Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
«СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
УСТРОЙСТВ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ»
Перечень лабораторных работ
|
№ п.п. |
Название темы, содержание |
Объем |
|
1. |
Ознакомление с пакетами программ автоматизированного проектирования РЭС. |
4 |
|
2. |
Проектирование фильтров нижних частот Баттерворта, Чебышева и Бесселя на основе звена Рауха. |
4 |
|
3. |
Проектирование фильтров нижних частот Баттерворта, Чебышева и Бесселя на основе звена Сален-Ки. |
4 |
|
4. |
Проектирование фильтров нижних частот Баттерворта, Чебышева и Бесселя на основе биквадратного звена. |
4 |
|
5. |
Проектирование фильтров нижних частот Чебышева с заданной нормированной шириной переходной области амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) на основе звеньев Рауха. |
2 |
|
6. |
Проектирование фильтров верхних частот Баттерворта с заданной нормированной шириной переходной области АЧХ на основе звеньев Рауха. |
2 |
|
7. |
Проектирование полосно-пропускающих фильтров с заданной нормированной шириной переходной области АЧХ на основе звеньев Рауха. |
2 |
|
8. |
Проектирование полосно-заграждающих фильтров с заданной нормированной шириной переходной области АЧХ на основе звеньев Саллен-Ки. |
2 |
|
9. |
Проектирование измерительных усилителей. |
4 |
|
10. |
Проектирование преобразователей «напряжение–ток». |
4 |
|
Всего |
32 |
Лабораторная работа № 2
«Проектирование фильтров нижних частот Баттерворта, Чебышева и Бесселя на основе звена Рауха»
Цель лабораторной работы: получить навыки расчета, моделирования и анализа активных фильтров нижних частот Баттерворта, Чебышева и Бесселя на основе звена Рауха.
Порядок выполнения лабораторной работы
1. По заданным преподавателем значениям следующих параметров:
k – коэффициент усиления фильтра;
fс – частота среза АЧХ;
α1 – неравномерность в полосе пропускания (для фильтра Чебышева)
рассчитать параметры фильтров Баттерворта, Чебышева и Бесселя, учитывая соответствующие безразмерные коэффициенты (B, C), определяющие форму АЧХ и ФЧХ фильтров. Исходные данные для выполнения лабораторной работы приведены в таблице 1. Порядок расчета фильтров Баттерворта и Чебышева приведен в методических указаниях № 2235 (электронная версия – файл Методические указания_2235.doc), коэффициенты фильтров Баттерворта, Чебышева и Бесселя – в Приложении А. Расчёт параметров осуществляется с помощью программы MathCad (образец расчета см. в файле ФНЧ с МОС. xmcd).
2. Выбрать ближайшие к расчётным номинальные значения рассчитанных в п.1 пассивных элементов фильтров. При выборе пользоваться стандартными рядами компонентов (Приложение В). В библиотеке компонентов MicroCAP 7 задать новую модель элемента с требуемыми параметрами – допускаемыми ТКС (ТКЕ) и отклонениями сопротивления (емкости) от номинального. Образец задания модели резистора и конденсатора см. Приложение Б.
3. С учётом требований к операционному усилителю (ОУ) выбрать конкретный тип ОУ из библиотеки компонентов Micro-CAP 7.0
4. Смоделировать схемы фильтров в системе Micro-Cap 7.0 (образец см. в файле ФНЧ с МОС. CIR). Описания моделей компонентов, используемых в лабораторной работе, приведены в методических указаниях № 3180 (электронная версия – файл Методические указания_3180.doc).
5. Произвести анализ схем в частотной области (в режиме АС-анализа) – построить ЛАЧХ, ЛФЧХ и частотную характеристику группового времени замедления фильтра τ(ω). Образец анализа приведен в файле ФНЧ с МОС. CIR. Сделать выводы по результатам анализа спроектированных фильтров в частотной области.
Коэффициент усиления ФНЧ на постоянном токе k определяется по ЛАЧХ на частоте 0...1 Гц, погрешность по заданному коэффициенту усиления не должна превышать 5%.
Частота среза для ФНЧ 2-го порядка определяется:
– для фильтра Баттерворта – по уровню –3 дБ относительно коэффициента k (по ЛАЧХ);
– для фильтра Чебышева – по уровню 0 дБ относительно коэффициента k (по ЛАЧХ);
– для фильтра Бесселя – по уровню 92.308% относительно группового времени замедления фильтра на постоянном токе (по характеристике τ(ω)).
Погрешность по частоте среза не должна превышать 5%.
Образец определения погрешностей приведен в файле ФНЧ с МОС. xmcd.
6. Произвести анализ переходного процесса при отклике фильтра на единичный скачок входного напряжения. (Transient-анализ). Образец анализа приведен в файле ФНЧ с МОС. CIR.
В результате анализа необходимо определить коэффициент усиления ФНЧ на постоянном токе в линейном режиме ОУ. Погрешность не должна превышать 5%.
Также в результате анализа необходимо убедиться, что на выходе активного фильтра отсутствует смещение выходного сигнала, обусловленное паразитными параметрами ОУ: напряжением смещения UСМ и разностью входных токов ΔiВХ. Смещение выходного сигнала на постоянном токе не должно превышать 10 мВ. Для компенсации указанных погрешностей предусматривается симметрирование ОУ (компенсация погрешности, связанной с iВХ ОУ) или выбор ОУ, имеющего малые UСМ и ΔiВХ.
Образец определения погрешностей приведен в файле ФНЧ с МОС. xmcd.
7. Оценить требования по температурной стабильности пассивных элементов схемы ФНЧ, если фильтры работают в диапазоне температур (0…60)°С.
Для этого провести анализ изменения коэффициента усиления по постоянному току при температурах анализа 0°С и 60°С (в меню AC Analysys Limits, в поле Temperature выбрать режим «List» и через запятую задать температуры, при которых будет проводиться анализ схем: 0, 27, 60). Сделать выводы о влиянии температурной стабильности элементов на коэффициент усиления по постоянному току соответствующих фильтров. Дополнительная погрешность от влияния температуры не должна превышать 1% на каждые 10°С.
Образец определения погрешностей приведен в файле ФНЧ с МОС. xmcd.
8. Произвести анализ при отклике фильтра на произвольный сигнал входного напряжения (Transient-анализ). Сигнал задается функцией вида:
где n – номер варианта.
Построить выходной сигнал каждого типа фильтра относительно входного. Сделать вывод, какой из типов фильтров вносит наименьшие линейные искажения в сигнал.
Образец анализа приведен в файле: ФНЧ с МОС сложн. сигн. CIR.
Построить разность спектров выходного и входного сигналов для каждого типа фильтра. Сделать вывод, какой из типов фильтров вносит наименьшие искажения в спектр исходного сигнала.
Образец анализа приведен в файле: ФНЧ с МОС спектр CIR.
Порядок обработки цифровых отсчетов анализа пояснен в файле Порядок работы с цифровыми отсчетами.doc
Исходные данные для проектирования фильтров нижних частот Баттерворта, Чебышева и Бесселя на основе звена Рауха
- для ФНЧ Баттерворта и ФНЧ Бесселя: коэффициент усиления k, частота среза fc. Максимально допустимое затухание в полосе пропускания α1= 3 дБ.
- для ФНЧ Чебышева: коэффициент усиления k, частота среза fc, максимально допустимое затухание в полосе пропускания α1 (из табл. 1).
Таблица 1
|
№ варианта |
k |
fc, Гц |
α1, дБ |
α2, дБ |
|
1 |
10 |
5 |
0,1 |
20 |
|
2 |
3 |
17 |
0,1 |
20 |
|
3 |
4 |
108 |
3 |
20 |
|
4 |
1 |
12000 |
2 |
20 |
|
5 |
4 |
300 |
1 |
20 |
|
6 |
8 |
3100 |
3 |
20 |
|
7 |
2,5 |
5300 |
0,1 |
20 |
|
8 |
10 |
16000 |
2 |
20 |
|
9 |
2 |
10000 |
3 |
20 |
|
10 |
5 |
5 |
0,1 |
20 |
|
11 |
12 |
8500 |
0,1 |
20 |
|
12 |
9 |
50 |
2 |
20 |
|
13 |
15 |
750 |
3 |
20 |
|
14 |
9 |
10 |
0,1 |
20 |
|
15 |
3 |
20 |
0,5 |
20 |
|
16 |
2 |
50 |
3 |
20 |
|
17 |
2 |
11000 |
2 |
20 |
|
18 |
4 |
500 |
0,5 |
20 |
|
19 |
8 |
4000 |
3 |
20 |
|
20 |
3 |
6000 |
0,1 |
20 |
|
21 |
5 |
1600 |
1 |
20 |
|
22 |
1,5 |
5000 |
1 |
20 |
|
23 |
12 |
7000 |
1 |
20 |
|
24 |
10 |
100 |
2 |
20 |
|
25 |
6 |
12000 |
2 |
20 |
|
26 |
10 |
10 |
1 |
20 |
|
27 |
5 |
12500 |
0,5 |
20 |
|
28 |
2 |
50000 |
2 |
20 |
|
29 |
8 |
750 |
0,5 |
20 |
|
30 |
5 |
400 |
1 |
20 |
Содержание отчета
1. Наименование и цель работы.
2. Исходные данные для расчета.
3. Расчет принципиальной схемы, реализующей фильтр нижних частот Чебышева, Баттерворта, Бесселя.
4. Справочные данные использованных резисторов, конденсаторов и ОУ.
5. Схемы спроектированных фильтров нижних частот с указанным типом ОУ, номиналами конденсаторов, резисторов, а также с их относительным и температурным разбросом.
6. Графики ЛАЧХ, ЛФЧХ, частотной характеристики времени замедления (ЧХВЗ) и переходной характеристики для каждой спроектированной схемы фильтра.
7. Расчет погрешностей в реализации АЧХ фильтров нижних частот Чебышева, Баттерворта, Бесселя.
8. Расчет погрешностей в реализации переходных характеристик фильтров нижних частот Чебышева, Баттерворта, Бесселя.
9. Результаты сравнения частотных характеристик фильтров нижних частот Чебышева, Баттерворта, Бесселя.
10. Результаты сравнения переходных характеристик фильтров нижних частот Чебышева, Баттерворта, Бесселя.
11. Результаты анализа дополнительной погрешности от влияния температуры окружающего воздуха в диапазоне температур (0…60)°С на ЛАЧХ фильтров нижних частот Чебышева, Баттерворта, Бесселя
с учетом температурной стабильности пассивных элементов схем.
12. График анализа отклика фильтра на произвольный сигнал входного напряжения.
13. Результаты спектрального анализа фильтров нижних частот Чебышева, Баттерворта, Бесселя.
Контрольные вопросы
1. Что такое фильтр нижних частот, привести конкретные применения фильтров нижних частот.
2. Дать определение фильтра нижних частот Чебышева.
3. Дать определение фильтра нижних частот Баттерворта.
4. Дать определение фильтра нижних частот Бесселя.
5. Изложить основные требования, предъявляемые к ОУ, используемому в активных фильтрах.
6. Почему для частот ниже 0,5 МГц используют активные фильтры?
7. Как по частоте среза оценить время переходного процесса?
8. Что происходит с переходным процессом при сужении переходной полосы фильтра нижних частот?
9. Что подразумевается под добротностью ФНЧ?
10. Что такое частота среза с?
11. Что такое пульсации в полосе пропускания ФНЧ, как численно они выражаются?
12. Какие пульсации имеет ФНЧ Баттерворта в полосе пропускания?
13.Что такое коэффициент усиления фильтра нижних частот?
14. Что произойдет с характеристикой фильтра, если все конденсаторы увеличить, а все резисторы уменьшить в одинаковое число раз?
15. Какой функцией описывается фильтр Баттерворта?
16. Какой функцией описывается фильтр Чебышева?
17. Как произвести анализ схемы с учетом дрейфа пассивных компонентов?
18. Влияет ли на характеристики схемы разброс параметров ОУ и как он задается?
19. Как влияет на результирующую АЧХ ФНЧ скорость нарастания выходного напряжения ОУ?
20. Какие значения добротности можно реализовать в различных схемных реализациях ФНЧ?
21. Как производится регулировка схемы ФНЧ на основе звена Рауха по частоте среза fc?
22. Какими элементами схемы производится регулировка коэффициента усиления фильтра ФНЧ на основе звена Рауха?
23. Как изменить добротность ФНЧ на основе звена Рауха ?
Контрольные задания
1. Внести изменения в спроектированную схему для увеличения коэффициента передачи на постоянном токе в 5 раз.
2. Внести изменения в спроектированную схему для уменьшения частоты среза в 3 раза.
3. Найти порядок фильтра Баттерворта, имеющего ширину переходной области T в три раза меньше, чем частота среза fc и затухание в полосе задержания 20 дБ.
4. Найти порядок фильтра Чебышева, имеющий ширину переходной области T в четыре раза меньше частоты среза fc, затухание в полосе пропускания 3 дБ и затухание в полосе задержания 80 дБ.
Список рекомендуемой литературы
1. Джонсон Д. и др. Справочник по активным фильтрам: Пер.с англ. /Джонсон.Д/. – Энергоиздат, 1983 г.
2. Резисторы: Справочник. В.В. Дубровский и др.; под ред. Четверкова и В.М. Терехова. – 2-е изд. перераб. доп. - М.: Радио и связь, 1991 г.
3. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА. Справочник. Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков и др. – Мн.: Беларусь, 1994 г.
4. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник. С.В. Якубовский, Л.И. Ниссельсон и др.; под ред. С.В. Якубовского. – М.: Радио и связь, 1989 г.
5. Карпов В.А. Крышнев Ю.В. Практическое руководство к лабораторным работам «Проектирование ФНЧ Чебышева и Баттерворта» по дисциплине «САПР устройств промышленной электроники». Гомель: ГПИ 1998 (м/ук № 2235).
6. Крышнев Ю.В., Гуреева О.В. Схемотехническое моделирование / Методические указания к лабораторным занятиям по курсу «САПР устройств промышленной электроники» для студентов дневной и заочной формы обучения специальности 1-36 04 02 «Промышленная электроника». Часть 1. – Гомель: ГГТУ им. П.О. Сухого 2007 (м/ук № 3180).
Лабораторная работа № 3
«Проектирование фильтров нижних частот Баттерворта, Чебышева и Бесселя на основе звена Саллен-Ки»
Цель лабораторной работы: получить навыки расчета, моделирования и анализа активных фильтров нижних частот Баттерворта, Чебышева и Бесселя на основе звена Саллен-Ки.
Порядок выполнения лабораторной работы.
1. По заданным преподавателем значениям следующих параметров:
k – коэффициент усиления фильтра
fс – частота среза АЧХ.
α1 – неравномерность в полосе пропускания (для фильтра Чебышева)
рассчитать параметры фильтров Баттерворта, Чебышева и Бесселя, учитывая соответствующие безразмерные коэффициенты (B, C), определяющие форму АЧХ и ФЧХ фильтров. Исходные данные для выполнения лабораторной работы приведены в таблице 2. Порядок расчета фильтров Баттерворта и Чебышева приведен в методических указаниях № 2235 (электронная версия – файл Методические указания_2235.doc), коэффициенты фильтров Баттерворта, Чебышева и Бесселя – в Приложении А. Расчёт параметров осуществляется с помощью программы MathCad (образец расчета см. в файле ФНЧ с ИНУН. xmcd).
2. Выбрать ближайшие к расчётным номинальные значения рассчитанных в п.1 пассивных элементов фильтров. При выборе пользоваться стандартными рядами компонентов (Приложение В). В библиотеке компонентов MicroCAP 7 задать новую модель элемента с требуемыми параметрами – допускаемыми ТКС (ТКЕ) и отклонениями сопротивления (емкости) от номинального. Образец задания модели резистора и конденсатора см. Приложение Б.
3. С учётом требований к операционному усилителю (ОУ) выбрать конкретный тип ОУ из библиотеки компонентов Micro-CAP 7.0
4. Смоделировать схемы фильтров в системе Micro-Cap 7.0 (образец см. файле ФНЧ с ИНУН. CIR). Описания моделей компонентов, используемых в лабораторной работе, приведены в методических указаниях № 3180 (электронная версия – файл Методические указания_3180.doc).
5. Произвести анализ схем в частотной области (в режиме АС-анализа) – построить ЛАЧХ, ЛФЧХ и частотную характеристику группового времени замедления фильтра τ(ω). Образец анализа приведен в файле ФНЧ с ИНУН. CIR. Сделать выводы по результатам анализа спроектированных фильтров в частотной области.
Коэффициент усиления ФНЧ на постоянном токе k определяется по ЛАЧХ на частоте 0...1 Гц, погрешность по заданному коэффициенту усиления не должна превышать 5%.
Частота среза для ФНЧ 2-го порядка определяется:
– для фильтра Баттерворта – по уровню –3 дБ относительно коэффициента k (по ЛАЧХ);
– для фильтра Чебышева – по уровню 0 дБ относительно коэффициента k (по ЛАЧХ);
– для фильтра Бесселя – по уровню 92.308% относительно группового времени замедления фильтра на постоянном токе (по характеристике τ(ω)).
Погрешность по частоте среза не должна превышать 5%.
Образец определения погрешностей приведен в файле ФНЧ с ИНУН. xmcd.
6. Произвести анализ переходного процесса при отклике фильтра на единичный скачок входного напряжения. (Transient-анализ). Образец анализа приведен в файле ФНЧ с ИНУН. CIR.
В результате анализа необходимо определить коэффициент усиления ФНЧ на постоянном токе в линейном режиме ОУ. Погрешность не должна превышать 5%.
