TEORIA OBWODÓW I SYGNAŁÓW LABORATORIUM AKADEMIA MORSKA Katedra Telekomunikacji Morskiej
ĆWICZENIE 6 BADANIE CHARAKTERYSTYK CZĘSTOTLIWOŚCIOWYCH FILTRÓW AKTYWNYCH. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest doświadczalne wyznaczenie częstotliwościowych charakterystyk amplitudowy filtrów aktywnych oraz zapoznanie się z metodą grafów przepływowych do analizy teoretycznej układów złożonych z filtrów aktywnych. 2. Wprowadzenie Filtrami aktywnymi nazywa się klasę układów elektronicznych zbudowanych z elementów aktywnych, pojemności i ewentualnie rezystancji a realizujących funkcję przenoszenia o zadanej charakterystyce częstotliwościowej. Powszechnie jako element aktywny w filtrach stosuje się wzmacniacz operacyjny. Jeżeli do realizacji filtru aktywnego używa się pojemności i rezystancji to takie filtry nazywa się aktywnymi filtrami RC. Filtry aktywne zbudowane z pojemności i elementu aktywnego nazywa się filtrami aktywnymi C. W zależności od sposobu pracy filtry aktywne dzielimy na C-przełączalne oraz czasu ciągłego. Filtry C przełączalne i filtry C pracujące w czasie ciągłym, można rozpatrywać jako filtry aktywne RC, w których rezystancję realizuje się poprzez przełączanie pojemności lub przez element czy układ aktywny. W ćwiczeniu będziemy się zajmowali filtrami aktywnymi RC pracującymi w czasie ciągłym. Podstawowym elementem filtru aktywnego jest wzmacniacz operacyjny pracujący w konfiguracji przedstawionej na rysunku. Z f Z U i ( U o ( Rysunek. Podstawowa konfiguracja pracy wzmacniacza operacyjnego Przy założeniu idealności wzmacniacza operacyjnego napięciową transmitancję operatorową układu można obliczyć na podstawie wzoru: U = U O i ( Z ( Z W oparciu o układ przedstawiony na rysunku można realizować różne układy: f 2
a) Wzmacniacz odwracający fazę: b) Idealny układ całkujący: c) Idealny układ różniczkujący: 3. Opis układu pomiarowego Z = R, Z f =R f. R f R Z = R, Z f =/sc. src Z = /sc, Z f =R. src Z wykorzystaniem badanego układu pomiarowego można realizować filtry aktywne pierwszego rzędu oraz układy złożone wyższego rzędu. a) Pomiar filtrów aktywnych pierwszego rzędu Przycisk A należy wcisnąć. Wybrany układ filtru aktywnego realizuje się poprzez załączenie odpowiednich przełączników oraz podanie sygnału na wybrane wejście układu. 5 9k 2 Wejście A Wejście B Wejście C 9k 5nF 5nF 3 Wyjście Rysunek 2. Układ do pomiary filtrów aktywnych pierwszego rzędu 3
b) Pomiar złożonego układu filtru aktywnego. W celu wykonania pomiaru złożonego filtru należy podać sygnał na wejście D oraz przełącznikami C i B wybrać odpowiedni układ filtru. 00k 4 5n Wejście D 5n Przycisk C Przycisk B 4. Program ćwiczenia Rysunek 3. Układ do pomiary filtrów aktywnych wyższego rzędu a) Wykonać pomiary amplitudowych charakterystyk częstotliwościowych układów filtrów pierwszego rzędu podanych przez prowadzącego ćwiczenia. b) Pomierzyć amplitudowe charakterystyki częstotliwościowe złożonego filtru aktywnego (przełącznik B wciśnięty). Pomiary wykonać dla dwóch położeń przełącznika 4. c) Pomierzyć amplitudowe charakterystyki częstotliwościowe aktywnego filtru złożonego (przełącznik C wciśnięty). Pomiary wykonać dla dwóch położeń przełącznika 4. 5. Opracowanie wyników. a) Na podstawie schematów ideowych wyznaczyć teoretycznie transmitancje filtrów pierwszego rzędu pomierzonych w punkcie 4a. b) Na tych samych wykresach umieścić charakterystyki amplitudowe układu filtru pierwszego rzędu otrzymane z pomiarów w punkcie 4a oraz z obliczeń teoretycznych w punkcie 5a. We wszystkich wykresach oś częstotliwości powinna być wykreślona w skali logarytmicznej natomiast transmitancja układów powinna być podana w decybelach. c) Wykreślić pomierzone w punktach 4b i 4c charakterystyki amplitudowe aktywnych filtrów złożonych. d) Wyznaczyć teoretycznie metodą grafów przepływowych oraz wykreślić transmitancje złożonych filtrów aktywnych pomierzonych w punktach 4b i 4c. Obliczone 4
transmitancje umieścić na tych samych wykresach, co charakterystyki pomierzone. (UWAGA Zadanie dodatkowe na lepszą ocenę). 6. Pytania kontrolne a) Podać podstawową konfigurację pracy wzmacniacza operacyjnego oraz napisać wyrażenie na transmitancję takiego układu. b) Narysować schemat ideowy idealnego układu całkującego. c) Narysować schemat ideowy idealnego układu różniczkującego. d) Omówić różnice pomiędzy idealnym układem całkującym a nieidealnym. 7. Literatura. Andrzej Guźiński, Liniowe elektroniczne układy analogowe, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 992. 2. Andrzej Filipkowski, Układy elektroniczne analogowe i cyfrowe, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 989. 5