Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ФНЧ

.pdf
Скачиваний:
52
Добавлен:
29.03.2016
Размер:
649.2 Кб
Скачать

МИНОБРНАУКИ РОССИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА С.П. КОРОЛЕВА (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)» (СГАУ)

Факультет радиотехнический

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Основы компьютерного проектирования» на тему:

«Активный фильтр нижних частот на операционном усилителе»

Выполнил: студент группы 5350а

Ершов Т.Н.

Проверил:

Муравьев А.Н.

САМАРА 2014

Курсовая работа.

Пояснительная записка: 16с., 2 рис., 4 источника.

ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, ФИЛЬТР С МНОГОПЕТЛЕВОЙ ОБРАТНОЙ

СВЯЗЬЮ, ФИЛЬТР ЧЕБЫШЕВА, , ФИЛЬТР НИЖНИХ ЧАСТОТ, ПЕРЕДАТОЧНАЯ

ФУНКЦИЯ, ORCAD 16.3

В курсовой работе приведен расчет активного фильтра нижних частот на операционных усилителях.

Определены порядок и типы звеньев фильтра, вид передаточной функции. На основании этих данных выбрана принципиальная схема и рассчитаны номиналы элементов. Полученная схема смоделирована с помощью САПР OrCAD, построены графики АЧХ, ФЧХ, переходной функции.

Техническое задание

Разработать активный RC-фильтр со следующими параметрами:

Тип фильтра – ФНЧ;

Частота среза – 5000 Гц;

Порядок фильтра – 4;

 

Содержание

 

Введение.........................................................................................

...............................5

1

Определение передаточной функции......................................................................

6

2

Выбор принципиальной схемы и расчет схемы.....................................................

8

 

2.1 Расчет первого звена фильтра.........................................................................

8

 

2.2 Расчет второго звена фильтра.........................................................................

9

3

Построение АЧХ, ФЧХ, переходной функции.....................................................

10

4

Трассировка печатной платы..................................................................................

11

Заключение..................................................................................................................

12

Список использованных источников........................................................................

13

Введение

Электрические фильтры находят широкое применение в вычислительной технике, системах автоматического управления, регулирования, передачи информации, радиотехнике, технике измерения и различного рода функциональных преобразователях. Используемые до недавнего времени во многих электронных устройствах RC-фильтры, электромеханические и пьезокерамические фильтры, фильтры на ПАВ постепенно вытесняются из аппаратуры электронными фильтрами, выполненными на микроэлектронных компонентах и элементах.

Внастоящее время большое число активных фильтров часто реализуется

сиспользованием микросхем операционных усилителей (ОУ). Применение таких звеньев обеспечивает полученные стабильных добротности и резонансной частоты и низкий уровень собственных шумов при малой величине потребляемой мощности.

При использовании в качестве элемента схемы фильтра операционного усилителя (ОУ) можно синтезировать характеристику любого RC-фильтра без применения катушек индуктивности. В отличие от пассивных RC-фильтров,

активные обеспечивают более качественное разделение полос пропускания и затухания. В них сравнительно просто можно регулировать неравномерности частотной характеристики в области пропускания и затухания, не предъявляется жестких требований к согласованию нагрузки с фильтром. Все эти преимущества активных фильтров обеспечили им самое широкое применение.

В данной курсовой работе приведен расчет активного фильтра нижних частот на операционных усилителях. Определены порядок и типы звеньев фильтра, вид передаточной функции. На основании этих данных выбрана принципиальная схема и рассчитаны номиналы элементов. Полученная схема смоделирована с помощью САПР OrCAD, построены графики АЧХ, ФЧХ,

переходной функции.

1 Определение передаточной функции

Передаточная функция проектируемого фильтра представляет собой произведение сомножителей, соответствующих звеньям первого и второго порядков. Коэффициенты, входящие в выражения для передаточной функции звеньев первого и второго порядка необходимо выбрать из таблиц. Суммарный порядок фильтра определяется, как сумма порядков составляющих его звеньев.

Поскольку порядок ФНЧ – 4, то он состоит из двух звеньев второго порядка.