Также в результате анализа необходимо убедиться, что на выходе активного фильтра отсутствует смещение выходного сигнала, обусловленное паразитными параметрами ОУ: напряжением смещения UСМ и разностью входных токов ΔiВХ. Смещение выходного сигнала на постоянном токе не должно превышать 10 мВ. Для компенсации указанных погрешностей необходимо выбрать ОУ, имеющий малые UСМ и ΔiВХ.
Образец определения погрешностей приведен в файле
ФНЧ с ИНУН. xmcd.
7. Оценить требования по температурной стабильности пассивных элементов схемы ФНЧ, если фильтры работают в диапазоне температур (0…60)°С.
Для этого провести анализ изменения коэффициента усиления по постоянному току при температурах анализа 0°С и 60°С (в меню AC Analysys Limits, в поле Temperature выбрать режим «List» и через запятую задать температуры, при которых будет проводиться анализ схем: 0, 27, 60). Сделать выводы о влиянии температурной стабильности элементов на коэффициент усиления по постоянному току соответствующих фильтров. Дополнительная погрешность от влияния температуры не должна превышать 1% на каждые 10°С.
Образец определения погрешностей приведен в файле
ФНЧ с ИНУН. xmcd.
8. Произвести анализ при отклике фильтра на произвольный сигнал входного напряжения (Transient-анализ). Сигнал задается функцией вида:
где n – номер варианта
Построить выходной сигнал каждого типа фильтра относительно входного. Сделать вывод, какой из типов фильтров вносит наименьшие линейные искажения в сигнал.
Образец анализа приведен в файле: ФНЧ с ИНУН сложн сигн. CIR.
Построить разность спектров выходного и входного сигналов для каждого типа фильтра. Сделать вывод, какой из типов фильтров вносит наименьшие искажения в спектр исходного сигнала.
Образец анализа приведен в файле: ФНЧ с ИНУН спектр. CIR.
Порядок обработки цифровых отсчетов анализа пояснен в файле Порядок работы с цифровыми отсчетами.doc
Исходные данные для проектирования фильтров нижних частот Баттерворта, Чебышева и Бесселя на основе звена Саллен-Ки
- для ФНЧ Баттерворта и ФНЧ Бесселя: коэффициент усиления k, частота среза fc. Максимально допустимое затухание в полосе пропускания α1= 3 дБ.
- для ФНЧ Чебышева: коэффициент усиления k, частота среза fc, максимально допустимое затухание в полосе пропускания α1 (из табл. 2).
Таблица 2
|
№ варианта |
k |
fc, Гц |
α1, дБ |
α2, дБ |
|
1 |
10 |
5 |
0,1 |
20 |
|
2 |
3 |
17 |
0,1 |
20 |
|
3 |
4 |
108 |
3 |
20 |
|
4 |
1 |
12000 |
2 |
20 |
|
5 |
4 |
300 |
1 |
20 |
|
6 |
8 |
3100 |
3 |
20 |
|
7 |
2,5 |
5300 |
0,1 |
20 |
|
8 |
10 |
16000 |
2 |
20 |
|
9 |
2 |
10000 |
3 |
20 |
|
10 |
5 |
5 |
0,1 |
20 |
|
11 |
12 |
8500 |
0,1 |
20 |
|
12 |
9 |
50 |
2 |
20 |
|
13 |
15 |
750 |
3 |
20 |
|
14 |
9 |
10 |
0,1 |
20 |
|
15 |
3 |
20 |
0,5 |
20 |
|
16 |
2 |
50 |
3 |
20 |
|
17 |
2 |
11000 |
2 |
20 |
|
18 |
4 |
500 |
0,5 |
20 |
|
19 |
8 |
4000 |
3 |
20 |
|
20 |
3 |
6000 |
0,1 |
20 |
|
21 |
5 |
1600 |
1 |
20 |
|
22 |
1,5 |
5000 |
1 |
20 |
|
23 |
12 |
7000 |
1 |
20 |
|
24 |
10 |
100 |
2 |
20 |
|
25 |
6 |
12000 |
2 |
20 |
|
26 |
10 |
10 |
1 |
20 |
|
27 |
5 |
12500 |
0,5 |
20 |
|
28 |
2 |
50000 |
2 |
20 |
|
29 |
8 |
750 |
0,5 |
20 |
|
30 |
5 |
400 |
1 |
20 |
Содержание отчета
1. Наименование и цель работы.
2. Исходные данные для расчета.
3. Расчет принципиальной схемы, реализующей фильтр нижних частот Чебышева, Баттерворта, Бесселя.
4. Справочные данные использованных резисторов, конденсаторов и ОУ.
5. Схемы спроектированных фильтров нижних частот с указанным типом ОУ, номиналами конденсаторов, резисторов, а также с их относительным и температурным разбросом.
6. Графики ЛАЧХ, ЛФЧХ, частотной характеристики времени замедления (ЧХВЗ) и переходной характеристики для каждой спроектированной схемы фильтра.
7. Расчет погрешностей в реализации АЧХ фильтров нижних частот Чебышева, Баттерворта, Бесселя.
8. Расчет погрешностей в реализации переходных характеристик фильтров нижних частот Чебышева, Баттерворта, Бесселя.
9. Результаты сравнения частотных характеристик фильтров нижних частот Чебышева, Баттерворта, Бесселя.
10. Результаты сравнения переходных характеристик фильтров нижних частот Чебышева, Баттерворта, Бесселя.
11. Результаты анализа дополнительной погрешности от влияния температуры окружающего воздуха в диапазоне температур (0…60)°С на ЛАЧХ фильтров нижних частот Чебышева, Баттерворта, Бесселя
с учетом температурной стабильности пассивных элементов схем.
12. График анализа отклика фильтра на произвольный сигнал входного напряжения.
13. Результаты спектрального анализа фильтров нижних частот Чебышева, Баттерворта, Бесселя.
Контрольные вопросы
1. Что такое фильтр нижних частот, привести конкретные применения фильтров нижних частот.
2. Дать определение фильтра нижних частот Чебышева.
3. Дать определение фильтра нижних частот Баттерворта.
4. Дать определение фильтра нижних частот Бесселя.
5. Изложить основные требования, предъявляемые к ОУ, используемому в активных фильтрах.
6. Почему для частот ниже 0,5 МГц используют активные фильтры?
7. Как по частоте среза оценить время переходного процесса?
8. Что происходит с переходным процессом при сужении переходной полосы фильтра нижних частот?
9. Что подразумевается под добротностью ФНЧ?
10. Что такое частота среза с?
11. Что такое пульсации в полосе пропускания ФНЧ, как численно они выражаются?
12. Какие пульсации имеет ФНЧ Баттерворта в полосе пропускания?
13.Что такое коэффициент усиления фильтра нижних частот?
14. Что произойдет с характеристикой фильтра, если все конденсаторы увеличить, а все резисторы уменьшить в одинаковое число раз?
15. Какой функцией описывается фильтр Баттерворта?
16. Какой функцией описывается фильтр Чебышева?
17. Как произвести анализ схемы с учетом дрейфа пассивных компонентов?
18. Влияет ли на характеристики схемы разброс параметров ОУ и как он задается?
19. Как влияет на результирующую АЧХ ФНЧ скорость нарастания выходного напряжения ОУ?
20. Какие значения добротности можно реализовать в различных схемных реализациях ФНЧ?
21. Как производится регулировка схемы ФНЧ на основе звена
Саллен-Ки по частоте среза fc?
22. Какими элементами схемы производится регулировка коэффициента усиления ФНЧ на основе звена Саллен-Ки?
23. Как изменить добротность ФНЧ на основе звена Саллен-Ки?
24. Приведите примеры АЧХ ФНЧ Чебышева различных порядков.
25. Какие свойства фильтра характеризует время замедления?
26. Какой фильтр имеет постоянное групповое время задержки в полосе пропускания и линейную ФЧХ?
Контрольные задания
1. Внести изменения в спроектированную схему для увеличения коэффициента передачи на постоянном токе в 3 раза.
2. Внести изменения в спроектированную схему для увеличения частоты среза в 2 раза.
3. Найти порядок фильтра Баттерворта, имеющего ширину переходной области T в четыре раза меньше, чем частота среза fc и затухание в полосе задержания 26 дБ.
4. Найти порядок фильтра Чебышева, имеющий ширину переходной области T в два раза меньше частоты среза fc, затухание в полосе пропускания 1 дБ и затухание в полосе задержания 60 дБ.
Список рекомендуемой литературы
1. Джонсон Д. и др. Справочник по активным фильтрам: Пер.с англ. /Джонсон.Д/. – Энергоиздат, 1983 г.
2. Резисторы: Справочник. В.В. Дубровский и др.; под ред. Четверкова и В.М. Терехова. – 2-е изд. перераб. доп. - М.: Радио и связь, 1991 г.
3. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА. Справочник. Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков и др. – Мн.: Беларусь, 1994 г.
4. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник. С.В. Якубовский, Л.И. Ниссельсон и др.; под ред. С.В. Якубовского. – М.: Радио и связь, 1989 г.
5. Карпов В.А. Крышнев Ю.В. Практическое руководство к лабораторным работам «Проектирование ФНЧ Чебышева и Баттерворта» по дисциплине «САПР устройств промышленной электроники». Гомель: ГПИ 1998 (м/ук № 2235).
6. Крышнев Ю.В., Гуреева О.В. Схемотехническое моделирование / Методические указания к лабораторным занятиям по курсу «САПР устройств промышленной электроники» для студентов дневной и заочной формы обучения специальности 1-36 04 02 «Промышленная электроника». Часть 1. – Гомель: ГГТУ им. П.О. Сухого 2007 (м/ук № 3180).
Лабораторная работа № 4
«Проектирование фильтров нижних частот Баттерворта, Чебышева и Бесселя на основе биквадратного звена»
Цель лабораторной работы: получить навыки расчета, моделирования и анализа активных фильтров нижних частот Баттерворта, Чебышева и Бесселя на основе биквадратного звена.
Порядок выполнения лабораторной работы.
Часть 1
Расчет и выбор элементов, моделирование и анализ схем фильтров в среде MicroCAP7
1. По заданным преподавателем значениям следующих параметров:
k – коэффициент передачи фильтра;
fс – частота среза АЧХ;
α1 – максимально допустимое затухание АЧХ в полосе пропускания;
α2 – минимально допустимое затухание АЧХ в полосе задерживания
рассчитать значения пассивных компонентов фильтров Баттерворта, Чебышева, инверсного фильтра Чебышева, эллиптического фильтра Чебышева и Бесселя, учитывая соответствующие безразмерные коэффициенты (А,B,C), определяющие форму АЧХ и ФЧХ фильтров. Порядок расчета фильтров Баттерворта и Чебышева приведен в методических указаниях № 2235 (электронная версия – файл Методические указания_2235.doc), коэффициенты фильтров Баттерворта, Чебышева, инверсного фильтра Чебышева, эллиптического фильтра Чебышева и Бесселя – в Приложении А. Расчёт параметров осуществляется с помощью программы MathCad (образец расчета см. в файле Биквадр. ФНЧ. xmcd).
2. Выбрать ближайшие к расчётным номинальные значения рассчитанных в п.1 элементов фильтров. При выборе пользоваться стандартными рядами компонентов (см. Приложение В). В библиотеке компонентов MicroCAP 7 задать модели элементов с требуемыми параметрами – допускаемыми ТКС (ТКЕ) и отклонениями сопротивления (емкости) от номинального. Образец задания модели резистора и конденсатора см. в Приложении Б.
3. С учётом требований к операционным усилителям (ОУ) выбрать конкретные типы ОУ из библиотеки компонентов Micro-CAP 7.0.
4. Смоделировать схемы фильтров в системе Micro-Cap 7.0 (образец см. файле Биквадр ФНЧ.CIR). Описания моделей компонентов, используемых в лабораторной работе, приведены в методических указаниях № 3180 (электронная версия – файл Методические указания_3180.doc).
5. Произвести анализ схем в частотной области (в режиме АС-анализа) – построить ЛАЧХ, ЛФЧХ и частотную характеристику группового времени замедления фильтра τ(ω). Образец анализа приведен в файле Биквадр ФНЧ.CIR. Сделать выводы по результатам анализа спроектированных фильтров в частотной области.
Коэффициент усиления ФНЧ на постоянном токе k определяется по ЛАЧХ на частоте 0...1 Гц, погрешность по заданному коэффициенту усиления не должна превышать 5%.
Частота среза для ФНЧ 2-го порядка определяется:
– для фильтра Баттерворта – по уровню – 3 дБ относительно коэффициента k (по ЛАЧХ);
– для фильтра Чебышева – по уровню 0 дБ относительно коэффициента k (по ЛАЧХ);
– для фильтра Бесселя – по уровню 92.308% относительно группового времени замедления фильтра на постоянном токе (по характеристике τ(ω)).
– для инверсного фильтра Чебышева – по уровню – 3 дБ относительно коэффициента k (по ЛАЧХ);
– для эллиптического фильтра Чебышева – по уровню 0 дБ относительно коэффициента k (по ЛАЧХ);
Погрешность по частоте среза не должна превышать 5%.
Образец определения погрешностей приведен в файле Биквадр ФНЧ. CIR.
6. Произвести анализ переходного процесса при отклике фильтра на единичный скачок входного напряжения. (Transient-анализ). Образец анализа приведен в файле Биквадр ФНЧ. CIR.
В результате анализа необходимо определить коэффициент усиления ФНЧ на постоянном токе в линейном режиме ОУ. Погрешность не должна превышать 5%.
Также в результате анализа необходимо убедиться, что на выходе активного фильтра отсутствует смещение выходного сигнала, обусловленное паразитными параметрами ОУ: напряжением смещения UСМ и разностью входных токов ΔiВХ. Смещение выходного сигнала на постоянном токе не должно превышать 10 мВ. Для компенсации указанных погрешностей предусматривается симметрирование ОУ (компенсация погрешности, связанной с ΔiВХ) или выбор ОУ, имеющего малые UСМ и ΔiВХ.
Образец определения погрешностей приведен в файле
Биквадр ФНЧ. CIR.
Часть 2*
Исследование характеристик фильтров с помощью лабораторного стенда
1. Не включая стенд, и не собирая схему, установить соответствующие значения резисторов ФНЧ Баттерворта с помощью омметра.
2. Собрать схему ФНЧ Баттерворта, соединив перемычками соответствующие гнезда согласно биквадратной схеме полиномиального ФНЧ.
3. Включить стенд. С помощью генератора синусоидальных колебаний подать на вход фильтра сигнал синусоидальной формы частотой 0.1fc и действующим значением 100 мВ (измеряется вольтметром в режиме измерения переменного напряжения). Убедившись, что на выходе также гармонический сигнал (нет насыщения ОУ или автогенерации), подключить к выходу ФНЧ вольтметр в режиме измерения переменного напряжения и снять действующее значение выходного сигнала ФНЧ на различных частотах. Частота входного сигнала (генератора) изменяется:
– от 0.1fc до 2 fс – с шагом 0.1 fс;
– от 2 fс до 10 fс – с шагом fс;
По результатам эксперимента построить ЛАЧХ ФНЧ, как отношение действующих значений выходного и входного сигнала на различных частотах в логарифмическом масштабе:
.
Образец приведен в файле Биквадр ФНЧ. CIR.
4. С помощью генератора прямоугольных колебаний подать на вход фильтра сигнал прямоугольной формы и зарисовать переходную характеристику фильтра на частоте 0.1fс.
5. Проделать п. 1-4 для схем ФНЧ Чебышева и Бесселя. Обратите внимание, что для получения схем ФНЧ Чебышева и Бесселя требуется корректировка значений только сопротивлений R1, R2 и R3, а значение двух одинаковых резисторов R4 (по схеме стенда – R4(6) и R4(7)) остаются без изменений.
6. Проделать п. 1-4 для схем инверсного ФНЧ Чебышева и эллиптического ФНЧ Чебышева. При этом необходимо будет в п. 2. собрать биквадратную схему неполиномиального ФНЧ.
7. Сделать выводы по результатам эксперимента для частотной и временной характеристик фильтров. Сравнить полученные теоретические и практические результаты.
________________________________________________________
* – при наличии экспериментального стенда.
Исходные данные для проектирования фильтров нижних частот Баттерворта, Чебышева и Бесселя на основе биквадратного звена
- для ФНЧ Баттерворта, ФНЧ Чебышева и ФНЧ Бесселя: коэффициент усиления k, частота среза fc (из табл. 3). Максимально допустимое затухание в полосе пропускания α1= 3 дБ, минимально допустимое затухание в полосе задерживания α2 = 20 дБ.
- для ФНЧ инверсного Чебышева и ФНЧ эллиптического Чебышева: коэффициент усиления k, частота среза fc (из табл. 3). Максимально допустимое затухание в полосе пропускания α1 = 3 дБ, минимально допустимое затухание в полосе задерживания α2 = 30 дБ.
Таблица 3
|
№ варианта |
k |
fc, Гц |
№ варианта |
k |
fc, Гц |
|
1 |
10 |
1100 |
16 |
11 |
1600 |
|
2 |
10 |
1200 |
17 |
11 |
1700 |
|
3 |
10 |
1300 |
18 |
11 |
1800 |
|
4 |
10 |
1400 |
19 |
11 |
1900 |
|
5 |
10 |
1500 |
20 |
11 |
2000 |
|
6 |
10 |
1600 |
21 |
9 |
1100 |
|
7 |
10 |
1700 |
22 |
9 |
1200 |
|
8 |
10 |
1800 |
23 |
9 |
1300 |
|
9 |
10 |
1900 |
24 |
9 |
1400 |
|
10 |
10 |
2000 |
25 |
9 |
1500 |
|
11 |
11 |
1100 |
26 |
9 |
1600 |
|
12 |
11 |
1200 |
27 |
9 |
1700 |
|
13 |
11 |
1300 |
28 |
9 |
1800 |
|
14 |
11 |
1400 |
29 |
9 |
1900 |
|
15 |
11 |
1500 |
30 |
9 |
2000 |
Содержание отчета
1. Наименование и цель работы.
