WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYK FILTRÓW BIERNYCH (komputerowe metody symulacji)
Zagadnienia: Filtr bierny, filtry selektywne LC, charakterystyka amplitudowo-częstotliwościowa, fazowo-częstotliwościowa, przebiegi sinusoidalne zmienne, suma wektorowa prądów, sumowanie napięć, szeregowe i równoległe obwody prądu zmiennego. Cel ćwiczenia. zapoznanie się z programem Pspice, analiza filtrów, typu: CR, RC, TT, LCR (głównie charakterystyki częstotliwościowe). Przebieg ćwiczenia badania oraz pomiary. Filtr typu CR 1. Narysować schemat filtru typu CR wg Rys. 1, dla źródła V1 (VSRC) AC=1. Rys.1. Schemat filtru CR. 2. Narysować charakterystykę amplitudowo-częstotliwościową filtru typu CR: w celu otrzymania charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowej filtru typu CR wprowadzić parametry analizy AC Sweep: uruchomić symulację, a następnie Trace Add Trace i w oknie dialogowym wpisać V(Uwy)/V(Uwe) i potwierdzić OK, otrzymany wykres zapisać,
do wyznaczenia częstotliwości granicznej nanieść poziom wzmocnienia odpowiadający wartości (Trace Add Trace i w oknie dialogowym wpisać 0.707, następnie wybrać ikonkę Toggle Cursor i w oknie Probe Cursor lewym klawiszem myszy kliknąć punkt przecięcia charakterystyki z poziomem 0.707), odczytane wartości zapisać, w celu wyznaczenia wartości wzmocnienia dla częstotliwości granicznej bliskiej 10 khz prawym przyciskiem myszy kliknąć w pobliżu tej częstotliwości i w okienku Probe Cursor odczytać żądaną wartość, uzyskane wartości zapisać. 3. Narysować charakterystykę logarytmiczną filtru CR: w celu otrzymania charakterystyki logarytmicznej postępujemy podobnie rysując funkcję 20*log10(V(Uwy)/V(Uwe)), a poziom wzmocnienia, na którym wyznaczono pasmo jest równy -3dB. 4. Narysować charakterystykę fazowo-częstotliwościową filtru CR: w celu otrzymania charakterystyki fazowo-częstotliwościowej filtru typu CR w oknie dialogowym Trace Expression wprowadzić P(V(Uwy)), otrzymany wykres zapisać, dolną częstotliwość graniczną odczytać w punkcie przecięcia charakterystyki z poziomem 45 0 (w oknie dialogowym Trace Expression wprowadzić 45). 5. Wykonać zestawienie charakterystyk częstotliwościowych filtru CR: umieścić na schemacie marker VP (otrzymamy charakterystykę fazowoczęstotliwościową) Marker w celu dorysowania charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowej w programie odpowiedzialnym za wykresy wybieramy Plot Add Plot to Window oraz Trace Add Trace, a następnie w oknie dialogowym Trace Expression wprowadzić V(Uwy)/V(Uwe). 6. Sprawdzić, jak zmieni się kształt wybranych charakterystyk przy zmianie wartości parametrów układu R1 i C1 np. stukrotnie (zwiększyć i zmniejszyć).
