach wynosi t T t ϕ = π (6) T WAGA: Przesunięcie t zawsze musi być mniejsze od T/4. e. wyniki pomiarowe zanotuj w tabeli jak niżej f [Hz] [V] / t/t ϕ [rad] 00 00 300 Tab. Aby nie utracić informacji o T i t, - stosunek t/t obliczaj dopiero wyznaczając kąt przesunięcia fazowego ϕ. 0

6. Opracowanie wyników. uzupełnij kolumny tabeli pomiarowej oznaczone przez / i ϕ. wykonaj wykres charakterystyki amplitudowej w zakresie 0 000 Hz i wyznacz z wykresu 3dB pasmo przenoszenia, częstotliwość graniczną f g i nachylenie charakterystyki. Określ rząd filtru. 3. wykonaj wykres charakterystyki fazowej w zakresie 0 9000 Hz i wyznacz z wykresu kąt przesunięcia fazowego dla częstotliwości f g 4. oblicz ze wzoru częstotliwość f g i kąt przesunięcia fazowego dla tej częstotliwości. Oszacuj błędy dla wyników teoretycznych. 5. porównaj parametry zbadanego filtru z teoretycznym w formie tabeli wyniki doświadczalne teoretyczne częst gran. [Hz] kąt faz. [rad] nach. char. [db/dek] Tab. i wyciągnij wnioski. 6. wyjaśnij pojęcie liczby zespolonej i oblicz dla przykładu moduł i argument liczb +j, + j 3. Literatura [] M. Rusek, J. Pasierbiński, Elementy i układy elektroniczne w pytaniach i odpowiedziach, WNT, Warszawa 006 [] S. Tumański, Technika pomiarowa, WNT, Warszawa 007 [3] S. Osowski, K. Siwek, M. Śniadek, Teoria obwodów, OWPN, Warszawa 006 [4] Wprowadzenie do Laboratorium Podstaw Elektroniki.