2. Исходные данные для расчета.
3. Расчет принципиальной схемы, реализующей фильтр нижних частот Чебышева, инверсного фильтра Чебышева, эллиптического фильтра Чебышева, Баттерворта, Бесселя.
4. Справочные данные использованных резисторов, конденсаторов и ОУ.
5. Схемы спроектированных фильтров нижних частот с указанным типом ОУ, номиналами конденсаторов, резисторов, а также с их относительным и температурным разбросом.
6. Графики ЛАЧХ, ЛФЧХ, частотной характеристики времени замедления (ЧХВЗ) и переходной характеристики для каждой спроектированной схемы фильтра.
7. Расчет погрешностей в реализации АЧХ фильтров нижних частот Чебышева, инверсного фильтра Чебышева, эллиптического фильтра Чебышева, Баттерворта, Бесселя.
8. Расчет погрешностей в реализации переходных характеристик фильтров нижних частот Чебышева, инверсного фильтра Чебышева, эллиптического фильтра Чебышева, Баттерворта, Бесселя.
9. Результаты сравнения частотных характеристик фильтров нижних частот Чебышева, инверсного фильтра Чебышева, эллиптического фильтра Чебышева, Баттерворта, Бесселя.
10. Результаты сравнения переходных характеристик фильтров нижних частот Чебышева, инверсного фильтра Чебышева, эллиптического фильтра Чебышева, Баттерворта, Бесселя.
11. Результаты анализа дополнительной погрешности от влияния температуры окружающего воздуха в диапазоне температур (0…60)°С на ЛАЧХ фильтров нижних частот Чебышева, Баттерворта, Бесселя
с учетом температурной стабильности пассивных элементов схем.
12. Графики экспериментальных ЛАЧХ ФНЧ Баттерворта, Чебышева и Бесселя, инверсного ФНЧ Чебышева и эллиптического ФНЧ Чебышева.*
13. График экспериментальной переходной характеристики фильтра на частоте 0.1fс Баттерворта, Чебышева и Бесселя, инверсного ФНЧ Чебышева и эллиптического ФНЧ Чебышева.*
14. Выводы по результатам эксперимента для частотной и временной характеристик фильтров. Сравнение полученных теоретических и практических результатов.*
________________________________________________________
* – при наличии экспериментального стенда.
Контрольные вопросы
1. Что такое фильтр нижних частот, привести конкретные применения фильтров нижних частот.
2. Дать определение фильтра нижних частот Чебышева.
3. Дать определение фильтра нижних частот Баттерворта.
4. Дать определение фильтра нижних частот Бесселя.
5. Изложить основные требования, предъявляемые к ОУ, используемому в активных фильтрах.
6. Почему для частот ниже 0,5 МГц используют активные фильтры?
7. Как по частоте среза оценить время переходного процесса?
8. Что происходит с переходным процессом при сужении переходной полосы фильтра нижних частот?
9. Что подразумевается под добротностью ФНЧ?
10. Что такое частота среза с?
11. Что такое пульсации в полосе пропускания ФНЧ, как численно они выражаются?
12. Какие пульсации имеет ФНЧ Баттерворта в полосе пропускания?
13.Что такое коэффициент усиления фильтра нижних частот?
14. Что произойдет с характеристикой фильтра, если все конденсаторы увеличить, а все резисторы уменьшить в одинаковое число раз?
15. Какой функцией описывается фильтр Баттерворта?
16. Какой функцией описывается фильтр Чебышева?
17. Как произвести анализ схемы с учетом дрейфа пассивных компонентов?
18. Влияет ли на характеристики схемы разброс параметров ОУ и как он задается?
19. Как влияет на результирующую АЧХ ФНЧ скорость нарастания выходного напряжения ОУ?
20. Какие значения добротности можно реализовать в различных схемных реализациях ФНЧ?
21. Как производится регулировка схемы ФНЧ на основе биквадратного звена по частоте среза fc?
22. Какими элементами схемы производится регулировка коэффициента усиления ФНЧ на основе биквадратного звена?
23. Как изменить добротность ФНЧ на основе биквадратного звена?
24. Приведите примеры АЧХ ФНЧ Чебышева различных порядков.
25. Какой вид АЧХ характерен для инверсного фильтра Чебышева?
26. Какой вид АЧХ характерен для эллиптического фильтра Чебышева?
27. Как производится регулировка частоты среза инверсного фильтра Чебышева на основе биквадратного звена по частоте среза fc?
28. Как отрегулировать коэффициент усиления инверсного фильтра Чебышева на основе биквадратного звена?
29. Представить возможный вид ЛАЧХ звеньев ФНЧ 2-го порядка различных аппроксимаций (Баттерворта, Чебышева, Бесселя, инверсного Чебышева, эллиптического Чебышева).
Контрольные задания
1. Внести изменения в спроектированную схему для уменьшения коэффициента передачи на постоянном токе в 4 раза.
2. Внести изменения в спроектированную схему для увеличения частоты среза в 1,5 раза.
3. Найти порядок фильтра Баттерворта, имеющего ширину переходной области T в девять раз меньше, чем частота среза fc и затухание в полосе задержания 34 дБ.
4. Найти порядок фильтра Чебышева, имеющий ширину переходной области T в три раза меньше частоты среза fc, затухание в полосе пропускания 0,1 дБ и затухание в полосе задержания 45 дБ.
Список рекомендуемой литературы
1. Джонсон Д. и др. Справочник по активным фильтрам: Пер.с англ. /Джонсон.Д/. – Энергоиздат, 1983 г.
2. Резисторы: Справочник. В.В. Дубровский и др.; под ред. Четверкова и В.М. Терехова. – 2-е изд. перераб. доп. - М.: Радио и связь, 1991 г.
3. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА. Справочник. Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков и др. – Мн.: Беларусь, 1994 г.
4. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник. С.В. Якубовский, Л.И. Ниссельсон и др.; под ред. С.В. Якубовского. – М.: Радио и связь, 1989 г.
5. Карпов В.А. Крышнев Ю.В. Практическое руководство к лабораторным работам «Проектирование ФНЧ Чебышева и Баттерворта» по дисциплине «САПР устройств промышленной электроники». Гомель: ГПИ 1998 (м/ук № 2235).
6. Крышнев Ю.В., Гуреева О.В. Схемотехническое моделирование / Методические указания к лабораторным занятиям по курсу «САПР устройств промышленной электроники» для студентов дневной и заочной формы обучения специальности 1-36 04 02 «Промышленная электроника». Часть 1. – Гомель: ГГТУ им. П.О. Сухого 2007 (м/ук № 3180).
Лабораторная работа № 5
«Проектирование фильтров нижних частот Чебышева с заданной нормированной шириной переходной области амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) на основе звеньев Рауха»
Цель лабораторной работы: получить навыки расчета, моделирования и анализа активных фильтров нижних частот с заданной нормированной шириной переходной области амплитудно-частотной характеристики.
Порядок выполнения лабораторной работы.
1. По заданным преподавателем значениям следующих параметров:
k – коэффициент усиления фильтра;
fс – частота среза АЧХ;
α1 – максимально допустимое затухание АЧХ в полосе пропускания;
α2 – минимально допустимое затухание АЧХ в полосе задерживания;
Тω – максимально допустимая ширина переходной области АЧХ
рассчитать требуемый порядок фильтра Чебышева. Порядок фильтра nтр должен быть целым числом. Необходимый порядок фильтра nтр выбирается из условия:
nтр = [n+kЗ],
где: nтр – рассчитанный порядок фильтра;
kЗ = 0,15 – коэффициент запаса;
[ ] – обозначает ближайшее целое в сторону увеличения.
Образец расчета приведен в файле ФНЧ с зад Тw. xmcd.
2. Рассчитать параметры каждого звена фильтра Чебышева, учитывая соответствующие безразмерные коэффициенты (B, C) для каждого звена, определяющие форму АЧХ и ФЧХ фильтра. Порядок расчета фильтра (звена) Чебышева 2-го порядка приведен в методических указаниях № 2235 (электронная версия – файл Методические указания_2235.doc), коэффициенты фильтра Чебышева – в Приложении А. Расчёт параметров осуществляется с помощью программы MathCad (образец расчета см. в файле ФНЧ с зад Тw. xmcd).
3. Выбрать ближайшие к расчётным номинальные значения рассчитанных в п.2 элементов фильтра. При выборе пользоваться стандартными рядами компонентов (см. Приложение В). В библиотеке компонентов MicroCAP 7 задать модели элементов с требуемыми параметрами – допускаемыми ТКС (ТКЕ) и отклонениями сопротивления (емкости) от номинального. Образец задания модели резистора и конденсатора см. в Приложении Б.
4. С учётом требований к операционным усилителям (ОУ) выбрать конкретные типы ОУ из библиотеки компонентов Micro-CAP 7.0
5. Смоделировать схему фильтра в системе Micro-Cap 7.0 (образец см. в файле ФНЧ с зад Тw. CIR). Описания моделей компонентов, используемых в лабораторной работе, приведены в методических указаниях № 3180 (электронная версия – файл Методические указания_3180.doc).
6. Произвести анализ схемы в частотной области (в режиме АС-анализа) – построить ЛАЧХ, ЛФЧХ и частотную характеристику группового времени замедления фильтра τ(ω). Образец анализа приведен в файле ФНЧ с зад Тw. CIR. Сделать выводы по результатам анализа спроектированного фильтра в частотной области.
Коэффициент усиления ФНЧ на постоянном токе k определяется по ЛАЧХ на частоте 0...1 Гц, погрешность по заданному коэффициенту усиления не должна превышать 5%.
Частота среза для ФНЧ Чебышева четного порядка определяется по уровню 0 дБ относительно коэффициента k (по ЛАЧХ), для нечетного порядка по уровню –α1 дБ относительно коэффициента k (по ЛАЧХ). Погрешность по частоте среза не должна превышать 5%.
Ширина переходной области Тω должна быть меньше или равной заданной.
Образец определения погрешностей приведен в файле
ФНЧ с зад Тw. xmcd.
7. Произвести анализ переходного процесса при отклике фильтра на единичный скачок входного напряжения. (Transient-анализ). Образец анализа приведен в файле ФНЧ с зад Тw. CIR.
В результате анализа необходимо определить коэффициент усиления ФНЧ на постоянном токе в линейном режиме ОУ. Погрешность не должна превышать 5%.
Также в результате анализа необходимо убедиться, что на выходе активного фильтра отсутствует смещение выходного сигнала, обусловленное паразитными параметрами ОУ: напряжением смещения UСМ и разностью входных токов ΔiВХ. Смещение выходного сигнала на постоянном токе не должно превышать 10 мВ. Для компенсации указанных погрешностей предусматривается симметрирование ОУ (компенсация погрешности, связанной с ΔiВХ) или выбор ОУ, имеющего малые UСМ и ΔiВХ.
Образец определения погрешностей приведен в файле
ФНЧ с зад Тw. xmcd.
8. Оценить требования по температурной стабильности пассивных элементов схемы ФНЧ, если фильтр работает в диапазоне температур (0…60)°С.
Для этого провести анализ изменения коэффициента усиления по постоянному току при температурах анализа 0°С и 60°С (в меню AC Analysys Limits, в поле Temperature выбрать режим «List» и через запятую задать температуры, при которых будет проводиться анализ схем: 0, 27, 60). Сделать выводы о влиянии температурной стабильности элементов на изменения коэффициента усиления по постоянному току фильтра. Дополнительная погрешность от влияния температуры не должна превышать 1% на каждые 10°С.
Образец определения погрешностей приведен в файле
ФНЧ с зад Тw. xmcd.
Исходные данные для проектирования фильтров нижних частот Чебышева с заданной нормированной шириной переходной области амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) на основе звеньев Рауха
коэффициент усиления k, частота среза fc, максимально допустимая переходная область АЧХ Tω, максимально допустимое затухание в полосе пропускания α1, минимально допустимое затухание в полосе задерживания α2 (из табл. 4).
Таблица 4
|
№ варианта |
k |
fc, Гц |
α1, дБ |
α2, дБ |
Tω, Гц |
|
1 |
10 |
5 |
0,1 |
20 |
2 |
|
2 |
3 |
17 |
0,1 |
20 |
7 |
|
3 |
4 |
110 |
3 |
20 |
30 |
|
4 |
1 |
12000 |
2 |
20 |
5500 |
|
5 |
4 |
300 |
1 |
20 |
120 |
|
6 |
8 |
3100 |
3 |
20 |
1500 |
|
7 |
2,5 |
5300 |
0,1 |
20 |
2300 |
|
8 |
10 |
16000 |
2 |
20 |
8000 |
|
9 |
2 |
10000 |
3 |
20 |
2800 |
|
10 |
50 |
5 |
0,1 |
20 |
2 |
|
11 |
12 |
8500 |
0,1 |
20 |
4100 |
|
12 |
50 |
50 |
2 |
20 |
16 |
|
13 |
43 |
750 |
3 |
20 |
410 |
|
14 |
9 |
10 |
0,1 |
20 |
4 |
|
15 |
3 |
20 |
0,5 |
20 |
6 |
|
16 |
2 |
50 |
3 |
20 |
20 |
|
17 |
2 |
11000 |
2 |
20 |
5000 |
|
18 |
4 |
500 |
0,5 |
20 |
185 |
|
19 |
8 |
4000 |
3 |
20 |
1500 |
|
20 |
3 |
6000 |
0,1 |
20 |
3000 |
|
21 |
5 |
1600 |
1 |
20 |
600 |
|
22 |
1,5 |
5000 |
1 |
20 |
1700 |
|
23 |
12 |
7000 |
1 |
20 |
3400 |
|
24 |
10 |
100 |
2 |
20 |
34 |
|
25 |
5 |
400 |
1 |
20 |
200 |
|
26 |
15 |
350 |
0,1 |
20 |
200 |
|
27 |
2 |
10000 |
3 |
20 |
3000 |
|
28 |
15 |
300 |
1 |
20 |
120 |
|
29 |
6 |
100 |
1 |
20 |
50 |
|
30 |
1 |
2000 |
0,1 |
20 |
650 |
Содержание отчета
1. Наименование и цель работы.
2. Исходные данные для расчета.
3. Расчет порядка фильтра Чебышева.
4. Расчет параметров каждого звена фильтра Чебышева.
5. Справочные данные использованных резисторов, конденсаторов и ОУ.
6. Схема спроектированного фильтра нижних частот с указанным типом ОУ, номиналами конденсаторов, резисторов, а также с их относительным и температурным разбросом.
7. Графики ЛАЧХ, ЛФЧХ, частотной характеристики времени замедления (ЧХВЗ) и переходной характеристики для спроектированной схемы фильтра.
8. Расчет погрешностей в реализации АЧХ фильтра нижних частот Чебышева.
9. Расчет погрешностей в реализации переходных характеристик фильтра нижних частот Чебышева.
10. Результаты анализа дополнительной погрешности от влияния температуры окружающего воздуха в диапазоне температур (0…60)°С на ЛАЧХ фильтра нижних частот Чебышева.
Контрольные вопросы
1. Дать определение фильтра нижних частот Чебышева.
2. Что такое полоса пропускания?
3. Что такое переходная область амплитудно-частотной характеристики?
4. Найти передаточную функцию звена ФНЧ 2-го порядка на основе схемы Рауха.
5. Как производится регулировка схемы ФНЧ на основе порядка на основе схемы Рауха?
6. Что подразумевается под добротностью ФНЧ?
7. Как по частоте среза оценить время переходного процесса?
8. Что происходит с переходным процессом при сужении переходной полосы фильтра нижних частот?
9. Как регулируется добротность ФНЧ на основе звеньев Рауха?
10. Что такое частота среза с?
11. Что такое пульсации в полосе пропускания ФНЧ, как численно они выражаются?
12. Что такое коэффициент усиления фильтра нижних частот?
13. Что произойдет с характеристикой фильтра, если все конденсаторы увеличить, а все резисторы уменьшить в одинаковое число раз?
14. Какой функцией описывается фильтр Чебышева?
15. Как произвести анализ схемы с учетом дрейфа пассивных компонентов?
16. Влияет ли на характеристики схемы разброс параметров ОУ и как он задается?
17. Как влияет на результирующую АЧХ ФНЧ скорость нарастания выходного напряжения ОУ?
18. Какие значения добротности можно реализовать в различных схемных реализациях ФНЧ?
Контрольные задания
1. Построить в MathCAD и проанализировать зависимость требуемого порядка фильтра нижних частот Баттерворта от относительной ширины переходной области АЧХ в диапазоне 1…10 с шагом 1.
2. Построить в MathCAD и проанализировать зависимость требуемого порядка фильтра нижних частот Чебышева от относительной ширины переходной области АЧХ в диапазоне 1…10 с шагом 1.
3. Построить в MathCAD и проанализировать зависимость требуемого порядка фильтра нижних частот Чебышева от неравномерности α1 в полосе пропускания АЧХ (диапазон изменения α1 0,1…3 дБ с шагом 0,1 дБ).
4. Построить в MathCAD и проанализировать зависимость требуемого порядка фильтра нижних частот Чебышева от требуемого затухания α2 в полосе задерживания АЧХ (диапазон изменения α2 20…100 дБ с шагом 10 дБ).