Filtr typu RC 1. Narysować schemat filtru typu RC wg Rys.2, dla źródła V1 (VSRC) AC=1. Rys.2. Schemat filtru RC. 2. Narysować charakterystykę amplitudowo-częstotliwościową filtru typu RC. 3. Narysować charakterystykę logarytmiczną filtru RC. 4. Narysować charakterystykę fazowo-częstotliwościową filtru RC. 5. Wykonać zestawienie charakterystyk częstotliwościowych filtru RC. Filtr środkowoprzepustowy RC (napięciowy dzielnik impedancyjny) 1. Narysować schemat napięciowego dzielnika impedancyjnego wg Rys.3, dla źródła V1 (VSRC) AC=1. Rys.3. Napięciowy dzielnik impedancyjny. 2. Na wyjściu na schemacie umieścić marker napięcia. 3. Przeprowadzi analizę AC Sweep. W celu otrzymania charakterystyk częstotliwościowych: wprowadzić następujące parametry analizy AC Sweep:
uruchomić symulację i zapisać otrzymany przebieg. 4. Nanieść na otrzymany wykres przebieg przesunięcia fazowego (Plot Add Y Axis, a następnie Trace Add Trace i w oknie dialogowym wpisujemy P(V(Uwy)), potwierdzamy OK i zapisujemy wykres. 5. Odczytać, z otrzymanych przebiegów, częstotliwość środkową filtru oraz maksymalną wartość modułu transmitancji. Obliczyć częstotliwość środkową napięciowego dzielnika impedancyjnego stosując wzór: oraz wartość modułu transmitancji napięciowej dla tej częstotliwości, stosując wzór: 6. Dobrać elementy filtru z Rys.3, dla których częstotliwość środkowa wynosi. W celu potwierdzenia poprawności obliczeń wykonać symulację takiego filtru, uzyskane wyniki zapisać. Filtr środkowo zaporowy TT (filtr typu podwójne T, czwórnik kratowy) 1. Narysować schemat filtru typu TT wg Rys.4, dla źródła V1 (VSRC) AC=1. Rys.4. Schemat filtru typu TT.
2. Przeprowadź analizę AC Sweep filtru typu TT o jednakowych wartościach pojemności i rezystancji. W celu otrzymania charakterystyk częstotliwościowych wprowadź następujące parametry: Uruchomić i zapisać otrzymany wykres. 3. Nanieść na otrzymany wykres przebieg przesunięcia fazowego (Plot Add Y Axis) i kolejno: Trace Add Trace i w oknie dialogowym wpisujemy P(V(Wy)) i potwierdzamy OK., zapisujemy otrzymany wykres. 4. Odczytać minimalną wartość napięcia wyjściowego (włączyć Toggle Cursor i przycisnąć Cursor Trough). 5. Obliczyć częstotliwość środkową filtru TT stosując wzór: 6. Otrzymać charakterystyki częstotliwościowe filtrów typu TT o optymalnie dobranych parametrach (tzn.: R1=R2, R3=0.5R1, C1=C2, C3=2C1); w przypadku badanego filtru R3=1k, C3=2u. 7. Dobrać elementy filtru z Rys.4, dla którego częstotliwość środkowa wynosi. W celu potwierdzenia poprawności obliczeń wykonać symulację takiego filtru, otrzymane wyniki zapisać. 8. Sprawdź w jakim zakresie zmienia się przesunięcie fazowe wprowadzone przez filtr TT przedstawiony na Rys.5. Rys.5. Schemat filtru TT.
Filtr głośnikowy LCR (zwrotnica) 1. Narysować filtr głośnikowy wg Rys.6, dla źródła V1 (VSRC) AC=1. Rys.6. Schemat zwrotnicy. 2. Przeprowadzić analizę AC Sweep zwrotnicy. W celu otrzymania charakterystyk częstotliwościowych wprowadzić następujące parametry: 3. Obliczyć częstotliwość rezonansową układu z Rys.6, a następnie odczytać częstotliwość rezonansową w okienku Probe Cursor. 4. Odczytać maksymalną wartość prądu i porównać ją z wynikiem obliczeń. 5. Sporządzić wykres zależności impedancji wejściowej od częstotliwości. W oknie programu z wykresami wybrać Trace Add Trace i w oknie dialogowym wpisać V(we)/I(V1) i potwierdzić OK. 6. Sporządzić wykres zależności wzmocnienia napięciowego od częstotliwości w paśmie akustycznym (od 20 Hz do 20 khz): Trace Add Trace, w oknie dialogowym wpisać V(wy)/V(we) i potwierdzić OK. 7. Sporządzić wykres zależności przesunięcia fazowego od częstotliwości w paśmie akustycznym (od 20 Hz do 20 khz): Trace Add Trace, w oknie dialogowym wpisać P(V(Wy)) i potwierdzić OK.