Параметры схемы источника тока

№	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
Uвх1, В	6	4	10	8	9	8	12	14	6	16	10	8	10	12	14
Uвх2, В	12	6	8	5	4	3	5	8	2	12	6	4	4	8	6
R1, кОм	2	1	4	5	2	2	4	3	2	3	2	2	3	3	4
R3, кОм	1	2	6	7	1	1	2	2	2	2	1	2	2	2	2

3.4. Содержание отчета

Титульный лист. Схемы испытаний. Данные, полученные путем моделирования работы схем. Графики полученных зависимостей. Выводы по каждому пункту работы.

Лабораторная работа №4

Исследование работы фильтров, как устройств приема и преобразования биотелеметрической информации

4.1. Цель работы

Ознакомление с работой устройств, осуществляющих прием и преобразование биотелеметрической информации.

4.2. Теоретические сведения

Биотелеметрией называется специальное научно-техническое направление, разрабатывающее вопросы отбора, преобразования, хранения, передачи, приема, обработки и представления информации о биологических объектах, расположенных на расстоянии от регистрирующего устройства. Комплекс аппаратуры, предназначенный для решения перечисленных задач, именуется биотелеметрической системой (БТМС). Биотелеметрия как метод медико-биологических исследований находит все большее применение в различных областях. Использование методов биотелеметрии позволяет освободить исследуемый объект от тех или иных форм фиксации, восстановить естественные связи организма с окружающей средой, получить качественно новую информацию в условиях свободного поведения исследуемого.

Принципы построения приемных устройств в биотелеметрии зависят от многих факторов: назначения БТМС, типа канала связи, требований к качеству передачи техническим характеристикам системы биотелеметрии, объекта исследования, целей и задач эксперимента и т.д. Основной задачей приемника биотелеметрической информации является выделение необходимого сигнала из смеси с другими налагающими сигналами и помехами, усиление принятого полезного сигнала и очищение его от помех, выделение из сигнала отдельных канальных сообщений (разделение канала). Кроме перечисленных функций в приемнике может так же осуществляться обработка и представление принятой биотелеметрической информации.

К электронным устройствам, осуществляющим прием и преобразование биотелеметрической информации можно отнести селекторы импульсов, аналоговые и цифровые фильтры, корректоры, демодуляторы и декодеры.

Электрические фильтры используются в приемниках БТМС с частотным радиоканалом для разделения каналов. Электрическим фильтром называется четырехполюсник, пропускающий без ослабления или с малым ослаблением колебания определенных частот и пропускающий с большим ослаблением колебания других частот. Полоса частот, в которой ослабление мало, называется полосой пропускания.

По расположению на шкале частот различают следующие фильтры:

1. нижних частот (ФНЧ), в которых полоса пропускания располагается на шкале частот от f=0 до некоторой заданной частоты f=f_ср;

2. верхних частот (ФВЧ) с полосой пропускания от частоты f=f_ср до бесконечно больших частот;

3. полосовые фильтры (ПФ) в которых полоса пропускания располагается между нижней и верхней частотой среза f_ср1 и f_cр2, все частоты ниже f_ср1 и выше f_ср2 подавляются

4. заграждающие (ЗФ), которые ослабляют все частоты между f_ср1 и f_ср2, и пропускают все остальные частоты;

5. многополосные, имеющие несколько полос пропускания.

При расчете фильтров и изображений их частотных характеристик, часто на практике используют логарифмические шкалы. Коэффициент усиления в логарифмической шкале выражается в децибеллах:

L=20lg(Aвых/Авх), (4.1)

где Авых – амплитуда выходного сигнала;

Авх – амплитуда входного сигнала.

Частота среза f_ср – это частота, при которой напряжения на выходе фильтра падает до уровня 0,707 от напряжения в полосе пропускания (то есть падает на 3 дБ). Полоса подавления начинается с частоты f_п, при которой выходное напряжение на 3 дБ выше, чем выходное напряжение в полосе подавления. Интервал частот от f_ср до f_п называется переходным участком. Шкала частот представляется в логарифмическом масштабе и ее разметка может осуществляться либо на октавы, либо на декады. Октавой называется изменение (увеличение или уменьшении) частоты вдвое. Например, если частота увеличивается от 500 до 1000 Гц, то это значит, что она возрастает на одну октаву. Декадой называют десятикратное уменьшение или увеличение частоты. Так, если частота увеличивается от 100 до 1000 Гц, то это означает, что она возрастает на одну декаду.