5. Построить в MathCAD и проанализировать зависимость требуемого порядка фильтра нижних частот Баттерворта от требуемого затухания α2 в полосе задерживания АЧХ (диапазон изменения α2 20…100 дБ с шагом 10 дБ).
6. Построить семейство характеристик ЛАЧХ в MicroCAP при изменении сопротивления схемы R1 в диапазоне . Объяснить полученные результаты.
7. Построить семейство характеристик ЛАЧХ в MicroCAP при изменении сопротивления схемы R2 в диапазоне . Объяснить полученные результаты.
8. Построить семейство характеристик ЛАЧХ в MicroCAP при изменении сопротивления схемы R3 в диапазоне . Объяснить полученные результаты.
Список рекомендуемой литературы
1. Джонсон Д. и др. Справочник по активным фильтрам: Пер.с англ. /Джонсон.Д/. – Энергоиздат, 1983 г.
2. Резисторы: Справочник. В.В. Дубровский и др.; под ред. Четверкова и В.М. Терехова. – 2-е изд. перераб. доп. - М.: Радио и связь, 1991 г.
3. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА. Справочник. Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков и др. – Мн.: Беларусь, 1994 г.
4. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник. С.В. Якубовский, Л.И. Ниссельсон и др.; под ред. С.В. Якубовского. – М.: Радио и связь, 1989 г.
5. Карпов В.А. Крышнев Ю.В. Практическое руководство к лабораторным работам «Проектирование ФНЧ Чебышева и Баттерворта» по дисциплине «САПР устройств промышленной электроники». Гомель: ГПИ 1998 (м/ук № 2235).
6. Крышнев Ю.В., Гуреева О.В. Схемотехническое моделирование / Методические указания к лабораторным занятиям по курсу «САПР устройств промышленной электроники» для студентов дневной и заочной формы обучения специальности 1-36 04 02 «Промышленная электроника». Часть 1. – Гомель: ГГТУ им. П.О. Сухого 2007 (м/ук № 3180).
Лабораторная работа № 6
«Проектирование фильтров верхних частот Баттерворта с заданной нормированной шириной переходной области АЧХ на основе звеньев Рауха»
Цель лабораторной работы: получить навыки расчета, моделирования и анализа активных фильтров верхних частот с заданной нормированной шириной переходной области амплитудно-частотной характеристики.
Порядок выполнения лабораторной работы.
1. По заданным преподавателем значениям следующих параметров:
k – коэффициент усиления фильтра;
fс – частота среза АЧХ;
α1 – максимально допустимое затухание АЧХ в полосе пропускания;
α2 – минимально допустимое затухание АЧХ в полосе задерживания;
Тω – максимально допустимая ширина переходной области АЧХ
рассчитать порядок фильтра Баттерворта. Порядок фильтра nтр должен быть целым числом. Необходимый порядок фильтра nтр выбирается из условия:
nтр = [n+kЗ],
где: nтр – рассчитанный порядок фильтра;
kЗ = 0,15 – коэффициент запаса;
[ ] – обозначает ближайшее целое в сторону увеличения.
Образец расчета приведен в файле ФВЧ с зад Тw. xmcd.
2. Рассчитать параметры каждого звена фильтра Баттерворта, учитывая соответствующие безразмерные коэффициенты (B, C) для каждого звена, определяющие форму АЧХ и ФЧХ фильтра. Коэффициенты фильтра Баттерворта приведены в Приложении А. Расчёт параметров осуществляется с помощью программы MathCad (образец расчета см. в файле ФВЧ с зад Тw. xmcd).
3. Выбрать ближайшие к расчётным номинальные значения рассчитанных в п.2 элементов фильтра. При выборе пользоваться стандартными рядами компонентов (см. Приложение В). В библиотеке компонентов MicroCAP 7 задать модели элементов задать новую модель элемента с требуемыми параметрами – допускаемыми ТКС (ТКЕ) и отклонениями сопротивления (емкости) от номинального. Образец задания модели резистора и конденсатора см. Приложении Б.
4. С учётом требований к операционным усилителям (ОУ) выбрать конкретные типы ОУ из библиотеки компонентов Micro-CAP 7.0
5. Смоделировать схему фильтра в системе Micro-Cap 7.0 (образец см. в файле ФВЧ с зад Тw. CIR). Описания моделей компонентов, используемых в лабораторной работе, приведены в методических указаниях № 3180 (электронная версия – файл Методические указания_3180.doc).
6. Произвести анализ схемы в частотной области (в режиме АС-анализа) – построить ЛАЧХ, ЛФЧХ и частотную характеристику группового времени замедления фильтра τ(ω). Образец анализа приведен в файле ФВЧ с зад Тw. CIR. Сделать выводы по результатам анализа спроектированного фильтра в частотной области.
Коэффициент усиления ФВЧ на постоянном токе k определяется по ЛАЧХ на частоте 10fc, погрешность по заданному коэффициенту усиления не должна превышать 5%.
Частота среза для ФВЧ Баттерворта по уровню -3 дБ относительно коэффициента k (по ЛАЧХ). Погрешность по частоте среза не должна превышать 5%.
Ширина переходной области Тω должна быть меньше или равной заданной.
Образец определения погрешностей приведен в файле
ФВЧ с зад Тw. xmcd.
7. Произвести анализ переходного процесса при отклике фильтра на единичный скачок входного напряжения. (Transient-анализ). Образец анализа приведен в файле ФВЧ с зад Тw. CIR.
В результате анализа необходимо получить переходную характеристику фильтра h(t).
Кроме того, необходимо убедиться, что на выходе активного фильтра отсутствует смещение выходного сигнала, обусловленное паразитными параметрами ОУ: напряжением смещения UСМ и разностью входных токов ΔiВХ. Смещение выходного сигнала на постоянном токе не должно превышать 10 мВ. Для компенсации указанных погрешностей предусматривается симметрирование ОУ (компенсация погрешности, связанной с ΔiВХ) или выбор ОУ, имеющего малые UСМ и ΔiВХ.
Образец определения погрешностей приведен в файле
ФВЧ с зад Тw. xmcd.
8. Оценить требования по температурной стабильности пассивных элементов схемы ФВЧ, если фильтр работает в диапазоне температур (0…60)°С.
Для этого провести анализ изменения коэффициента усиления по постоянному току при температурах анализа 0°С и 60°С (в меню AC Analysys Limits, в поле Temperature выбрать режим «List» и через запятую задать температуры, при которых будет проводиться анализ схем: 0, 27, 60). Сделать выводы о влиянии температурной стабильности элементов на изменения коэффициента усиления фильтра на частоте настройки. Дополнительная погрешность от влияния температуры не должна превышать 1% на каждые 10°С.
Образец определения погрешностей приведен в файле
ФВЧ с зад Тw. xmcd.
Исходные данные для проектирования фильтров верхних частот Баттерворта с заданной нормированной шириной переходной области АЧХ
на основе звеньев Рауха
коэффициент усиления k, частота среза fc, максимально допустимая переходная область АЧХ Tω, максимально допустимое затухание в полосе пропускания α1, минимально допустимое затухание в полосе задерживания α2 (из табл. 5).
Таблица 5
|
№ варианта |
k |
fc, Гц |
α1, дБ |
α2, дБ |
Tω, Гц |
|
1 |
10 |
5 |
0,1 |
20 |
2 |
|
2 |
3 |
17 |
0,1 |
20 |
7 |
|
3 |
4 |
110 |
3 |
20 |
30 |
|
4 |
1 |
12000 |
2 |
20 |
5500 |
|
5 |
4 |
300 |
1 |
20 |
120 |
|
6 |
8 |
3100 |
3 |
20 |
1500 |
|
7 |
2,5 |
5300 |
0,1 |
20 |
2300 |
|
8 |
10 |
16000 |
2 |
20 |
8000 |
|
9 |
2 |
10000 |
3 |
20 |
2800 |
|
10 |
50 |
5 |
0,1 |
20 |
2 |
|
11 |
12 |
8500 |
0,1 |
20 |
4100 |
|
12 |
50 |
50 |
2 |
20 |
16 |
|
13 |
43 |
750 |
3 |
20 |
410 |
|
14 |
9 |
10 |
0,1 |
20 |
4 |
|
15 |
3 |
20 |
0,5 |
20 |
6 |
|
16 |
2 |
50 |
3 |
20 |
20 |
|
17 |
2 |
11000 |
2 |
20 |
5000 |
|
18 |
4 |
500 |
0,5 |
20 |
185 |
|
19 |
8 |
4000 |
3 |
20 |
1500 |
|
20 |
3 |
6000 |
0,1 |
20 |
3000 |
|
21 |
5 |
1600 |
1 |
20 |
600 |
|
22 |
1,5 |
5000 |
1 |
20 |
1700 |
|
23 |
12 |
7000 |
1 |
20 |
3400 |
|
24 |
10 |
100 |
2 |
20 |
34 |
|
25 |
5 |
400 |
1 |
20 |
200 |
|
26 |
15 |
350 |
0,1 |
20 |
200 |
|
27 |
2 |
10000 |
3 |
20 |
3000 |
|
28 |
15 |
300 |
1 |
20 |
120 |
|
29 |
6 |
100 |
1 |
20 |
50 |
|
30 |
1 |
2000 |
0,1 |
20 |
650 |
Содержание отчета
1. Наименование и цель работы.
2. Исходные данные для расчета.
3. Расчет порядка фильтра Баттерворта.
4. Расчет принципиальной схемы, реализующей фильтр верхних частот Баттерворта.
5. Справочные данные использованных резисторов, конденсаторов и ОУ.
6. Схема спроектированного фильтра верхних частот с указанным типом ОУ, номиналами конденсаторов, резисторов, а также с их относительным и температурным разбросом.
7. Графики ЛАЧХ, ЛФЧХ, частотной характеристики времени замедления (ЧХВЗ) и переходной характеристики для спроектированной схемы фильтра.
8. Расчет погрешностей в реализации АЧХ фильтра верхних частот Баттерворта.
9. Расчет погрешностей в реализации переходных характеристик фильтра верхних частот Баттерворта (смещение выходного сигнала по постоянному току после окончания переходного процесса).
10. Результаты анализа дополнительной погрешности от влияния температуры окружающего воздуха в диапазоне температур (0…60)°С на ЛАЧХ фильтра верхних частот Баттерворта с учетом температурной стабильности пассивных элементов схем.
Контрольные вопросы
1. Что такое фильтр верхних частот, привести конкретные применения фильтров верхних частот.
2. Дать определение фильтра верхних частот Чебышева.
3. Дать определение фильтра верхних частот Баттерворта.
4. Найти передаточную функцию звена ФВЧ 2-го порядка на основе схемы Рауха
5. Изложить основные требования, предъявляемые к ОУ, используемому в активных фильтрах.
6. Как определяется переходная область АЧХ фильтра верхних частот?
7. Как определяется требуемый порядок фильтра верхних частот?
8. Представить возможный вид ЛАЧХ звеньев ФВЧ 2-го порядка различных аппроксимаций (Баттерворта, Чебышева, инверсного Чебышева, эллиптического Чебышева).
9. Что подразумевается под добротностью ФВЧ?
10. Что такое частота среза с?
11. Что такое пульсации в полосе пропускания ФВЧ, как численно они выражаются?
12.Что такое коэффициент усиления фильтра верхних частот?
13. Как производится регулировка схемы ФВЧ на основе звена Рауха по частоте среза fc?
14. Какими элементами схемы производится регулировка коэффициента усиления фильтра ФВЧ на основе звена Рауха?
15. Как изменить добротность ФВЧ на основе звена Рауха?
Контрольные задания
1. Построить в MathCAD и проанализировать зависимость требуемого порядка фильтра верхних частот Баттерворта от относительной ширины переходной области АЧХ в диапазоне 1…10 с шагом 1.
2. Построить в MathCAD и проанализировать зависимость требуемого порядка фильтра верхних частот Чебышева от относительной ширины переходной области АЧХ в диапазоне 1…10 с шагом 1.
3. Построить в MathCAD и проанализировать зависимость требуемого порядка фильтра верхних частот Чебышева от неравномерности α1 в полосе пропускания АЧХ (диапазон изменения α1 0,1…3 дБ с шагом 0,1 дБ).
4. Построить в MathCAD и проанализировать зависимость требуемого порядка фильтра верхних частот Чебышева от требуемого затухания α2 в полосе задерживания АЧХ (диапазон изменения α2 20…100 дБ с шагом 10 дБ).
5. Построить в MathCAD и проанализировать зависимость требуемого порядка фильтра верхних частот Баттерворта от требуемого затухания α2 в полосе задерживания АЧХ (диапазон изменения α2 20…100 дБ с шагом 10 дБ).
6. Построить семейство характеристик ЛАЧХ в MicroCAP при изменении сопротивления схемы R1 в диапазоне . Объяснить полученные результаты.
7. Построить семейство характеристик ЛАЧХ в MicroCAP при изменении сопротивления схемы C1 в диапазоне . Объяснить полученные результаты.
Список рекомендуемой литературы
1. Джонсон Д. и др. Справочник по активным фильтрам: Пер.с англ. /Джонсон.Д/. – Энергоиздат, 1983 г.
2. Резисторы: Справочник. В.В. Дубровский и др.; под ред. Четверкова и В.М. Терехова. – 2-е изд. перераб. доп. - М.: Радио и связь, 1991 г.
3. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА. Справочник. Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков и др. – Мн.: Беларусь, 1994 г.
4. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник. С.В. Якубовский, Л.И. Ниссельсон и др.; под ред. С.В. Якубовского. – М.: Радио и связь, 1989 г.
5. Карпов В.А. Крышнев Ю.В. Практическое руководство к лабораторным работам «Проектирование ФНЧ Чебышева и Баттерворта» по дисциплине «САПР устройств промышленной электроники». Гомель: ГПИ 1998 (м/ук № 2235).
6. Крышнев Ю.В., Гуреева О.В. Схемотехническое моделирование / Методические указания к лабораторным занятиям по курсу «САПР устройств промышленной электроники» для студентов дневной и заочной формы обучения специальности 1-36 04 02 «Промышленная электроника». Часть 1. – Гомель: ГГТУ им. П.О. Сухого 2007 (м/ук № 3180).
Лабораторная работа № 7
«Проектирование полосно-пропускающих фильтров с заданной нормированной шириной переходной области АЧХ на основе звеньев Рауха»
Цель лабораторной работы: получить навыки расчета, моделирования и анализа полосно-пропускающих фильтров с заданной нормированной шириной переходной области АЧХ.
Порядок выполнения лабораторной работы.
1. По заданным преподавателем значениям следующих параметров:
k – коэффициент усиления на центральной частоте АЧХ фильтра
f0 – центральная частота АЧХ фильтра
α1 – неравномерность в полосе пропускания
α2 – неравномерность в полосе задержания
Δf – ширина полосы пропускания
TωU – максимально допустимая ширина верхней переходной области АЧХ
рассчитать порядок ФНЧ-прототипа фильтра Баттерворта. Порядок ФНЧ прототипа (nтр) должен быть целым числом. Необходимый порядок nтр ФНЧ прототипа выбирается из условия:
nтр = [n+kЗ],
где: n – рассчитанный порядок фильтра;
kЗ = 0.15 – коэффициент запаса;
[ ] – обозначает ближайшее целое в сторону увеличения.
Каждому звену ФНЧ прототипа 1-го порядка соответствует звено ППФ 2-го, а каждому звену ФНЧ прототипа 2-го порядка соответствует два каскадно соединенных звена ППФ 2-го порядка. Образец расчета приведен в файле ППФ с МОС. xmcd.
2. Рассчитать параметры каждого звена фильтра Баттерворта. Порядок расчета фильтра Баттерворта приведен в методических указаниях № 2235 (электронная версия – файл Методические указания_2235.doc), коэффициенты ФНЧ прототипа фильтра Баттерворта – в Приложении А. Расчёт параметров осуществляется с помощью программы MathCad (образец расчета см. в файле ППФ с МОС. xmcd).
3. Выбрать ближайшие к расчётным номинальные значения рассчитанных в п.2 элементов фильтра. При выборе пользоваться стандартными рядами компонентов (см. Приложение В). В библиотеке компонентов MicroCAP 7 задать модели элементов с требуемыми параметрами – допускаемыми ТКС (ТКЕ) и отклонениями сопротивления (емкости) от номинального. Образец задания модели резистора и конденсатора см. в Приложении Б.
4. С учётом требований к операционным усилителям (ОУ) выбрать конкретные типы ОУ из библиотеки компонентов Micro-CAP 7.0
5. Смоделировать схему фильтра в системе Micro-Cap 7.0 (образец см. в файле ППФ с МОС. CIR). Описания моделей компонентов, используемых в лабораторной работе, приведены в методических указаниях № 3180 (электронная версия – файл Методические указания_3180.doc).
6. Произвести анализ схемы в частотной области (в режиме АС-анализа) – построить ЛАЧХ, ЛФЧХ и частотную характеристику группового времени замедления фильтра τ(ω). Образец анализа приведен в файле ППФ с МОС. CIR. Сделать выводы по результатам анализа спроектированного фильтра в частотной области.
Коэффициент усиления ППФ k и центральная частота f0, определяется по максимальному значению ЛАЧХ, погрешность по заданному коэффициенту усиления и центральной частоте не должна превышать 5%.
Нижняя и верхняя частоты среза определяются по уровню затухания –3 дБ, а ширина полосы пропускания как разность верхней и нижней частот среза: Δf = ωU – ωL. Погрешность по заданной ширине полосы пропускания не должна превышать 5%.
