ИССЛЕДОВАНИЕ АКТИВНОГО ФИЛЬТРА НИЖНИХ ЧАСТОТ

1

ИССЛЕДОВАНИЕ АКТИВНОГО ФИЛЬТРА НИЖНИХ ЧАСТОТ.

Цель работы: Изучить устройство и работу активного фильтра нижних частот.

Приобрести навыки компьютерного моделирования радиоэлектронных устройств с помощью программы ElectronicsWorkbench и навыки проведения натурного эксперимента и работы с радиоизмерительными приборами. С помощью натурного эксперимента подтвердить репрезентативность компьютерного моделирования.

Приборы и материалы: ПК 486 модели, дискета 3,5``,

макет активного фильтра нижних частот, генератор низкочастотный Г3-112, два электронных милливольтметра В3-38 (В3-13), двухлучевой осциллограф С1-55, фазометр Ф2- 4, два коаксиальных тройника, соединительные 50-омные коаксиальные кабели.

Краткая теория. Операционные усилители широко применяются для построения активных фильтров. Как и любой активный фильтр (то есть фильтр, содержащий в своём составе активный четырёхполюсник), активные фильтры на операционных усилителях обладают рядом примуществ перед пассивными фильтрами, главные из которыхболее широкий класс реализуемых передаточных функций, большая гибкость в выборе способов реализации и изменения параметров, развязывание цепи, формирующей передаточную функцию, от влияния нагрузки, усиление сигнала и т. д.

Вот электрическая принципиальная схема нашего фильтра нижних частот.

2

Как и все другие электронные устройства в данной дипломной работе, наш активный фильтр нижних частот спроектирован на базе операционного усилителя µА741 (140УД7). Сигнал подаётся на неинвертирующий вход операционного усилителя через несколько включённых последовательно интегрирующих звеньев. Выбор частоты среза фильтра осуществляется ёмкостью конденсаторов С1 – С3 или сопротивлением резисторов R1 – R3. При этом соотношения между их величинами должны быть сохранены!!!

Крутизна амплитудно-частотной характеристики фильтра зависит от величины отрицательной обратной связи, устанавливаемой резистором R5.

Так выглядит наш ФНЧ в рабочем окне программы

Electronics Workbench v.5.12.

3

Теперь посмотрим в полный экран осциллограммы входного и выходного сигналов нашего ФНЧ. Входной сигнал показан синим цветом в верхней части экрана, а выходной сигнал – красным цветом в нижней части экрана.

4

Посмотрели сигналы во временной области, а теперь можно посмотреть и в спектральной области. Для этого в программе Electronics Workbench v.5.12. предусмотрен виртуальный анализатор спектра и окно Фурье-анализа. Сначала посмотрим спектрограмму входного сигнала.

5

Как и следовало ожидать, мы видим одну спектральную линию, так как подаём на фильтр чисто гармонический сигнал с генератора функций. За счёт нелинейности активного элемента (в данном случае операционного усилителя) активный фильтр нельзя считать чисто линейным устройством в отличии от пассивного фильтра, который не содержит активных элементов. Вот спектрограмма сигнала на выходе фильтра, на которой видны спектральные линии высших гармоник, то есть имеют место нелинейные искажения

6

И ,наконец, самые главные характеристики фильтра – амплитудно-частотнная и фазо-частотная характеристики.

7

Порядок выполнения работы. Сначала выполняется компьютерное моделирование, а затем – натурный эксперимент. Включите компьютер, загрузите программу EWB, откройте файл «активный фильтр нижних частот.ewb». Путь к файлу диск С: \ Program Files \ Ewb512 \ Circuits \ схемы \

активный фильтр нижних частот.ewb. Запустить процесс симуляции щелчком левой кнопки мышки по выключателю, расположенному в верхнем правом углу экрана. Активируйте осциллограф, щелкнув левой кнопкой мышки по его значку в схеме и выбрав в появившемся меню пункт «Open» (открыть). У осциллографа настройте вертикальное отклонение лучей, скорость развёртки, смещения по осям Х и Y так, чтобы удобно было наблюдать сигналы на входе и на выходе схемы.