В соответствии с используемой элементной базой к настоящему моменту выделились несколько классов фильтров. Исторически первыми являются пассивные фильтры, содержащие элементы L и C. Они носят название LC-фильтров. Во многих случаях на практике требовалась крайне высокая избирательность (различие ослаблений в полосах пропускания и заграждения в десятки тысяч раз). Это привело к появлению фильтров с механическими резонаторами: кварцевых, магнитострикционных, электромеханических.

Требования микроминиатюризации радиоэлектронной аппаратуры заставили отказаться от использования индуктивностей, которые имеют большие габаритные размеры, особенно на низких частотах, и не поддаются исполнению в микроминиатюрном виде. Появились активные RC-фильтры, состоящие из резисторов, конденсаторов и активных приборов (например транзисторов или ОУ). Эти фильтры могут выполняться в виде микромодульной конструкции или интегральной схемы. Недостатками активных фильтров является обязательное присутствие источника питания, а также ограничение рабочего диапазона частотными свойствами транзисторов или ОУ.

Основные параметры, характеризующие активные фильтры следующие:

• порядок фильтра;

• коэффициент затухания;

• добротность;

• коэффициент усиления.

Порядок фильтра определяется числом его полюсов. Полюсом фильтра с

Практической точки зрения называют слагаемые наклона его частотной характеристики на переходном участке, который обусловлен наличием RC- цепей, используемых для формирования частотных характеристик. Каждый полюс вносит в наклон переходного участка по 20 дБ на декаду. Число полюсов фильтра связывают также со степенью полиномов передаточной функции фильтров.

Коэффициент затухания фильтра  определяет форму характеристики фильтра на переходном участке и вид выброса характеристики в полосе пропускания вблизи переходного процесса, т.е. фактически определяет тип фильтра.

Добротность связывает среднюю частоту полосы пропускания и ее ширину на уровне 3 дБ. Численно добротность определяется следующим образом:

Q=f₀/(f_ср2-f_ср1), (4.2)

где f₀=f_ср1f_ср2 - средняя частота полосы пропускания, Гц;

f_ср1 – нижняя частота среза на уровне 3 дБ, Гц;

f_ср2 – верхняя частота среза на уровне 3 дБ, Гц;

Для активных фильтров Q=1/..

Коэффициент усиления активного фильтра определяется как отношения его выходного напряжения к входному k=Uвых/Uвх. Более подробную информацию о работе фильтров в составе биотелеметрических систем можно найти в [6,7].

4.3. Программа работы

4.3.1. Исследования фильтров первого порядка

Собрать схемы, изображенные на рис. 4.1.

DA1

Uвых

Uвых

R1

Uвх

C1

R1

C1

DA1

Uвх

а) б)

Рис. 4.1. Схемы фильтров первого порядка на ОУ: а) схема фильтра высоких частот первого порядка; б) схема фильтра низких частот первого порядка

Частота среза и емкость конденсатора С1 фильтров приведены в табл. 4.1. Для фильтров, изображенных на рис. 4.1 вывести передаточные функции. На основании выведенных передаточных функций рассчитать требуемое значение сопротивления R1 и построить л.а.х. и ф.ч.х. фильтров. Произвести частотный анализ фильтров в пакете Electronic Workbench. Сравнить построенные вручную и полученные с помощью моделирования л.а.х. и ф.ч.х. Подать на вход фильтра синусоидальное напряжение амплитудой 10 В. Зарисовать осциллограммы на входе и выходе фильтров из полосы пропускания и полосы заграждения.

Таблица 4.1

Параметры фильтров низких и высоких частот первого порядка

№	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
fср, кГц	1	10	5	8	10	15	20	20	16	16	12	12	20	18	15
С, мкФ	1	1	4	4	5	5	2	4	3	5	6	2	3	6	1

Собрать схему полосового фильтра первого порядка (рис. 4.2). Частоты среза f_ср1 и f_ср2, емкость конденсатора С1 и коэффициент усиления фильтра приведены в табл. 4.2.