Ширина верхней переходной области ТωU должна быть меньше или равной заданной, а ширина нижней переходной области ТωL должна быть меньше верхней.
Образец определения погрешностей приведен в файле
ППФ с МОС. xmcd.
7. Произвести анализ переходного процесса при отклике фильтра на единичный скачок входного напряжения. (Transient-анализ). Образец анализа приведен в файле ППФ с МОС. CIR.
В результате анализа необходимо получить переходную характеристику фильтра h(t).
Кроме того, необходимо убедиться, что на выходе активного фильтра отсутствует смещение выходного сигнала, обусловленное паразитными параметрами ОУ: напряжением смещения UСМ и разностью входных токов ΔiВХ. Смещение выходного сигнала на постоянном токе не должно превышать 10 мВ. Для компенсации указанных погрешностей предусматривается симметрирование ОУ (компенсация погрешности, связанной с ΔiВХ) или выбор ОУ, имеющего малые UСМ и ΔiВХ.
Образец определения погрешностей приведен в файле
ППФ с МОС. xmcd.
8. Оценить требования по температурной стабильности пассивных элементов схемы ППФ, если фильтр работает в диапазоне температур (0…60)°С.
Для этого провести анализ изменения коэффициента усиления по постоянному току при температурах анализа 0°С и 60°С (в меню AC Analysys Limits, в поле Temperature выбрать режим «List» и через запятую задать температуры, при которых будет проводиться анализ схем:
0, 27, 60). Сделать выводы о влиянии температурной стабильности элементов на изменения коэффициента усиления фильтра на частоте настройки. Дополнительная погрешность от влияния температуры не должна превышать 1% на каждые 10°С.
Образец определения погрешностей приведен в файле
ППФ с МОС. xmcd.
Исходные данные для проектирования полосно-пропускающих фильтров
с заданной нормированной шириной переходной области АЧХ
на основе звеньев Рауха
k – коэффициент усиления на центральной частоте АЧХ фильтра; f0 – центральная частота АЧХ фильтра; α1 – максимально допустимое затухание АЧХ в полосе пропускания; α2 – минимально допустимое затухание АЧХ в полосе в полосе задерживания; Δf – ширина полосы пропускания; TωU – максимально допустимая ширина верхней переходной области АЧХ (из табл. 6).
Таблица 6
|
№ |
k |
f0, Гц |
Δf,Гц |
TωU, Гц |
α1, дБ |
α2, дБ |
|
1 |
5 |
120 |
20 |
50 |
3 |
20 |
|
2 |
2 |
500 |
70 |
120 |
3 |
20 |
|
3 |
8 |
300 |
50 |
90 |
3 |
20 |
|
4 |
5 |
2800 |
470 |
1000 |
3 |
20 |
|
5 |
10 |
750 |
110 |
170 |
3 |
20 |
|
6 |
12 |
4000 |
590 |
1700 |
3 |
20 |
|
7 |
2 |
1800 |
230 |
350 |
3 |
20 |
|
8 |
13 |
400 |
60 |
100 |
3 |
20 |
|
9 |
5 |
2000 |
270 |
400 |
3 |
20 |
|
10 |
8 |
1700 |
230 |
360 |
3 |
20 |
|
11 |
11 |
500 |
80 |
140 |
3 |
20 |
|
12 |
5 |
950 |
130 |
200 |
3 |
20 |
|
13 |
3 |
5000 |
690 |
1000 |
3 |
20 |
|
14 |
9 |
1600 |
220 |
650 |
3 |
20 |
|
15 |
10 |
450 |
60 |
120 |
3 |
20 |
|
16 |
2 |
200 |
30 |
60 |
3 |
20 |
|
17 |
7 |
2000 |
300 |
550 |
3 |
20 |
|
18 |
4 |
550 |
90 |
230 |
3 |
20 |
|
19 |
11 |
1000 |
170 |
310 |
3 |
20 |
|
20 |
3 |
90 |
20 |
40 |
3 |
20 |
|
21 |
9 |
900 |
180 |
390 |
3 |
20 |
|
22 |
4 |
600 |
130 |
290 |
3 |
20 |
|
23 |
8 |
50 |
10 |
20 |
3 |
20 |
|
24 |
2 |
100 |
20 |
50 |
3 |
20 |
|
25 |
6 |
3000 |
520 |
870 |
3 |
20 |
|
26 |
10 |
700 |
100 |
170 |
3 |
20 |
|
27 |
8 |
8000 |
1200 |
2000 |
3 |
20 |
|
28 |
3 |
1100 |
170 |
250 |
3 |
20 |
|
29 |
5 |
600 |
100 |
180 |
3 |
20 |
|
30 |
7 |
200 |
50 |
90 |
3 |
20 |
|
31 |
12 |
10000 |
1700 |
3000 |
3 |
20 |
|
32 |
10 |
350 |
50 |
80 |
3 |
20 |
|
33 |
4 |
80 |
20 |
40 |
3 |
20 |
|
34 |
3 |
400 |
90 |
140 |
3 |
20 |
|
35 |
11 |
1300 |
210 |
320 |
3 |
20 |
|
36 |
5 |
250 |
40 |
70 |
3 |
20 |
|
37 |
12 |
1600 |
260 |
420 |
3 |
20 |
|
38 |
6 |
100 |
30 |
60 |
3 |
20 |
|
39 |
7 |
400 |
120 |
210 |
3 |
20 |
Оценить требования по температурной стабильности пассивных элементов схемы ППФ, если фильтр работает в диапазоне температур (0…60)°С.
Содержание отчета
1. Наименование и цель работы.
2. Исходные данные для расчета.
3. Расчет порядка ФНЧ-прототипа фильтра Баттерворта.
4. Расчет принципиальной схемы, реализующей полосно-пропускающий фильтр.
5. Справочные данные использованных резисторов, конденсаторов и ОУ.
6. Схема спроектированного полосно-пропускающего фильтра с указанным типом ОУ, номиналами конденсаторов, резисторов, а также с их относительным и температурным разбросом.
7. Графики ЛАЧХ, ЛФЧХ, частотной характеристики времени замедления (ЧХВЗ) и переходной характеристики для спроектированной схемы фильтра.
8. Расчет погрешностей в реализации АЧХ полосно-пропускающего фильтра на основе звеньев Рауха.
9. Расчет погрешностей в реализации переходных характеристик полосно-пропускающего фильтра на основе звеньев Рауха (смещение выходного сигнала по постоянному току после окончания переходного процесса).
10. Результаты анализа дополнительной погрешности от влияния температуры окружающего воздуха в диапазоне температур (0…60)°С на ЛАЧХ полосно-пропускающего фильтра с учетом температурной стабильности пассивных элементов схем.
Контрольные вопросы
1. Дать определение полосно-пропускающего фильтра.
2. Найти передаточную функцию звена ППФ 2-го порядка на основе схемы Рауха.
3. Как производится регулировка схемы ППФ на основе звена Рауха по частоте среза fc?
4. Какими элементами схемы производится регулировка коэффициента усиления фильтра ППФ на основе звена Рауха?
5. Представить возможный вид ЛАЧХ звена ППФ 2-го порядка
с полиномиальным ФНЧ-прототипом Баттерворта.
6. Как определяется ширина полосы пропускания АЧХ ППФ?
7. Как определяется ширина верхней и нижней переходных области АЧХ ППФ?
8. Что подразумевается под добротностью ППФ? Представить зависимость ЛАЧХ ППФ Баттерворта от добротности.
9. Представить возможный вид ЛАЧХ звеньев ППФ 2-го порядка различных аппроксимаций (Баттерворта, Чебышева, инверсного Чебышева, эллиптического Чебышева).
Контрольные задания
1. Построить в MathCAD и проанализировать зависимость требуемого порядка ППФ Баттерворта от относительной ширины верхней переходной области АЧХ в диапазоне 1…10 с шагом 1.
2. Построить в MathCAD и проанализировать зависимость требуемого порядка ППФ Баттерворта от добротности Q АЧХ в диапазоне 1…20 с шагом 1.
3. Построить в MathCAD и проанализировать зависимость требуемого порядка ППФ Баттерворта от требуемого затухания α2 в полосе задерживания АЧХ (диапазон изменения α2 20…100 дБ с шагом 10 дБ).
4. Построить семейство характеристик ЛАЧХ в MicroCAP при изменении сопротивления схемы R1 в диапазоне . Объяснить полученные результаты.
5. Построить семейство характеристик ЛАЧХ в MicroCAP при изменении сопротивления схемы R2 в диапазоне . Объяснить полученные результаты.
Список рекомендуемой литературы
1. Джонсон Д. и др. Справочник по активным фильтрам: Пер.с англ. /Джонсон.Д/. – Энергоиздат, 1983 г.
2. Резисторы: Справочник. В.В. Дубровский и др.; под ред. Четверкова и В.М. Терехова. – 2-е изд. перераб. доп. - М.: Радио и связь, 1991 г.
3. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА. Справочник. Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков и др. – Мн.: Беларусь, 1994 г.
4. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник. С.В. Якубовский, Л.И. Ниссельсон и др.; под ред. С.В. Якубовского. – М.: Радио и связь, 1989 г.
5. Карпов В.А. Крышнев Ю.В. Практическое руководство к лабораторным работам «Проектирование ФНЧ Чебышева и Баттерворта» по дисциплине «САПР устройств промышленной электроники». Гомель: ГПИ 1998 (м/ук № 2235).
6. Крышнев Ю.В., Гуреева О.В. Схемотехническое моделирование / Методические указания к лабораторным занятиям по курсу «САПР устройств промышленной электроники» для студентов дневной и заочной формы обучения специальности 1-36 04 02 «Промышленная электроника». Часть 1. – Гомель: ГГТУ им. П.О. Сухого 2007 (м/ук № 3180).
Лабораторная работа № 8
«Проектирование полосно-заграждающих фильтров с заданной нормированной шириной переходной области АЧХ на основе звеньев Саллен-Ки»
Цель лабораторной работы: получить навыки расчета, моделирования и анализа полосно-заграждающих фильтров с заданной нормированной шириной переходной области АЧХ.
Порядок выполнения лабораторной работы.
1. По заданным преподавателем значениям следующих параметров:
k – коэффициент усиления на центральной частоте АЧХ фильтра
f0 – центральная частота АЧХ фильтра
α1 – неравномерность в полосе пропускания
α2 – неравномерность в полосе задержания
Δf – ширина полосы пропускания
TωU – максимально допустимая ширина верхней переходной области АЧХ
рассчитать порядок ФНЧ-прототипа фильтра Баттерворта. Порядок ФНЧ прототипа (nтр) должен быть целым числом. Необходимый порядок nтр ФНЧ прототипа выбирается из условия:
nтр = [n+kЗ],
где: n – рассчитанный порядок фильтра;
kЗ = 0,15 – коэффициент запаса;
[ ] – обозначает ближайшее целое в сторону увеличения.
Каждому звену ФНЧ прототипа 1-го порядка соответствует звено ПЗФ 2-го, а каждому звену ФНЧ прототипа 2-го порядка соответствует два каскадно соединенных звена ПЗФ 2-го порядка. Образец расчета приведен в файле ПЗФ с ИНУН. mcd.
2. Рассчитать параметры каждого звена фильтра Баттерворта. Порядок расчета фильтра Баттерворта приведен в методических указаниях № 2235 (электронная версия – файл Методические указания_2235.doc), коэффициенты ФНЧ прототипа фильтра Баттерворта – в Приложении А. Расчёт параметров осуществляется с помощью программы MathCad (образец расчета см. в файле ПЗФ с ИНУН. mcd).
3. Выбрать ближайшие к расчётным номинальные значения рассчитанных в п.1 элементов фильтра. При выборе пользоваться стандартными рядами компонентов (см. Приложение В). В библиотеке компонентов MicroCAP 7 задать модели элементов с требуемыми параметрами – допускаемыми ТКС (ТКЕ) и отклонениями сопротивления (емкости) от номинального. Образец задания модели резистора и конденсатора см. в Приложении Б.
4. С учётом требований к операционным усилителям (ОУ) выбрать конкретные типы ОУ из библиотеки компонентов Micro-CAP 7.0.
5. Смоделировать схему фильтра в системе Micro-Cap 7.0 (образец см. в файле ПЗФ с ИНУН. CIR). Описания моделей компонентов, используемых в лабораторной работе, приведены в методических указаниях № 3180 (электронная версия – файл Методические указания_3180.doc).
6. Произвести анализ схемы в частотной области (в режиме АС-анализа) – построить ЛАЧХ, ЛФЧХ и частотную характеристику группового времени замедления фильтра τ(ω). Образец анализа приведен в файле ПЗФ с ИНУН. CIR. Сделать выводы по результатам анализа спроектированного фильтра в частотной области.
Коэффициент усиления ПЗФ на постоянном токе k определяется по ЛАЧХ на частоте (0..1) Гц, погрешность по заданному коэффициенту усиления не должна превышать 5%.
Центральная частота f0 определяется по минимальному значению ЛАЧХ, погрешность по заданной центральной частоте не должна превышать 5%.
Нижняя и верхняя частоты среза, определяемые по уровню –α1 дБ относительно коэффициента k (по ЛАЧХ), а ширина полосы задерживания по уровню –α2 дБ относительно коэффициента k (по ЛАЧХ). Ширина полосы задерживания должна быть меньше или равна заданной.
Ширина верхней переходной области ТωU должна быть меньше или равной заданной, а ширина нижней переходной области ТωL должна быть меньше верхней.
Образец определения погрешностей приведен в файле
ПЗФ с ИНУН. xmcd.
7. Произвести анализ переходного процесса при отклике фильтра на единичный скачок входного напряжения. (Transient-анализ). Образец анализа приведен в файле ПЗФ с ИНУН. CIR.
В результате анализа необходимо определить коэффициент усиления ПЗФ на постоянном токе в линейном режиме ОУ. Погрешность не должна превышать 5%.
Также в результате анализа необходимо убедиться, что на выходе активного фильтра отсутствует смещение выходного сигнала, обусловленное паразитными параметрами ОУ: напряжением смещения UСМ и разностью входных токов ΔiВХ. Смещение выходного сигнала на постоянном токе не должно превышать 10 мВ. Для компенсации указанных погрешностей предусматривается симметрирование ОУ (компенсация погрешности, связанной с ΔiВХ) или выбор ОУ, имеющего малые UСМ и ΔiВХ.
Образец определения погрешностей приведен в файле
ПЗФ с ИНУН. xmcd.
8. Оценить требования по температурной стабильности пассивных элементов схемы П3Ф, если фильтр работает в диапазоне температур (0…60)°С.
Для этого провести анализ изменения коэффициента усиления по постоянному току при температурах анализа 0°С и 60°С (в меню AC Analysys Limits, в поле Temperature выбрать режим «List» и через запятую задать температуры, при которых будет проводиться анализ схем: 0, 27, 60). Сделать выводы о влиянии температурной стабильности элементов на изменения коэффициента усиления по постоянному току фильтра. Дополнительная погрешность от влияния температуры не должна превышать 1% на каждые 10°С.
Образец определения погрешностей приведен в файле
ПЗФ с ИНУН. xmcd.
Исходные данные для проектирования полосно-заграждающих фильтров с заданной нормированной шириной переходной области АЧХ на основе звеньев Саллен-Ки
k – коэффициент усиления на центральной частоте АЧХ фильтра; f0 – центральная частота АЧХ фильтра; α1 – максимально допустимое затухание АЧХ в полосе пропускания; α2 – минимально допустимое затухание АЧХ в полосе в полосе задерживания; Δf – ширина полосы задерживания; TωU – максимально допустимая ширина верхней переходной области АЧХ (из табл. 7).
Таблица 7
|
№ |
k |
f0, Гц |
Δf,Гц |
TωU, Гц |
α1, дБ |
α2, дБ |
|
1 |
1 |
500 |
210 |
110 |
3 |
20 |
|
2 |
1 |
2000 |
570 |
300 |
3 |
20 |
|
3 |
1 |
2100 |
480 |
250 |
3 |
20 |
|
4 |
1 |
50 |
10 |
5 |
3 |
20 |
|
5 |
1 |
100 |
70 |
40 |
3 |
20 |
|
6 |
1 |
3000 |
860 |
450 |
3 |
20 |
|
7 |
1 |
700 |
410 |
230 |
3 |
20 |
|
8 |
1 |
8000 |
1300 |
650 |
3 |
20 |
|
9 |
1 |
1000 |
500 |
280 |
3 |
20 |
|
10 |
1 |
600 |
230 |
120 |
3 |
20 |
|
11 |
1 |
200 |
90 |
50 |
3 |
20 |
|
12 |
1 |
2300 |
710 |
380 |
3 |
20 |
|
13 |
1 |
5000 |
1350 |
700 |
3 |
20 |
|
14 |
1 |
80 |
20 |
10 |
3 |
20 |
|
15 |
1 |
400 |
180 |
100 |
3 |
20 |
|
16 |
1 |
1300 |
200 |
100 |
3 |
20 |
|
17 |
1 |
250 |
75 |
40 |
3 |
20 |
|
18 |
1 |
1600 |
180 |
90 |
3 |
20 |
|
19 |
1 |
120 |
20 |
10 |
3 |
20 |
|
20 |
1 |
500 |
220 |
120 |
3 |
20 |
|
21 |
1 |
300 |
150 |
80 |
3 |
20 |
|
22 |
1 |
2800 |
930 |
500 |
3 |
20 |
|
23 |
1 |
750 |
100 |
50 |
3 |
20 |
|
24 |
1 |
4000 |
880 |
460 |
3 |
20 |
|
25 |
1 |
1800 |
390 |
200 |
3 |
20 |
|
26 |
1 |
400 |
130 |
70 |
3 |
20 |
|
27 |
1 |
200 |
40 |
20 |
3 |
20 |
|
28 |
1 |
2000 |
370 |
190 |
3 |
20 |
|
29 |
1 |
550 |
120 |
60 |
3 |
20 |
|
30 |
1 |
1000 |
690 |
400 |
3 |
20 |
|
31 |
1 |
90 |
20 |
10 |
3 |
20 |
|
32 |
1 |
900 |
250 |
130 |
3 |
20 |
|
33 |
1 |
600 |
230 |
120 |
3 |
20 |
|
34 |
1 |
10000 |
1550 |
800 |
3 |
20 |
|
35 |
1 |
300 |
60 |
30 |
3 |
20 |
|
36 |
1 |
1700 |
270 |
140 |
3 |
20 |
|
37 |
1 |
500 |
100 |
50 |
3 |
20 |
|
38 |
1 |
950 |
180 |
90 |
3 |
20 |
|
39 |
1 |
5500 |
770 |
390 |
3 |
20 |
Содержание отчета
1. Наименование и цель работы.