Пользуясь окном «AC-frequency» из меню «Analysis»,

снимите АЧХ и ФЧХ. .По виду АЧХ докажите, что схема действительно является ФНЧ. Поменяйте номиналы резисторов R1 – R3 в частотозадающей цепи на 300 кОм. Снимите новую АЧХ и ФЧХ и определите новую частоту среза. Как влияет сопротивления резисторов на частоту среза фильтра? Подберите такие сопротивления трёх названных резисторов, чтобы частота среза фильтра стала равна 100 кГц, 200 кГц.

Схему ФНЧ, осциллограммы, спектрограммы, АЧХ и ФЧХ рекомендуется сохранить на дискете для последующего отчёта, оформляемого в текстовом редакторе Microsoft Word.

ВНИМАНИЕ! ПЕРЕД ЗАВЕРШЕНИЕМ РАБОТЫ С ПРОГРАММОЙ EWB ВО ИЗБЕЖАНИЕ ПОРЧИ СХЕМНЫХ ФАЙЛОВ ИЗМЕНЕНИЯМИ, ВНЕСЁННЫМИ В СХЕМЫ В ПРОЦЕССЕ ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ,

8

УБЕРИТЕ ЭТИ ИЗМЕНЕНИЯ ЛИБО ВЫБРАВ ОПЦИЮ «REVERT TO SAVED» (ВЕРНУТЬСЯ К СОХРАНЁННОМУ) В

МЕНЮ «FILE», ЛИБО НА ЗАПРОС «SAVE CHANGES…? (СОХРАНИТЬ ИЗМЕНЕНИЯ В ТАКОЙ-ТО СХЕМЕ?) ОТВЕТИТЬ «NO» (НЕТ).

Теперь перейдём к натурному эксперименту. Надо подключить макет активного фильтра нижних частот к блоку питания. К входу и выходу активного фильтра нижних частот подключить осциллограф и электронные милливольтметры, используя тройники. У осциллографа настройте вертикальное отклонение лучей, скорость развёртки, смещения по осям Х и Y так, чтобы удобно было наблюдать сигналы. Отрегулируйте входной сигнал с генератора Г3-112 так , чтобы синусоида на выходе ФНЧ шла без ограничения. Далее снимите АЧХ фильтра в точках 10, 100 Гц, 1, 10 и 20 кГц, устанавливая на входе ФВЧ гармонический сигнал с генератора Г3-112 с постоянным уровнем и контролируя его первым милливольтметром и замеряя уровень выходного сигнала вторым электронным милливольтметром В3-38. Пользуясь

и сравните с результатом компьютерного моделирования. Результаты рекомендуется оформить в виде

электронной таблицы и графика в программе Microsoft Excel, которые затем вставляются в отчёт в редакторе Microsoft Word.

Теперь с помощью фазометра надо снять ФЧХ фильтра в тех же точках,что и АЧХ и оформить аналогичным образом в отчёте.

9

Контрольные вопросы:

1.В чём заключаются преимущества активных фильтров перед пассивными?

2.Назовите основные особенности конструкции данного ФНЧ.

3.Являются ли активные фильтры линейными радиотехническими устройствами?

4.Как Вы думаете, происходит ли в ФНЧ интегрирование сигнала? Ведь и на входе, и на выходе фильтра сигнал гармонический.

Литература:

1.Достал Иржи. Операционные усилители: пер. с

англ. – М.: Мир, 1982. – 512 с., ил.

2.Кар Дж. Проектирование и изготовление электронной аппаратуры: Пер. с англ. – 2-е изд. стереотип, -

М.: Мир, 1986. – 387 с., ил.

Кардашев Г.А. Виртуальная электроника. Компьютерное

моделирование аналоговых устройств. – М.: Горячая линия – Телеком, 2002. – 260 с., ил.

3.Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM РС. Программа Electronics Workbench и ее применение. –

М.:Солон – Р, 2001 – 726 с., ил.

4.Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника (полный курс): Учебник для вузов/Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров; Под ред. О.П. Глудкина.

–М.: Горячая линия – Телеком, 2002. – 768 с., ил.

5.Примерная программа дисциплины «Основы схемотехники».

10

6. Расчет электронных схем. Примеры и задачи: Учеб. пособие для вузов по спец. электрон. техники Г.И. Изъюрова, Г.В. Королев, В.А. Терехов и др. – М.: Высшая школа, 1987. – 335 с., ил.