C2

C1

R2

R1

Uвх

DA1

Uвых

Рис. 4.2. Схема полосового фильтра первого порядка на ОУ

Таблица 4.2

Параметры полосового фильтра первого порядка

№	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
fср1, кГц	1	1	5	8	10	5	5	20	16	16	12	12	20	18	15
fср2, кГц	10	10	15	24	30	15	20	50	40	50	30	40	40	60	45
С1, мкФ	1	1	4	4	5	5	2	4	3	5	6	2	3	6	1
k	1	2	2	1	3	4	2	3	4	4	2	4	3	5	2

Формулы для расчета параметров фильтра, изображенного на рис. 4.2 выглядят следующим образом:

f_ср1=1/2R1C1;

f_ср2=1/2R2C2;

k=R2/R1

На основании этих формул, в соответствии с табл. 4.2 рассчитать величину емкости С1 и сопротивлений R1 и R2.

Произвести частотный анализ фильтра в пакете Electronic Workbench. л.а.х. и ф.ч.х. фильтра. Подать на вход фильтра синусоидальное напряжение амплитудой 10 В. Зарисовать осциллограммы на входе и выходе фильтров из полосы пропускания и полос заграждения.

4.3.2. Исследование фильтров второго порядка

Собрать схему фильтра Саллена-Кея низких частот (рис. 4.1)

С1

DA1

R1

R2

Uвх

Uвых

С2

R3

R4

Рис. 4.1. Фильтр Саллена-Кея низких частот

Значение сопротивления R1, коэффициента затухания  и частоты среза fср, взять из табл. 4.1. Сопротивление R2 и R4 взять равным R1; величину емкости C1, сопротивления R3 и коэффициента усиления k рассчитать по следующим формулам:

С1=1/(2R1f_ср); (4.1) R3=(2-)R4;

k=(R1+R2)/R2.

Таблица 4.1

Параметры фильтра Саллена-Кея низких частот

№	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
R1, кОм	0.1	0.1	0.1	0.2	0.2	0.2	0.3	0.3	0.3	0.4	0.4	0.5	0.5	0.6	0.6
fср, кГц	0.1	0.2	0.3	0.1	0.2	0.3	0.1	0.2	0.3	1	2	1	2	1	2
	1.4	1.4	1.4	0.9	0.9	0.9	1.6	1.6	1.6	1.4	1.4	0.9	0.9	1.6	1.6

Построить логарифмическую амплитудно-частотную характеристику (л.а.х.) и фазочастотную характеристику (ф.ч.х.) фильтра с заданными параметрами (Analysis AC frequency).

Подать на вход фильтра синусоидальное напряжение амплитудой 10 В. Зарисовать осциллограммы на входе и выходе фильтра из полосы пропускания и полосы заграждения.

Собрать схему фильтра Саллена-Кея верхних частот (рис. 4.2)

R1

DA1

С1

С2

Uвх

Uвых

R2

R3

R4

Рис. 4.2. Фильтр Саллена-Кея верхних частот

Значение сопротивления R1, коэффициента затухания  и частоты среза fср, взять из таблицы 4.1. Сопротивление R2 и R4 взять равным R1; величину емкости C1, сопротивления R3 рассчитать по (4.1). Построить те же характеристики и осциллограммы, что и для фильтра низких частот.

Собрать схему полосового фильтра, изображенную на рис. 4.3.

З

С1

начения крайних частот среза полосы пропускания f_ср1 и f_ср2, емкости конденсатора С1 и коэффициента усиления приведены в табл. 4.2.

R3

R1

DA1

Uвх

С2

Uвых

R2

R4

Рис. 4.3. Полосовой фильтр

Значение емкости С2 принять равным С1; значение сопротивления R4 равным 1кОм. Среднюю центральную частоту f0, добротность Q, значения сопротивлений R1, R2, R3 рассчитать по следующим формулам:

f₀=f_ср1f_ср2;

Q=f₀/(f_cр2-f_cр1);

R1=Q/(2f₀C1k);

R2=Q/(2f₀C1(2Q²-k));

R3=2Q/(2f₀C1)

Значение коэффициента усиления, приведенное в табл. 4.2, должно быть меньше, чем величина Q².