2. Исходные данные для расчета.
3. Расчет порядка ФНЧ-прототипа фильтра Баттерворта.
4. Расчет параметров каждого звена фильтра Баттерворта.
5. Справочные данные использованных резисторов, конденсаторов и ОУ.
6. Схема спроектированного ПЗФ с указанным типом ОУ, номиналами конденсаторов, резисторов, а также с их относительным и температурным разбросом.
7. Графики ЛАЧХ, ЛФЧХ, частотной характеристики времени замедления (ЧХВЗ) и переходной характеристики для спроектированной схемы фильтра.
8. Расчет погрешностей в реализации АЧХ ПЗФ.
9. Расчет погрешностей в реализации переходных характеристик ПЗФ (смещение выходного сигнала по постоянному току после окончания переходного процесса).
10. Результаты анализа дополнительной погрешности от влияния температуры окружающего воздуха в диапазоне температур (0…60)°С на ЛАЧХ ПЗФ с учетом температурной стабильности пассивных элементов схем.
Контрольные вопросы
1. Дать определение полосно-заграждающего фильтра.
2. Найти передаточную функцию звена ПЗФ 2-го порядка на основе схемы Саллен-Ки.
3. Как производится регулировка схемы ПЗФ на основе звеньев Саллен-Ки по частоте среза fc?
4. Какими элементами схемы производится регулировка коэффициента усиления фильтра ПЗФ на основе звеньев Саллен-Ки?
5. Представить возможный вид ЛАЧХ звена ПЗФ 2-го порядка с полиномиальным ФНЧ-прототипом Баттерворта.
6. Как определяется ширина верхней и нижней переходных области АЧХ ПЗФ?
7. Что характеризует добротность ПЗФ?
9. Представить возможный вид ЛАЧХ звеньев ПЗФ 2-го порядка различных аппроксимаций (Баттерворта, Чебышева, инверсного Чебышева, эллиптического Чебышева).
Контрольные задания
1. Построить в MathCAD и проанализировать зависимость требуемого порядка ПЗФ Баттерворта от относительной ширины верхней переходной области АЧХ в диапазоне 1…10 с шагом 1.
2. Построить в MathCAD и проанализировать зависимость требуемого порядка ПЗФ Баттерворта от добротности Q АЧХ в диапазоне 0,5…5 с шагом 0,5.
3. Построить в MathCAD и проанализировать зависимость требуемого порядка ПЗФ Баттерворта от требуемого затухания α2 в полосе задерживания АЧХ (диапазон изменения α2 20…60 дБ с шагом 10 дБ).
4. Построить семейство характеристик ЛАЧХ в MicroCAP при изменении сопротивления схемы R1 в диапазоне . Объяснить полученные результаты.
5. Построить семейство характеристик ЛАЧХ в MicroCAP при изменении сопротивления схемы R2 в диапазоне . Объяснить полученные результаты.
Список рекомендуемой литературы
1. Джонсон Д. и др. Справочник по активным фильтрам: Пер.с англ. /Джонсон.Д/. – Энергоиздат, 1983 г.
2. Резисторы: Справочник. В.В. Дубровский и др.; под ред. Четверкова и В.М. Терехова. – 2-е изд. перераб. доп. - М.: Радио и связь, 1991 г.
3. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА. Справочник. Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков и др. – Мн.: Беларусь, 1994 г.
4. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник. С.В. Якубовский, Л.И. Ниссельсон и др.; под ред. С.В. Якубовского. – М.: Радио и связь, 1989 г.
5. Карпов В.А. Крышнев Ю.В. Практическое руководство к лабораторным работам «Проектирование ФНЧ Чебышева и Баттерворта» по дисциплине «САПР устройств промышленной электроники». Гомель: ГПИ 1998 (м/ук № 2235).
6. Крышнев Ю.В., Гуреева О.В. Схемотехническое моделирование / Методические указания к лабораторным занятиям по курсу «САПР устройств промышленной электроники» для студентов дневной и заочной формы обучения специальности 1-36 04 02 «Промышленная электроника». Часть 1. – Гомель: ГГТУ им. П.О. Сухого 2007 (м/ук № 3180).
Лабораторная работа № 9
«Проектирование измерительных усилителей»
Цель лабораторной работы: получить навыки расчета, моделирования и анализа схем измерительных усилителей.
Порядок выполнения лабораторной работы.
1. По заданным преподавателем значениям следующих параметров:
kд – коэффициент усиления дифференциального сигнала;
КОСС – коэффициент ослабления синфазного сигнала;
Rвх – входное сопротивление ОУ;
δ – допустимая погрешность измерительного усилителя по kд;
Uвх_пол – вид дифференциального (полезного) сигнала;
Uвх_син – вид синфазного сигнала (помехи);
X – номер схемы ИУ
рассчитать параметры заданного измерительного усилителя (ИУ). Расчёт параметров осуществляется с помощью программы MathCad (образец расчета см. в файлах Amp_1-Amp_5. xmcd).
2. Выбрать ближайшие к расчётным номинальные значения рассчитанных в п.1 элементов ИУ. При выборе пользоваться стандартными рядами компонентов (см. Приложение В). В библиотеке компонентов MicroCAP 7 задать задать модели элементов с требуемыми параметрами – допускаемыми ТКС и отклонениями сопротивления от номинального. Образец задания модели резистора см. в Приложении Б.
3. С учётом требований к операционному усилителю (ОУ) выбрать конкретный тип ОУ из библиотеки компонентов Micro-CAP 7.0
4. Смоделировать схему ИУ в системе Micro-Cap 7.0 (образец см. в файлах Amp_1-Amp_5. CIR). Описание моделей компонентов, используемых в лабораторной работе приведены в методических указаниях
№ 3180 (электронная версия – файл Методические указания_3180.doc).
5. Произвести временной анализ схемы (Transient-анализ). Образец анализа приведен в файлах Amp_1-Amp_5. CIR.
В результате анализа необходимо определить:
– значение полезного сигнала на выходе измерительного усилителя. Погрешность по коэффициенту усиления полезного (дифференциального) сигнала не должна превышать заданной погрешности измерительного усилителя (δ=1%). Образец определения погрешности приведен в файле Amp_1-Amp_5. xmcd.
– коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) измерительного усилителя. Значение КОСС должно быть больше заданного. Образец определения КОСС приведен в файле Amp_1-Amp_5. xmcd.
– дополнительную погрешность от влияния разброса компонентов. Дополнительная погрешность от влияния разброса компонентов не должна превышать δ=1%. Образец определения погрешностей приведен в файле Amp_1-Amp_5. xmcd.
Исходные данные для проектирования измерительных усилителей
kд – коэффициент усиления дифференциального сигнала; КОСС – коэффициент ослабления синфазного сигнала; Rвх – входное сопротивление ОУ; δ – допустимая погрешность измерительного усилителя по kд; Uвх_пол – вид дифференциального (полезного) сигнала; Uвх_син – вид синфазного сигнала (помехи); X – номер схемы ИУ; N – номер варианта по журналу (из табл. 8).
Таблица 8
|
№ |
X |
kд |
КОСС, дБ |
Rвх, кОм |
δ,% |
Uвх_пол, В |
Uвх_син, В |
|
1 |
1 |
2 |
60 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
2 |
2 |
5 |
55 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
3 |
3 |
10 |
50 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
4 |
4 |
3 |
60 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
5 |
5 |
4 |
50 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
6 |
1 |
7 |
55 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
7 |
2 |
20 |
65 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
8 |
3 |
2 |
58 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
9 |
4 |
3 |
60 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
10 |
5 |
8 |
55 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
11 |
1 |
15 |
50 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
12 |
2 |
12 |
60 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
13 |
3 |
15 |
50 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
14 |
4 |
2 |
55 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
15 |
5 |
6 |
65 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
16 |
1 |
5 |
58 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
17 |
2 |
4 |
60 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
18 |
3 |
3 |
55 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
19 |
4 |
2 |
60 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
20 |
5 |
10 |
55 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
21 |
1 |
3 |
50 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
22 |
2 |
20 |
60 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
23 |
3 |
7 |
50 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
24 |
4 |
13 |
55 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
25 |
5 |
17 |
65 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
26 |
1 |
12 |
60 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
27 |
2 |
5 |
55 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
28 |
3 |
8 |
50 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
29 |
4 |
2 |
60 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
30 |
5 |
5 |
50 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
31 |
1 |
6 |
60 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
32 |
2 |
10 |
55 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
33 |
3 |
15 |
50 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
34 |
4 |
18 |
60 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
35 |
5 |
20 |
50 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
36 |
1 |
21 |
55 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
37 |
2 |
4 |
65 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
38 |
3 |
8 |
58 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
|
39 |
4 |
12 |
60 |
500 |
1 |
N/30 |
(10·N/60)·sin(2·π·50·t) |
Содержание отчета
1. Наименование и цель работы.
2. Исходные данные для расчета.
3. Расчет параметров заданного измерительного усилителя (ИУ).
4. Справочные данные использованных резисторов, конденсаторов и ОУ.
5. Схема спроектированного измерительного усилителя с указанным типом ОУ, номиналами конденсаторов, резисторов, а также с их относительным и температурным разбросом.
6. Графики временного анализа схемы измерительного усилителя.
7. Значение полезного сигнала на выходе измерительного усилителя.
8. Расчет погрешности по коэффициенту усиления полезного (дифференциального) сигнала.
9. Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) измерительного усилителя.
10. Результаты анализа дополнительной погрешности от влияния разброса компонентов.
Контрольные вопросы
1. Дать определение измерительного усилителя.
2. Каким коэффициентом ослабления синфазного сигнала должен обладать измерительный усилитель и почему.
3. Как определяется КОСС измерительного усилителя.
4. Представить схему дифференциального усилителя (ДУ) на ОУ. Чему равен коэффициент усиления дифференциального сигнала схемы.
5. Представить схему ДУ с регулировкой коэффициента усиления
на дополнительном ОУ. Чему равен kд схемы?
6. Представить схему измерительного усилителя на одном ОУ с регулировкой коэффициента усиления. Чему равен kд схемы?
7. Представить схему измерительного усилителя на двух ОУ без синфазного сигнала на входах ОУ. Чему равен kд схемы?
8. Представить схему измерительного усилителя на двух ОУ с высоким входным сопротивлением. Чему равен kд схемы?
9. Представить схему измерительного усилителя на основе трех ОУ (классическая схема инструментального усилителя). Чему равен kд схемы?
Контрольные задания
1. Построить в MathCAD и проанализировать зависимость kд схемы дифференциального усилителя с регулировкой коэффициента усиления на дополнительном ОУ от сопротивления R6 в диапазоне . Построить семейство соответствующих характеристик выходного сигнала в MicroCAP (Transient-анализ). Объяснить результаты.
2. Построить в MathCAD и проанализировать зависимость kд схемы измерительного усилителя на одном ОУ с регулировкой коэффициента усиления от коэффициента δ в диапазоне 0,1…1. Построить семейство соответствующих характеристик выходного сигнала в MicroCAP (Transient-анализ). Объяснить результаты.
3. Построить в MathCAD и проанализировать зависимость kд схемы измерительного усилителя на двух ОУ без синфазного сигнала на входах ОУ от сопротивления R4 в диапазоне . Построить семейство соответствующих характеристик выходного сигнала в MicroCAP (Transient-анализ). Объяснить результаты.
4. Построить в MathCAD и проанализировать зависимость kд схемы измерительного усилителя на двух ОУ с высоким входным сопротивлением от сопротивления R1 в диапазоне . Построить семейство соответствующих характеристик выходного сигнала в MicroCAP (Transient-анализ). Объяснить результаты.
5. Построить в MathCAD и проанализировать зависимость kд схемы измерительного усилителя на основе трех ОУ (классическая схема инструментального усилителя) от сопротивления r в диапазоне . Построить семейство соответствующих характеристик выходного сигнала в MicroCAP (Transient-анализ). Объяснить результаты.
Список рекомендуемой литературы
1. Гутников, В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах / В. С. Гутников. – 2-е изд., перераб. и доп. – Ленинград : Энергоиздат. – 1988.
2. Измерение электрических и неэлектрических величин : учеб. пособие для вузов / Н. Н. Евтихиев [и др.] ; под общ. ред. Н. Н. Евтихиева. – Москва : Энергоатомиздат, 1990.
3. Пайтон, А. Дж. Аналоговая электроника на ОУ. Практическое руководство / А. Дж. Пайтон, В. Уолш ; пер. с англ. – Москва : БИНОМ, 1994.
4. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА. Справочник / Н. Н. Акимов [и др.]. – Минск : Беларусь, 1994.
5. Резисторы : справ. / под ред. И. И. Четверткова и Н. Я. Четверткова. – 2-е изд., перераб. и доп. – Москва : Радио и связь, 1991.
6. Цифровые интегральные микросхемы. Справочник / М. И. Богданович [и др.]. – Минск : Беларусь, 1991.
7. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник / С. В. Якубовский [и др.] ; под ред. С. В. Якубовского. – Москва : Радио и связь, 1989.
8. Шило, В. Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре / В. Л. Шило. – Москва : Совет. радио, 1979.
9. Крышнев Ю.В., Гуреева О.В. Схемотехническое моделирование / Методические указания к лабораторным занятиям по курсу «САПР устройств промышленной электроники» для студентов дневной и заочной формы обучения специальности 1-36 04 02 «Промышленная электроника». Часть 1. – Гомель: ГГТУ им. П.О. Сухого 2007 (м/ук № 3180).
Лабораторная работа № 10
«Проектирование преобразователей «напряжение–ток»
Цель лабораторной работы: получить навыки расчета, моделирования и анализа преобразователей «напряжение–ток», работающих на заземленную нагрузку.
Порядок выполнения лабораторной работы.
1. По заданным преподавателем значениям следующих параметров:
Uвх1,Uвх2 – входные напряжения ПНТ;
Iн max – максимальный ток нагрузки;
Rн max – максимальное сопротивление нагрузки;
Rвых min – минимально допустимое выходное сопротивление ПНТ;
X – номер схемы ПНТ;
N – номер варианта по журналу.
рассчитать параметры заданного преобразователя «напряжение–ток». Порядок расчета преобразователя «напряжение–ток» приведен в методических указаниях № 2435 (электронная версия – файл Методические указания_2435.doc), Расчёт параметров осуществляется с помощью программы MathCad (образец расчета см. в файлах
ПНТ_1 - ПНТ_5. xmcd).
2. Выбрать ближайшие к расчётным номинальные значения рассчитанных в п.1 элементов преобразователя «напряжение–ток». При выборе пользоваться стандартными рядами компонентов (см. Приложение В). В библиотеке компонентов MicroCAP 7 задать задать модели элементов с требуемыми параметрами – допускаемыми ТКС и отклонениями сопротивления от номинального. Образец задания модели резистора см. в Приложении Б.
3. С учётом требований к операционному усилителю (ОУ) выбрать конкретный тип ОУ из библиотеки компонентов Micro-CAP 7.0
4. Смоделировать схему преобразователя «напряжение–ток» в системе Micro-Cap 7.0 (образец см. в файлах PNT_1 - PNT_5. CIR). Описание моделей компонентов, используемых в лабораторной работе приведены в методических указаниях № 3180 (электронная версия – файл Методические указания_3180.doc).
5. Произвести временной анализ схемы (Transient-анализ). Образец анализа приведен в файлах PNT_1 - PNT_5. CIR.
Исходные данные для проектирования преобразователей «напряжение–ток»
Uвх1,Uвх2 – входные напряжения ПНТ; Iн max – максимальный ток нагрузки; Rн max – максимальное сопротивление нагрузки; Rвых min – минимально допустимое выходное сопротивление ПНТ; X – номер схемы ПНТ; N – номер варианта по журналу (из табл. 9).
