2.3 Активный фильтр нч

На Рис. 2.3.1 изображена компьютерная модель активного фильтра нижних частот (ФНЧ). Ожидаемые параметры ФНЧ:

• частота среза (Passband) F_c = 2000;

• максимальная неравномерность затухания в полосе пропускания (Passband Ripple) R=0.1 dB (_max = 0.1 дБ);

• начало полосы задерживания (Stopband) F_s = 4000;

• минимальное затухание в полосе задерживания (Stopband Atten) A=30 dB (А_min = 30 дБ).

Задание

1). В программе MC7 введите модель схемы активного ФНЧ (Рис. 2.3.1). Источник входного сигнала V1 - генератор Sine Source.

Рис. 2.3.1. Модель схемы активного ФНЧ

2). Войдите в режим анализа AC. Установите пределы анализа в соответствии с Рис. 2.3.2 и проведите анализ. Измерьте максимальную неравномерность затухания в полосе пропускания _max  и минимальное затухание в полосе задерживания А_min . Сравните результаты с ожидаемыми параметрами фильтра.

Рис. 2.3.2. Пределы анализа в режиме AC

3). В режиме анализа AC проведите компьютерную оптимизацию - подбор 4-х резисторов с целью минимизации _max  и максимизации А_min . Рекомендуемые начальные установки в режиме оптимизации приведены на Рис. 2.3.3.

Рис. 2.3.3. Начальные установки в режиме оптимизации

4). По результатам оптимизации измерьте _max  и А_min . Сравните результаты с ожидаемыми параметрами фильтра и с параметрами, полученными в пункте 2). Введите в отчёт оптимизированную схему ФНЧ.

5). После оптимизации введите в схему ближайшие значения резисторов из ряда Е96 (±1%), проведите анализ АС и измерьте _max и А_min . Сравните результаты с ожидаемыми параметрами фильтра и с параметрами, полученными в пунктах 2) и 4).

6). Задайте для всех R и C допуск ±1% (DEV = 1%). Проведите анализ Monte Carlo (число испытаний 100 при нормальном законе распределения). Постройте гистограмму распределения Y_Range в полосе пропускания ФНЧ.

7). В режиме анализа Transient \ DSP Parameters \ Limits:

• Установите число точек (Number of Points) =8;

• При частоте входного сигнала F_вх =100 Гц измерьте коэффициент гармоник (К_г) для 2 ^й … 7 ^й гармоники F_вых и общий К_г ;

• Повторите измерения К_г для частот 2 кГц и 3 кГц;

• Определите, к какому классу аналоговых устройств (линейным или нелинейным) можно отнести данное устройство.

8). По всем проведенным исследованиям сделайте выводы.

9). Оформите документы «Схема электрическая принципиальная» (Э3) и «Перечень элементов» (ПЭ3).

10). Разработайте печатную плату [5].

2.4 Выходной каскад узч

Задание

1). В программе MC7 введите модель схемы выходного каскада УЗЧ, работающего в классе АВ (Рис. 2.4). Источник входного сигнала V1 - генератор Sine Source.

Рис. 2.4. Модель схемы выходного каскада УЗЧ

2). Рассмотрите цепь отрицательной обратной связи (ООС) по переменному току R6-R7-R8-C4. Объясните назначение элемента C4. Рассчитайте модуль коэффициента передачи цепи ООС без учёта влияния элемента C4. Считая, что коэффициент усиления  при отключенной цепи ООС достаточно велик, рассчитайте величину коэффициента усиления по формуле:

. (2.4)

3). Войдите в режим анализа AC. Установите диапазон частот [2E7,20], режим установки шкал (Auto Scale Ranges) – автоматический, анализируемые параметры (Y expression) в точке «Выход» – коэффициент передачи (dB), фаза (PH), групповое время (GD). Проведите анализ. По результатам анализа:

• Измерьте коэффициент усиления (в децибелах) при F=1000 Гц и сравните с рассчитанным в пункте 3).

• Измерьте частоту, на которой наблюдается резкий подъём коэффициента усиления, скачек фазы и группового времени. Измерьте величину фазового сдвига на высоких частотах. Поясните полученные результаты.

• Измерьте постоянные напряжения в узлах схемы.

4). Как изменится коэффициент усиления при уменьшении сопротивления резистора R6 в 2 раза? Задайте режим Stepping по сопротивлению резистора R6 от 500 до 1000 с шагом 500 и проведите анализ AC. Замерьте изменение коэффициента усиления на частоте 1000 Гц.

5). Задайте Stepping по сопротивлению резистора R6 от 1000 до 2000 с шагом 1000 и проведите анализ AC. Дайте объяснение полученному результату. Выключите Stepping по R6.

6). Задайте для всех резисторов допуск DEV=10%. В режиме анализа AC установите диапазон частот [1000,100]. Войдите в режим анализа AC\Monte Carlo\Options, установите нормальный закон распределения (Gauss) и число испытаний 100. Проведите анализ, по результатам анализа постройте гистограмму распределения максимумов (High_Y). Определите для High_Y минимальное (Low), среднее (Mean), максимальное (High) и среднеквадратичное (Sigma) значения.

7). Задайте для всех резисторов допуск DEV=10%, а для резисторов R6, R7, R8 задайте DEV=1%. Повторите испытания по пункту 6). Сравните результаты испытаний по пунктам 6) и 7).

8). В режиме анализа Transient \ DSP Parameters \ Limits измерьте коэффициент гармоник (К_г) при F_вх=1000 Гц:

• Установите число точек (Number of Points) =8;

• При частоте входного сигнала F_вх=100 Гц измерьте коэффициент гармоник (К_г) для 2^й … 7^й гармоники F_вых и общий К_г;

• Повторите измерения К_г для частот 3 кГц и 10 кГц;

• Определите, к какому классу аналоговых устройств (линейным или нелинейным) можно отнести данное устройство.

9). В модели схемы (Рис. 2.3) разорвите цепь ООС между R8 и R14. Выход генератора V1 подключите к резистору R8 (перенесите соединитель Т1 от конденсатора С1 к резистору R8, свободный вывод конденсатора С1 заземлите). В режиме анализа АС установите Stepping по сопротивлению резистора R6 от 500 до 2500 с шагом 500 и задайте параметры для анализа: по оси X - действительную проекцию вектора напряжения на выходе УЗЧ (RE(V(Out))), по оси Y - мнимую проекцию этого вектора (IM(V(Out))).

10). Проведите анализ АС. По результатам анализа:

• Изучите семейство годографов Найквиста.

• Выделите часть семейства годографов, расположенную между координатами (-1,3) по оси X и (2,-2) по оси Y. На оси X отметьте «звёздочкой» точку (1,0). Годограф, не охватывающий точку (1,0) соответствует устойчивому УЗЧ. Годограф, охватывающий точку (1,0), соответствует неустойчивому УЗЧ.

• Определите, при каких значениях резистора R6 данный УЗЧ ещё устойчив, а при каких - неустойчив. Используя Stepping по сопротивлению R6 с шагом 100, определите более точно границу устойчивой работы УЗЧ. Рассчитайте максимальное значение , при котором УЗЧ ещё устойчив.

• Установите ёмкость конденсатора С3=50 P и постройте новое семейство годографов Найквиста. На оси X отметьте точку (1,0) и определите новые значения R6 и . Сравните результаты с результатами, полученными ранее, и поясните роль конденсатора С3. Выключите Stepping по R6.

11). По всем проведенным исследованиям сделайте выводы.

12). Оформите документы «Схема электрическая принципиальная» (Э3) и «Перечень элементов» (ПЭ3).

13). Разработайте печатную плату [5].