ФНЧ представляет собой каскадное соединение звеньев второго порядка с передаточной функцией вида:

 

(p)

 

KC 2

 

 

 

K 2

 

 

c

 

.

(1)

p 2

B

p C 2

 

 

 

 

 

 

 

c

 

c

 

 

Коэффициенты

B и C

выбираются из приложений

в соответствии с

вычисленным порядком и неравномерностью коэффициента передачи в полосе

пропускания. Коэффициент K определяется таким

образом, чтобы

общий

коэффициент передачи всего фильтра был равен

произведению

K для

отдельных звеньев.

 

 

 

Запишем значения коэффициентов В, С и К:

 

 

B1=0,279072

C1=0,986505

K1=1

 

B2=0,673739

C2=0,279398

K2=1

 

Конечный вид передаточной функции будет следующим:

K ( p)

K C 2

 

K

2

C

2

 

 

 

1

1 c

 

 

2

c

 

(2)

p2 B

p C 2

p2 B

 

p C

2

 

1 c

1 c

2

 

c

 

2

c

 

Рисунок 1 – График передаточной функции

Как видно из графика передаточной функции, изображенного на рисунке 1, требования технического задания по частоте среза, пульсациям и коэффициенту передачи выполняются, следовательно, можно приступать к разработке принципиальной схемы фильтра.

2 Выбор принципиальной схемы и расчет схемы

При разработке принципиальной схемы необходимо выбрать принципиальную схему звеньев, составляющих фильтр, определить номиналы резисторов и конденсаторов, а также выбрать подходящий операционный усилитель.

На основании вычисленных значений первое и второе звено целесообразно сделать схеме с многопетлевой обратной связью (МОС).

Рисунок 2 – Схема ФНЧ с МОС

Схема используемого фильтра приведена на рисунке 2. Полная схема электрическая принципиальная фильтра приведена в Приложении А.

2.1 Расчет первого звена фильтра (нумерация всех элементов согласно

рисунку 2)

Расчет целесообразно вести в следующей последовательности:

1.

Выбираем

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C2

fC

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(результат в микрофарадах, при

fC

в герцах);

 

 

 

 

2.

Выбираем C1

 

B2C

2

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

(4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4C(K 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.

Вычисляем R2

 

1

 

 

 

 

 

 

 

2(K 1)

 

 

 

, R

1

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C

 

BC

2

B2C 2

4CC C

(K 1)

3

CC1C2 c2 R2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

1

2

 

 

 

 

 

 

R

R2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(5), (6), (7)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

K

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подставим числовые значения в формулы (3)-(7):

 

 

C2

2 нФ;

C1

19.75 пФ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R1 7.3кОм;

R2 7.3кОм;

R3 396,5кОм.

2.2 Расчет второго звена фильтра

Расчет производится аналогично п.2.1 по формулам (3)-(7):

C2 2 нФ;

C1 19.75 пФ;

 

R1 7.3кОм;

R2 7.3кОм;

R3 396,5кОм.

3 Построение АЧХ, ФЧХ, переходной функции

Для получения частотных и переходной характеристик фильтра, его схему необходимо смоделировать в системе проектирования OrCAD 16.3.

Далее в окне результатов моделирования включается отображение необходимых данных с помощью меню «Add/Trace». В диалоговом окне из списка выбирается выходной узел, в окне справа выбирается функция,

облегчающая интерпретацию сложных данных. В частности, функция DB()

позволяет получить отсчет в децибелах, P() – необходима для построения ФЧХ фильтра. Аргументами обеих функций является напряжение в конечном узле,

выбираемое из списка слева.

Для получения переходной функции фильтра (реакция на единичный скачок) на входе схемы устанавливается источник импульсного сигнала

VPULSE, амплитуда сигнала (V2) которого подбирается таким образом, чтобы ОУ фильтра находились в активном режиме, а амплитуда выходного сигнала фильтра была близка к максимальной. V1 устанавливается равным нулю. В

параметрах анализа выбирается «Time Domain» и указывается длительность графика выходного сигнала.

Полученные графики АЧХ, ФЧХ фильтра и реакции на единичный скачек приведены в Приложении В.