Таблица 9
|
№ |
X |
Uвх1, В |
Uвх2, В |
Iн max, мА |
Rн max , Ом |
Rвых min , МОм |
|
1 |
1 |
5 |
4 |
10 |
300 |
1 |
|
2 |
2 |
2 |
5 |
5 |
200 |
1 |
|
3 |
3 |
2 |
0 |
1 |
1000 |
1 |
|
4 |
4 |
3 |
0 |
5 |
1000 |
1 |
|
5 |
5 |
4 |
-2 |
1 |
2000 |
1 |
|
6 |
1 |
3 |
-1 |
3 |
2000 |
1 |
|
7 |
2 |
0 |
5 |
2 |
1000 |
1 |
|
8 |
3 |
5 |
0 |
10 |
200 |
1 |
|
9 |
4 |
10 |
0 |
5 |
1500 |
1 |
|
10 |
5 |
9 |
7 |
2 |
3000 |
1 |
|
11 |
1 |
5 |
-3 |
1 |
6000 |
1 |
|
12 |
2 |
1 |
-1 |
1 |
2200 |
1 |
|
13 |
3 |
5 |
0 |
5 |
3000 |
1 |
|
14 |
4 |
-3 |
0 |
2 |
4000 |
1 |
|
15 |
5 |
8 |
2 |
4 |
1000 |
1 |
|
16 |
1 |
2 |
6 |
3 |
2500 |
1 |
|
17 |
2 |
0 |
-6 |
5 |
1700 |
1 |
|
18 |
3 |
4 |
0 |
10 |
250 |
1 |
|
19 |
4 |
7 |
0 |
2 |
1500 |
1 |
|
20 |
5 |
-3 |
3 |
3 |
400 |
1 |
|
21 |
1 |
5 |
-2 |
1 |
10000 |
1 |
|
22 |
2 |
2 |
3 |
0,5 |
20000 |
1 |
|
23 |
3 |
6,5 |
0 |
2 |
4000 |
1 |
|
24 |
4 |
4 |
0 |
2 |
3000 |
1 |
|
25 |
5 |
1 |
-1 |
7 |
200 |
1 |
|
26 |
1 |
4 |
-4 |
5 |
300 |
1 |
|
27 |
2 |
5 |
-5 |
2 |
1050 |
1 |
|
28 |
3 |
1 |
0 |
4 |
600 |
1 |
|
29 |
4 |
4 |
0 |
5 |
700 |
1 |
|
30 |
5 |
3 |
-2 |
5,5 |
800 |
1 |
|
31 |
1 |
6 |
60 |
7 |
800 |
1 |
|
32 |
2 |
10 |
55 |
8 |
700 |
1 |
|
33 |
3 |
15 |
50 |
2 |
4400 |
1 |
|
34 |
4 |
18 |
60 |
13 |
150 |
1 |
|
35 |
5 |
20 |
50 |
5 |
2000 |
1 |
|
36 |
1 |
21 |
55 |
6 |
1500 |
1 |
|
37 |
2 |
4 |
65 |
3 |
900 |
1 |
|
38 |
3 |
8 |
58 |
4 |
250 |
1 |
|
39 |
4 |
12 |
60 |
7,5 |
1000 |
1 |
Содержание отчета
1. Наименование и цель работы.
2. Исходные данные для расчета.
3. Расчет параметров заданного преобразователя «напряжение–ток».
4. Справочные данные использованных резисторов, конденсаторов и ОУ.
5. Схема смоделированного преобразователя «напряжение–ток» с указанным типом ОУ, номиналами конденсаторов, резисторов.
7. Графики временного анализа схемы преобразователя «напряжение–ток».
Контрольные вопросы
Контрольные задания
1. Построить в MathCAD и проанализировать зависимость тока нагрузки Iн схемы дифференциального ПНТ Хауленда от разности входных напряжений в диапазоне . Построить эту же зависимость в виде статической характеристики преобразователя в MicroCAP (DC-анализ). Объяснить результаты.
2. Построить в MathCAD и проанализировать зависимость тока нагрузки Iн схемы дифференциального ПНТ Хауленда с использованием повторителя напряжения от разности входных напряжений в диапазоне . Построить эту же зависимость в виде статической характеристики преобразователя в MicroCAP (DC-анализ). Объяснить результаты.
3. Построить в MathCAD и проанализировать зависимость тока нагрузки Iн схемы инвертирующего ПНТ на основе инвертирующих ОУ от входного напряжения в диапазоне . Построить эту же зависимость в виде статической характеристики преобразователя в MicroCAP (DC-анализ). Объяснить результаты.
4. Построить в MathCAD и проанализировать зависимость тока нагрузки Iн схемы неинвертирующего ПНТ на основе инвертирующих ОУ от входного напряжения в диапазоне . Построить эту же зависимость в виде статической характеристики преобразователя в MicroCAP (DC-анализ). Объяснить результаты.
5. Построить в MathCAD и проанализировать зависимость тока нагрузки Iн схемы дифференциального ПНТ на основе инвертирующих ОУ от разности входных напряжений в диапазоне . Построить эту же зависимость в виде статической характеристики преобразователя в MicroCAP (DC-анализ). Объяснить результаты.
6. Построить в MathCAD и проанализировать зависимость тока нагрузки Iн схемы дифференциального ПНТ с синфазным напряжением ОУ
на нагрузке от разности входных напряжений в диапазоне . Построить эту же зависимость в виде статической характеристики преобразователя в MicroCAP (DC-анализ). Объяснить результаты.
Список рекомендуемой литературы
1.Пайтон А. Дж., Волш В. Аналоговая электроника на ОУ. Практическое руководство. - Пер. с англ. - М.: БИНОМ, 1994 г.
2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники : В 3-х томах. Пер. с англ. М.: Мир, 1993 г.
3. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: 1988 г.
4. Фолькенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС . Пер. с англ. М.: Мир, 1985 г.
5. Design in reference manual. – Analog Devices, 1992 г.
7. Щербаков В.И., Грездов Г.И. Электронные схемы на операционных усилителях: Справочник. - К.:Технiка, 1983 г.
8. Резисторы : Справочник . Под ред. И.И. Четвертакова и В.М. Терехова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1991 г.
9. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА. Справочник. Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков и др. - Мн.: Беларусь, 1994 г.
10. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник. С.В. Якубовский, Л.И. Ниссельсон и др.; под ред. С.В. Якубовского. - М.: Радио и связь, 1989 г.
11. Крышнев Ю.В., Гуреева О.В. Схемотехническое моделирование / Методические указания к лабораторным занятиям по курсу «САПР устройств промышленной электроники» для студентов дневной и заочной формы обучения специальности 1-36 04 02 «Промышленная электроника». Часть 1. – Гомель: ГГТУ им. П.О. Сухого 2007 (м/ук № 3180).
12. Карпов В.А. Крышнев Ю.В. Практическое руководство к лабораторным работам «Проектирование преобразователей «напряжение–ток»» по дисциплине «САПР устройств промышленной электроники» для студентов специальности Т.07.02.01. Гомель: ГГТУ им. П.О. Сухого 1999 (м/ук № 2435).
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Нормированные коэффициенты B и С фильтров различных порядков Баттерворта, Чебышева, Бесселя, инверсного Чебышева, эллиптического Чебышева
n=2
Фильтр Баттерворта:
|
В |
С |
|
1.4142114 |
1.000000 |
Фильтр Чебышева:
|
1 |
В |
С |
|
0.1 дБ |
2.372356 |
3.314037 |
|
0.5 дБ |
1.425625 |
1.516203 |
|
1.0 дБ |
1.097734 |
1.102510 |
|
2.0 дБ |
0.803816 |
0.823060 |
|
3.0 дБ |
0.644900 |
0.707948 |
n=3
Фильтр Баттерворта:
|
В |
С |
|
1.000000 |
1.000000 |
|
– |
1.000000 |
Фильтр Чебышева:
|
1 |
В |
С |
|
0.1 дБ |
0.969406 |
1.689747 |
|
– |
0.969406 |
|
|
0.5 дБ |
0.626456 |
1.142448 |
|
– |
0.626456 |
|
|
1.0 дБ |
0.494171 |
0.994205 |
|
– |
0.494171 |
|
|
2.0 дБ |
0.368911 |
0.886095 |
|
– |
0.368911 |
|
|
3.0 дБ |
0.298620 |
0.839174 |
|
– |
0.298620 |
n=4
Фильтр Баттерворта:
|
В |
С |
|
0.765367 |
1.000000 |
|
1.847759 |
1.000000 |
Фильтр Чебышева:
|
1 |
В |
С |
|
0.1 дБ |
0.528313 |
1.330031 |
|
1.275460 |
0.622925 |
|
|
0.5 дБ |
0.350706 |
1.063519 |
|
0.846680 |
0.356412 |
|
|
1.0 дБ |
0.279072 |
0.986505 |
|
0.673739 |
0.279398 |
|
|
2.0 дБ |
0.209775 |
0.928675 |
|
0.506440 |
0.221568 |
|
|
3.0 дБ |
0.170341 |
0.903087 |
|
0.411239 |
0.195980 |
n=5
Фильтр Баттерворта:
|
В |
С |
|
0.618034 |
1.000000 |
|
1.618034 |
1.000000 |
|
– |
1.000000 |
Фильтр Чебышева:
|
1 |
В |
С |
|
0.1 дБ |
0.333067 |
1.194937 |
|
0.871982 |
0.635920 |
|
|
– |
0.538914 |
|
|
0.5 дБ |
0.223926 |
1.035784 |
|
0.586245 |
0.476767 |
|
|
– |
0.362320 |
|
|
1.0 дБ |
0.178917 |
0.988315 |
|
0.468410 |
0.429298 |
|
|
– |
0.289493 |
|
|
2.0 дБ |
0.134922 |
0.952167 |
|
0.353230 |
0.393150 |
|
|
– |
0.218308 |
|
|
3.0 дБ |
0.109720 |
0.936025 |
|
0.287250 |
0.377009 |
|
|
– |
0.177530 |
n=6
Фильтр Баттерворта:
|
В |
С |
|
0.517638 |
1.000000 |
|
1.414214 |
1.000000 |
|
1.931852 |
1.000000 |
Фильтр Чебышева:
|
1 |
В |
С |
|
0.1 дБ |
0.229387 |
1.129387 |
|
0.626696 |
0.696374 |
|
|
0.856083 |
0.263361 |
|
|
0.5 дБ |
0.155300 |
1.023023 |
|
0.424288 |
0.590010 |
|
|
0.579588 |
0.156997 |
|
|
1.0 дБ |
0.124362 |
0.990732 |
|
0.339763 |
0.557720 |
|
|
0.464125 |
0.124707 |
|
|
2.0 дБ |
0.093946 |
0.965952 |
|
0.256666 |
0.532939 |
|
|
0.350613 |
0.099926 |
|
|
3.0 дБ |
0.076459 |
0.954830 |
|
0.208890 |
0.521818 |
|
|
0.285349 |
0.088805 |
n=7
Фильтр Баттерворта:
|
В |
С |
|
0.445042 |
1.000000 |
|
1.246980 |
1.000000 |
|
1.801938 |
1.000000 |
|
– |
1.000000 |
Фильтр Чебышева:
|
1 |
В |
С |
|
0.1 дБ |
0.167682 |
1.092446 |
|
0.469834 |
0.753222 |
|
|
0.678930 |
0.330217 |
|
|
– |
0.376778 |
|
|
0.5 дБ |
0.114006 |
1.016108 |
|
0.319439 |
0.676884 |
|
|
0.461602 |
0.253878 |
|
|
– |
0.256170 |
|
|
1.0 дБ |
0.091418 |
0.992679 |
|
0.256147 |
0.653456 |
|
|
0.370144 |
0.230450 |
|
|
– |
0.205414 |
|
|
2.0 дБ |
0.069133 |
0.974615 |
|
0.193706 |
0.635391 |
|
|
0.279913 |
0.212386 |
|
|
– |
0.155340 |
|
|
3.0 дБ |
0.056291 |
0.966483 |
|
0.157725 |
0.627259 |
|
|
0.227919 |
0.204254 |
|
|
– |
0.126485 |
n=8
Фильтр Баттерворта:
|
В |
С |
|
0.390181 |
1.000000 |
|
1.111140 |
1.000000 |
|
1.662939 |
1.000000 |
|
1.961571 |
1.000000 |
Фильтр Чебышева:
|
1 |
В |
С |
|
0.1 дБ |
0.127960 |
1.069492 |
|
0.364400 |
0.798894 |
|
|
0.545363 |
0.416210 |
|
|
0.643300 |
0.145612 |
|
|
0.5 дБ |
0.087240 |
1.011932 |
|
0.248439 |
0.741334 |
|
|
0.371815 |
0.358650 |
|
|
0.438586 |
0.088052 |
|
|
1.0 дБ |
0.070016 |
0.994141 |
|
0.199390 |
0.723543 |
|
|
0.298408 |
0.340859 |
|
|
0.351997 |
0.070261 |
|
|
2.0 дБ |
0.052985 |
0.980380 |
|
0.150888 |
0.709782 |
|
|
0.225820 |
0.327099 |
|
|
0.266372 |
0.056501 |
|
|
3.0 дБ |
0.043156 |
0.974173 |
|
0.122899 |
0.703575 |
|
|
0.183931 |
0.320892 |
|
|
0.216961 |
0.050294 |
n=9
Фильтр Баттерворта:
|
В |
С |
|
0.347296 |
1.000000 |
|
1.000000 |
1.000000 |
|
1.532089 |
1.000000 |
|
1.879385 |
1.000000 |
|
– |
1.000000 |
Фильтр Чебышева:
|
1 |
В |
С |
|
0.1 дБ |
0.100876 |
1.054214 |
|
0.290461 |
0.834368 |
|
|
0.445012 |
0.497544 |
|
|
0.545888 |
0.201345 |
|
|
– |
0.290461 |
|
|
0.5 дБ |
0.068905 |
1.009211 |
|
0.198405 |
0.789365 |
|
|
0.303975 |
0.452541 |
|
|
0.372880 |
0.156342 |
|
|
– |
0.198405 |
|
|
1.0 дБ |
0.055335 |
0.995233 |
|
0.159330 |
0.775386 |
|
|
0.244108 |
0.438562 |
|
|
0.299443 |
0.142364 |
|
|
– |
0.159330 |
|
|
2.0 дБ |
0.041894 |
0.984398 |
|
0.120630 |
0.764552 |
|
|
0.184816 |
0.427727 |
|
|
0.226710 |
0.131529 |
|
|
– |
0.120630 |
|
|
3.0 дБ |
0.034130 |
0.979504 |
|
0.098275 |
0.759658 |
|
|
0.150565 |
0.422834 |
|
|
0.184696 |
0.126636 |
|
|
– |
0.098275 |
n=10
Фильтр Баттерворта:
|
В |
С |
|
0.312869 |
1.000000 |
|
0.907981 |
1.000000 |
|
1.414214 |
1.000000 |
|
1.782013 |
1.000000 |
|
1.975377 |
1.000000 |
Фильтр Чебышева:
|
1 |
В |
С |
|
0.1 дБ |
0.081577 |
1.043513 |
|
0.236747 |
0.861878 |
|
|
0.368742 |
0.567985 |
|
|
0.464642 |
0.274093 |
|
|
0.515059 |
0.092457 |
|
|
0.5 дБ |
0.055799 |
1.007335 |
|
0.161934 |
0.825700 |
|
|
0.252219 |
0.531807 |
|
|
0.317814 |
0.237915 |
|
|
0.352300 |
0.056279 |
|
|
1.0 дБ |
0.044829 |
0.996058 |
|
0.130099 |
0.814423 |
|
|
0.202633 |
0.520530 |
|
|
0.255333 |
0.226637 |
|
|
0.283039 |
0.045002 |
|
|
2.0 дБ |
0.033952 |
0.987304 |
|
0.098531 |
0.805669 |
|
|
0.153466 |
0.511776 |
|
|
0.193379 |
0.217883 |
|
|
0.214362 |
0.036248 |
|
|
3.0 дБ |
0.027664 |
0.983346 |
|
0.080284 |
0.801711 |
|
|
0.125045 |
0.507818 |
|
|
0.157566 |
0.213926 |
|
|
0.174663 |
0.032290 |
Нормированные коэффициенты B и С фильтров Бесселя порядков от 2 до 6
n=2
|
В |
С |
|
3.0000000 |
3.000000 |
n=3
|
В |
С |
|
– |
2.322185 |
|
3.677815 |
6.459433 |
n=4
|
В |
С |
|
5.792421 |
9.140131 |
|
4.207579 |
11.487800 |
n=5
|
В |
С |
|
– |
3.646739 |
|
6.703913 |
14.272481 |
|
4.649349 |
18.156315 |
n=6
|
В |
С |
|
5.031864 |
26.514025 |
|
8.496719 |
18.801131 |
|
7.471417 |
20.852823 |
Нормированные коэффициенты A, B и С инверсных фильтров
Чебышева порядков от 2 до 3
n=2
|
2 |
A |
B |
C |
|
30 дБ |
32.606961 |
1.413164 |
1.031123 |
|
35 дБ |
57.225240 |
1.413880 |
1.017625 |
|
40 дБ |
100.99500 |
1.414108 |
1.009950 |
|
45 дБ |
178.825129 |
1.414180 |
1.005608 |
|
50 дБ |
317.226185 |
1.414203 |
1.003157 |
|
55 дБ |
563.340436 |
1.414110 |
1.001777 |
|
60 дБ |
1000.999500 |
1.414213 |
1.000999 |
|
65 дБ |
1779.279129 |
1.414213 |
1.000562 |
|
70 дБ |
3163.277502 |
1.414213 |
1.000316 |
|
75 дБ |
5624.413163 |
1.44214 |
1.000178 |
n=3
|
2 |
A |
B |
C |
|
30 дБ |
5.976366 |
0.933370 |
1.058740 |
|
- |
- |
1.34320 |
|
|
35 дБ |
8.446367 |
0.955345 |
