Лабораторная работа № 5

Тема: Исследование электрических фильтров

Цель: Научить измерять и строить частотные характеристики исследуемых фильтров, определять их частоты среза, оценивать влияние сопротивления нагрузки на частотные характеристики, вычислять затухание фильтров, сравнивать экспериментальные и расчетные параметры.

Оборудование:. Генератор синусоидальных колебаний, вольтметр переменного тока, осциллограф, лабораторный макет, ПЭВМ, программа Electronics Workbench 5.12, тестовая программа «MyTest».

1. Краткие теоретические сведения

Электрический фильтр – это устройство, пропускающее электрические колебания одних частот и подавляющее электрические колебания других. Диапазон частот, в котором затухание колебаний не превышает некоторого заданного значения, называют полосой пропускания или полосой прозрач­ности фильтра. Остальная область частот образу­ет полосу затухания или полосу задержи­вания. В зависимости от полосы пропускания и задержива­ния электрические фильтры подразделяют на фильтры нижних частот (ФНЧ), фильтры верхних частот (ФВЧ), полосовые фильтры (ПФ) и заграждающие, или режекторные фильтры (ЗФ). Амплитудно-частотные ха­рактеристики (АЧХ) идеальных фильтров, представляю­щие собой зависимость коэффициента передачи фильтра K(f)=Uвых/Uвх от частоты, показаны на рисунке 1. Частота, разделяющая полосы пропускания и задерживания, на­зывается частотой среза или граничной часто­той.

Рисунок 1 – Амплитудно-частотные характеристики идеальных электри­ческих фильтров

Рисунок 2 – Амплитудно-частотные характеристики реальных электри­ческих фильтров

В реальных фильтрах коэффициент передачи в по­лосе пропускания не постоянен и уменьшается к краям полосы пропускания, достигая минимального значения в области задерживания (рисунок 2).

Конструкция и принцип действия фильтра зависят от диапазона пропускаемых частот и требуемого вида АЧХ.

Фильтры могут состоять из одного или нескольких Г-, Т- и П-образных или мостовых звеньев. В диапазоне частот от сотен килогерц до десятков мегагерц элементами фильтров обычно являются катушки индуктивности L и конденсаторы С (LС-фильтры). С понижением частоты увеличиваются размеры катушки индуктивности, что при­водит к увеличению габаритов фильтра и ухудшению стабильности границ полосы пропускания. Поэтому в диапазоне частот от сотен килогерц до единиц и долей герц применяются фильтры, состоящие из резисторов R и конденсаторов С (RС-фильтры).

Фильтры, состоящие только из элементов L, С и R, называются пассивными. Кроме пассивных фильтров, в радиоэлектронике широко применяются активные фильт­ры, выполненные на основе линейных усилителей, в част­ности на основе интегральных операционных усилите­лей.

Электрические фильтры широко применяются в раз­личных радиоэлектронных устройствах (радиоприемни­ках, многоканальных системах проводной связи, авто­матике, приборостроении и др.) для разделения электри­ческих колебаний по частоте, а также для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения.

Схема пассивного Г-образного LС ФНЧ показана на рисунке 3,а.

Рисунок 3 – Схемы пассивных LС-фильтров

Такой фильтр пропускает электрические колебания в по­лосе частот от 0 до fгр.в.=1/(2πLС) (см. рисунок 2). Это объясняется тем, что на низких частотах сопротив­ление индуктивного элемента фильтра мало, а емкостно­го – велико, и электрические колебания проходят со входа на выход почти без ослабления. С увеличением частоты сопротивление индуктивного элемента возрастает, а ем­костного – снижается, и коэффициент передачи фильтра уменьшается.

В Г-образном пассивном LС-фильтре верхних частот (рисунок 3,б) с ростом частоты сопротивление продольного плеча уменьшается, а поперечного – увеличивается, что приводит к повышению коэффициента передачи. Полоса пропускания такого фильтра (см. рисунок 2) лежит в диапазоне частот от fгр.н. = 1/(2π) до f = ∞.

Принцип работы полосового фильтра основан на ис­пользовании резонансов напряжений и токов в последова­тельных и параллельных колебательных контурах. При совпадении частот, на которых наблюдается резонанс напряжений в последовательном колебательном контуре L₁С₁ и резонанс токов в параллельном колебательном контуре L₂C₂ (рисунок 3, в), сопротивление продольного плеча L₁C₁ оказывается минимальным, а поперечного L₂С₂ – максимальным. Коэффициент передачи ПФ при этом имеет наибольшее значение. При отклонении ча­стоты входных колебаний от резонансной коэффициент передачи ПФ уменьшается .

В заграждающих (режекторных) фильтрах также ис­пользуются резонансы напряжений и токов, но в отличие от ПФ параллельный колебательный контур включен в продольное плечо, а последовательный — в поперечное. При резонансе сопротивление продольного плеча оказывается максималь­ным, а поперечного – минимальным, что соответствует наибольшему затуханию (рисунок 2). Для электрических колебаний с частотами, отличающимися от резонансной, сопротивление продольного плеча уменьшается, а попе­речного — увеличивается, в результате чего увеличивается коэффициента передачи.

В области сравнительно низких частот (менее 100 кГц) в электрических фильтрах требуются большие ёмкости конденсаторов и индуктивности катушек, которые по массе и габаритам значительно превышают интегральные микросхемы. Поэтому при построении фильтров указанного радиодиапазона в качестве базовых элементов используются операционные усилители (ОУ). Электрические фильтры, представляющие собой комбинации определённым образом соединённых RC-цепей и ОУ, получили название активных фильтров.

На основе активных фильтров строятся фильтры любого типа (ФНЧ, ФВЧ и т.д.).