Таблица 4.2

Параметры полосового фильтра

№	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
fcр1, кГц	0.5	6	10	10	20	20	40	4	4	50	12	16	13	15	22
fср2, кГц	1	10	15	20	25	30	50	5	6	60	20	20	18	25	33
C, мкФ	1	1	2	2	1	1	1	2	2	1	2	4	4	4	4
k	1.5	2	2	1.5	4	3	5	4	4	5	2	2	3	3	5

Построить л.а.х. и ф.ч.х. фильтра с заданными параметрами. Подать на вход фильтра синусоидальное напряжение амплитудой 10 В. Зарисовать осциллограммы на входе и выходе фильтра из полосы пропускания и полос заграждения.

Собрать схему полосового биквадратного фильтра (рис. 4.4). Биквадратный фильтр, при использовании его в качестве полосового, позволяет достигать добротности, превышающей 100. Одним из свойств этого фильтра является неизменность его полосы пропускания при изменении средней частоты, так что в настраиваемых биквадратных фильтрах добротность увеличивается с ростом частоты.

Частоты среза f_ср1 и f_ср2, коэффициент усиления фильтра и значение емкости С1, приведены в таблице 4.3.

Емкость конденсатора С2 принять равной емкости С1; величину сопротивлений R5, R7, R8, R9 принять равной R2; величину сопротивления R6 равной половине R5.

Таблица 4.3

Параметры полосового биквадратного фильтра

№	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
fср1, кГц	1	2	3	10	10	20	1	10	10	5	50	50	30	25	20
fср2, кГц	10	20	50	40	60	40	5	15	80	15	70	80	80	40	50
С1, мкФ	1	1	2	5	2	3	8	5	10	15	80	4	7	4	4
K	2	4	5	1	4	6	5	2	1	4	3	8	5	8	7

Остальные параметры фильтра рассчитать по следующим формулам:

f0=f1f2;

Q=f0/(f2-f1);

=Q/k;

R1=/(2f0C1);

R2=1/(2f0C1);

R3=Q/(2f0C1);

R4=1(1/R1+1/R2+1/R3);

Построить л.а.х. и ф.ч.х. фильтра с заданными параметрами. Подать на вход фильтра синусоидальное напряжение амплитудой 10 В. Зарисовать осциллограммы на входе и выходе фильтра из полосы пропускания и полос заграждения.

4.4. Содержание отчета

Титульный лист. Схемы испытаний. Данные, полученные путем моделирования работы схем. Графики полученных зависимостей. Выводы по каждому пункту работы.

Библиографический список.

1. Быстров, Ю. А. Электроника: Справочная книга/ Ю. А. Быстров, Я. М. Великсон, В. Д. Вогман и др.; Под ред. Ю. А. Быстрова. – СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отделение, 1996. – 544 с., ил.

2. Шустов, М.А. Практическая схемотехника. Источники питания и стабилизаторы/ М.А.Шустов – М.: ООО «Альтекс-А», 2002. – 190 с., ил.

3. Опадчий, Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника (Полный курс): Учеб. для вузов / Ю.Ф.Опадчий, О.П.Глудкин, А.И.Гуров; Под ред. О.П.Глудкина. – М.: Горячая Линия – Телеком, 2002. – 768с., ил.

4. Лачин, В.И. Электроника: Учебное пособие/ В.И.Лачин, Н.С.Савёлов – Ростов н/Д: Издательство «Феникс», 2001. – 448 с., ил.

5. Прянишников, В. А. Электроника: Полный курс лекций/ В. А. Прянишников – 4-е изд.- СПб.: КОРОНА принт, 2004. – 416 с., ил.

6. Бакалов, В. П. Основы биотелеметрии/ В. П. Бакалов. – М.: Радио и связь, 2001. – 352 с., ил.

7. Попечителев, Е. П. Электрофизиологическая и фотометрическая медицинская техника: Учебное пособие/ Е. П. Попечителев, Н. А. Корнелевский; Под ред. Е. П. Попечителева. –М.: Высшая школа, 2002. – 470 с., ил.