1.040981 |
|
- |
- |
1.089639 |
|
|
40 дБ |
12.075684 |
0.969938 |
1.028354 |
|
- |
- |
1.060226 |
|
|
45 дБ |
17.405719 |
0.979693 |
1.019514 |
|
- |
- |
1.040647 |
|
|
50 дБ |
25.231278 |
0.986247 |
1.013385 |
|
- |
- |
1.027516 |
|
Нормированные коэффициенты A,B и С эллиптических фильтров Чебышева
порядков от 2 до 3
n=2
|
1 |
2 |
Tω |
A |
B |
C |
|
0.1 дБ |
30 дБ |
6.2301 |
104.047635 |
2.333416 |
3.328375 |
|
35 дБ |
8.6229 |
104.699634 |
2.350703 |
3.322508 |
|
|
0.5 дБ |
30 дБ |
3.8087 |
45.741812 |
1.401021 |
1.532193 |
|
35 дБ |
5.3829 |
80.980111 |
1411967 |
1.525381 |
|
|
40 дБ |
7.4892 |
143.631601 |
1.418001 |
1.521423 |
|
|
1 дБ |
30 дБ |
3.0041 |
31.557423 |
1.077590 |
1.119700 |
|
35 дБ |
4.3034 |
55.747673 |
1.086571 |
1.112312 |
|
|
40 дБ |
6.0448 |
98.756423 |
1.091509 |
1.108065 |
|
|
45 дБ |
8.3738 |
175.233349 |
1.094250 |
1.105648 |
|
|
2 дБ |
30 дБ |
2.2921 |
21.164003 |
0.787152 |
0.842554 |
|
35 дБ |
3.3434 |
37.258945 |
0.794608 |
0.834124 |
|
|
40 дБ |
4.7610 |
65.874745 |
0.798690 |
0.829314 |
|
|
45 дБ |
6.6570 |
116.758537 |
0.800950 |
0.826587 |
|
|
3 дБ |
30 дБ |
1.9032 |
16.341050 |
0.629795 |
0.729928 |
|
35 дБ |
2.8202 |
28.679452 |
0.636577 |
0.720395 |
|
|
40 дБ |
4.0558 |
50.616359 |
0.640274 |
0.714975 |
|
|
45 дБ |
5.7129 |
89.623936 |
0.642316 |
0.711908 |
|
|
50 дБ |
7.9300 |
158.988974 |
0.643452 |
0.710178 |
|
|
50 дБ |
9.1918 |
207.242398 |
0.802210 |
0.825047 |
n=3
|
1 |
2 |
Tω |
A |
B |
C |
|
0.1 дБ |
30 дБ |
1.4550 |
7.860670 |
0.836642 |
1.653085 |
|
- |
- |
1.059440 |
|||
|
35 дБ |
1.9331 |
11.298302 |
0.877898 |
1.665398 |
|
|
- |
- |
1.029675 |
|||
|
40 дБ |
2.5195 |
16.345329 |
0.906579 |
1.673456 |
|
|
- |
- |
1.009982 |
|||
|
45 дБ |
3.2359 |
23.754505 |
0.926380 |
1.678789 |
|
|
- |
- |
0.996828 |
|||
|
50 дБ |
4.1088 |
34.630611 |
0.939991 |
1.682347 |
|
|
- |
- |
0.987987 |
|||
|
55 дБ |
5.1703 |
50.595240 |
0.949318 |
1.684737 |
|
|
- |
- |
0.982018 |
|||
|
60 дБ |
6.4597 |
74.028611 |
0.955699 |
1.686348 |
|
|
- |
- |
0.977977 |
|||
|
65 дБ |
8.0246 |
108.424449 |
0.960057 |
1.687438 |
|
|
- |
- |
0.975235 |
|||
|
70 дБ |
9.9228 |
158.910882 |
0.963032 |
1.688177 |
|
|
- |
- |
0.973373 |
|||
|
0.5 дБ |
30 дБ |
0.9232 |
4.750210 |
0.529742 |
1.148782 |
|
- |
- |
0.698719 |
|||
|
35 дБ |
1.2753 |
6.725772 |
0.559750 |
1.147476 |
|
|
- |
- |
0.674892 |
|||
|
40 дБ |
1.7115 |
9.629215 |
0.580638 |
1.146209 |
|
|
- |
- |
0.659093 |
|||
|
45 дБ |
2.2479 |
13.893593 |
0.595071 |
1.145168 |
|
|
- |
- |
0.648525 |
|||
|
50 дБ |
2.9043 |
20.154769 |
0.604996 |
1.144374 |
|
|
- |
- |
0.641415 |
|||
|
55 дБ |
3.7049 |
29.346268 |
0.611800 |
1.143794 |
|
|
- |
- |
0.636612 |
|||
|
60 дБ |
4.6793 |
42.838480 |
0.616455 |
1.143381 |
|
|
- |
- |
0.633359 |
|||
|
65 дБ |
5.8635 |
62.642986 |
0.619635 |
1.143091 |
|
|
- |
- |
0.631152 |
|||
|
70 дБ |
7.3012 |
91.712469 |
0.621805 |
1.142889 |
|
|
- |
- |
0.629652 |
|||
|
75 дБ |
9.0454 |
134.380940 |
0.623286 |
1.142750 |
|
|
- |
- |
0.628632 |
|||
|
1 дБ |
30 дБ |
0.7325 |
3.816515 |
0.410567 |
1.016206 |
|
- |
- |
0.559558 |
|||
|
35 дБ |
1.0366 |
5.351003 |
0.436466 |
1.009995 |
|
|
- |
- |
0.538016 |
|||
|
40 дБ |
1.4162 |
7.608458 |
0.454520 |
1.005338 |
|
|
- |
- |
0.523721 |
|||
|
45 дБ |
1.8851 |
10.925595 |
0.467003 |
1.001965 |
|
|
- |
- |
0.514155 |
|||
|
50 дБ |
2.4606 |
15.797040 |
0.475592 |
0.999573 |
|
|
- |
- |
0.507718 |
|||
|
55 дБ |
3.1640 |
22.949113 |
0.481481 |
0.997900 |
|
|
- |
- |
0.503369 |
|||
|
60 дБ |
4.0212 |
33.448141 |
0.485510 |
0.996740 |
|
|
- |
- |
0.500423 |
|||
|
65 дБ |
5.0639 |
48.859447 |
0.488263 |
0.995940 |
|
|
- |
- |
0.498423 |
|||
|
70 дБ |
6.3305 |
71.480724 |
0.490143 |
0.995391 |
|
|
- |
- |
0.497065 |
|||
|
75 дБ |
7.8679 |
104.684611 |
0.491425 |
0.995014 |
|
|
- |
- |
0.496141 |
|||
|
80 дБ |
9.7327 |
153.421520 |
0.492299 |
0.994757 |
|
|
- |
- |
0.495512 |
|||
|
2 дБ |
30 дБ |
0.5568 |
3.040224 |
0.297467 |
0.924369 |
|
- |
- |
0.427424 |
|||
|
35 дБ |
0.8144 |
4.205740 |
0.319529 |
0.913153 |
|
|
- |
- |
0.408146 |
|||
|
40 дБ |
1.1392 |
5.923501 |
0.334950 |
0.904987 |
|
|
- |
- |
0.395352 |
|||
|
45 дБ |
1.5433 |
8.449743 |
0.345631 |
0.899178 |
|
|
- |
- |
0.386791 |
|||
|
50 дБ |
2.0414 |
12.161171 |
0.352985 |
0.895107 |
|
|
- |
- |
0.381030 |
|||
|
55 дБ |
2.6519 |
17.611155 |
0.358031 |
0.892281 |
|
|
- |
- |
0.377139 |
|||
|
60 дБ |
3.3973 |
25.612252 |
0.361485 |
0.890331 |
|
|
- |
- |
0.374503 |
|||
|
65 дБ |
4.3051 |
37.357363 |
0.363845 |
0.888991 |
|
|
- |
- |
0.372715 |
|||
|
70 дБ |
5.4089 |
54.597585 |
0.365457 |
0.888072 |
|
|
- |
- |
0.371499 |
|||
|
75 дБ |
6.7494 |
79.903287 |
0.366556 |
0.887444 |
|
|
- |
- |
0.370673 |
|||
|
80 дБ |
8.3761 |
117.047331 |
0.367306 |
0.887015 |
|
|
- |
- |
0.370111 |
|||
|
3 дБ |
30 дБ |
0.4581 |
2.638395 |
0.234092 |
0.888381 |
|
- |
- |
0.352928 |
|||
|
35 дБ |
0.6878 |
3.611302 |
0.253951 |
0.873882 |
|
|
- |
- |
0.335021 |
|||
|
40 дБ |
0.9802 |
5.047821 |
0.267872 |
0.863370 |
|
|
- |
- |
0.323142 |
|||
|
45 дБ |
1.3460 |
7.162265 |
0.277531 |
0.855913 |
|
|
- |
- |
0.315198 |
|||
|
50 дБ |
1.7986 |
10.269942 |
0.284188 |
0.850696 |
|
|
- |
- |
0.309854 |
|||
|
55 дБ |
2.3547 |
14.834210 |
0.288759 |
0.847078 |
|
|
- |
- |
0.306246 |
|||
|
60 дБ |
3.0347 |
21.535572 |
0.291888 |
0.844584 |
|
|
- |
- |
0.303803 |
|||
|
65 дБ |
3.8638 |
31.373152 |
0.294028 |
0.842872 |
|
|
- |
- |
0.302145 |
|||
|
70 дБ |
4.8725 |
45.813648 |
0.295488 |
0.841699 |
|
|
- |
- |
0.301019 |
|||
|
75 дБ |
6.0981 |
67.010016 |
0.296485 |
0.840897 |
|
|
- |
- |
0.300253 |
|||
|
80 дБ |
7.5859 |
98.122451 |
0.297165 |
0.840349 |
|
|
- |
- |
0.299732 |
|||
|
85 дБ |
9.3907 |
143.789547 |
0.297629 |
0.839975 |
|
|
- |
- |
0.299377 |
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
Модели ОУ, резистора и конденсатора в MicroСap7
Модель резистора в MicroCap7
В MicroCap7 резистор включен в раздел пассивных компонентов:
Component → Analog Primitives → Passive Components → Resistor
Описание резистора в формате схем (задается в диалоговом окне вставки компонента):
PART – имя (пример: R1)
VALUE – значение (пример: 21K или 21е3)
MODEL – имя модели (пример: C5-53F-)
Формат текстового описания модели резистора (задается в текстовом окне Text):
.MODEL <имя модели> RES (R=<SCALE> [DEV=разброс%] [LOT=разброс%] [TC1=x] [TC2=x] [TCE=x])
Здесь в квадратных скобках указаны необязательные параметры.
SCALE – масштабный множитель сопротивления;
DEV – независимый случайный разброс номинала;
LOT – коррелированный случайный разброс номинала;
TC1 – линейный ТКС [оС-1];
TC2 – квадратичный ТКС [оС-2];
TCE – экспоненциальный ТКС ;
Пример:
.MODEL C5-53F- RES (R=1 LOT=0.05% TC1=-10E-6)–
резистор с номиналом, заданным при вставке в поле «VALUE», с масштабным множителем сопротивления, равным 1, с разбросом номинала, равным 0.05%, с линейным температурным коэффициентом, равным –10*10-6 1/оС.
Модель конденсатора в MicroCap7
В MicroCap7 конденсатор включен в раздел пассивных компонентов:
Component → Analog Primitives → Passive Components → Capacitor
Описание конденсатора в формате схем (задается в диалоговом окне вставки компонента):
PART – имя (пример: С2)
VALUE – значение (пример: 10n или 10е-9)
MODEL – имя модели (пример: K71-4)
Формат текстового описания модели конденсатора (задается в текстовом окне Text):
.MODEL <имя модели> CAP (C=<SCALE> [DEV=разброс%] [LOT=разброс%] [TC1=x] [TC2=x] [VC1=x] [VC1=x])
SCALE – масштабный множитель емкости;
DEV – независимый случайный разброс номинала;
LOT – коррелированный случайный разброс номинала;
TC1 – линейный ТКЕ [оС-1];
TC2 – квадратичный ТКЕ [оС-2];
(моделируют изменение емкости при отклонении температуры от номинальной).
VC1 – линейный коэффициент напряжения [В-1];
VC2 – квадратичный коэффициент напряжения [В-2];
(моделируют изменение емкости при отклонении напряжения от номинального).
Примеры:
.MODEL K71-4 CAP (C=1 LOT=5% TC1=100E-6)–
конденсатор с номиналом, заданным при вставке в поле «VALUE», с масштабным множителем емкости, равным 1, с разбросом номинала, равным 5%, с линейным температурным коэффициентом, равным 100*10-6 1/оС.
Операционный усилитель в MicroCap7 включен в раздел активных компонентов:
Component → Analog Primitives → Active Components → Opamp
Описание ОУ в формате схем (задается в диалоговом окне вставки компонента):
LEVEL – тип модели (1…3, соответствует количеству каскадов усилителя);
TYPE – тип входных транзисторов (1 – NPN, 2 – PNP, 3 – NJFET);
С – емкость коррекции;
A – коэффициент усиления на постоянном токе;
ROUTAC – выходное сопротивление переменному току;
ROUTDC – выходное сопротивление постоянному току;
VOFF – напряжение смещения нуля;
IOFF – разность входных токов;
SRP – максимальная скорость нарастания выходного напряжения;
SRN – максимальная скорость спада выходного напряжения;
IBIAS – входной ток смещения;
VEE – напряжение отрицательного питания;
VCC – напряжение положительного питания;
VPS – максимальное выходное положительное напряжение;
VNS – максимальное выходное отрицательное напряжение;
CMRR – коэффициент подавления синфазного сигнала (в абсолютных единицах);
GBW – площадь усиления (произведение коэффициента A на частоту единичного усиления);
PM – запас по фазе на частоте единичного усиления, град;
PD – потребляемая мощность;
IOSC – выходной ток короткого замыкания;
T_REL_GLOBAL – относительная температура.
ПРИЛОЖЕНИЕ В
Стандартные ряды пассивных компонентов (существующие номиналы в пределах диапазона, указанного для конкретного типа компонентов в справочниках, определяются путем умножения либо деления на 10 в целой степени)
|
E3 |
E6 |
E12 |
E24 |
E3 |
E6 |
E12 |
E24 |
|
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
|
|
3,9 |
3,9 |
|
1,1 |
4,3 |
||||||
|
1,2 |
1,2 |
4,7 |
4,7 |
4,7 |
4,7 |
||
|
1,5 |
1,5 |
1,5 |
5,1 |
||||
|
1,6 |
5,6 |
5,6 |
|||||
|
1,8 |
1,8 |
6,8 |
6,8 |
6,8 |
|||
|
2,0 |
7,5 |
||||||
|
2,2 |
2,2 |
2,2 |
2,2 |
8,2 |
8,2 |
||
|
2,4 |
9,1 |
||||||
|
2,7 |
2,7 |
||||||
|
3,3 |
3,3 |
3,3 |
|||||
|
3,6 |
|
E48 |
E96 |
E192 |
E48 |
E96 |
E192 |
E48 |
E96 |
E192 |
E48 |
E96 |
E192 |
|
100 |
100 |
100 |
178 |
178 |
178 |
316 |
316 |
316 |
562 |
562 |
562 |
|
101 |
180 |
320 |
569 |
||||||||
|
102 |
102 |
182 |
182 |
324 |
324 |
576 |
576 |
||||
|
104 |
184 |
328 |
583 |
||||||||
|
105 |
105 |
105 |
187 |
187 |
187 |
332 |
332 |
332 |
590 |
590 |
590 |
|
106 |
189 |
336 |
597 |
||||||||
|
107 |
107 |
191 |
191 |
340 |
340 |
604 |
604 |
||||
|
109 |
193 |
344 |
612 |
||||||||
|
110 |
110 |
110 |
196 |
196 |
196 |
348 |
348 |
348 |
619 |
619 |
619 |
|
111 |
198 |
352 |
626 |
||||||||
|
113 |
113 |
200 |
200 |
357 |
357 |
634 |
634 |
||||
|
114 |
203 |
361 |
642 |
||||||||
|
115 |
115 |
115 |
205 |
205 |
205 |
365 |
365 |
365 |
649 |
649 |
649 |
|
117 |
208 |
370 |
657 |
||||||||
|
118 |
118 |
210 |
210 |
374 |
374 |
665 |
665 |
||||
|
120 |
213 |
379 |
673 |
||||||||
|
121 |
121 |
121 |
215 |
215 |
215 |
383 |
383 |
383 |
681 |
681 |
681 |
|
123 |
218 |
388 |
690 |
||||||||
|
124 |
124 |
211 |
211 |
392 |
392 |
698 |
698 |
||||
|
126 |
223 |
397 |
706 |
||||||||
|
127 |
127 |
127 |
226 |
226 |
226 |
402 |
402 |
402 |
715 |
715 |
715 |
|
129 |
229 |
407 |
723 |
||||||||
|
130 |
130 |
232 |
232 |
412 |
412 |
732 |
732 |
||||
|
132 |
234 |
417 |
741 |
||||||||
|
133 |
133 |
133 |
237 |
237 |
237 |
422 |
422 |
422 |
750 |
750 |
750 |
|
135 |
240 |
427 |
759 |
||||||||
|
137 |
137 |
243 |
243 |
432 |
432 |
768 |
768 |
||||
|
138 |
246 |
437 |
777 |
||||||||
|
140 |
140 |
140 |
249 |
249 |
249 |
442 |
442 |
442 |
787 |
787 |
787 |
|
142 |
252 |
448 |
796 |
||||||||
|
143 |
143 |
255 |
255 |
453 |
453 |
806 |
806 |
||||
|
145 |
258 |
459 |
816 |
||||||||
|
147 |
147 |
147 |
261 |
261 |
261 |
464 |
464 |
464 |
825 |
825 |
825 |
|
149 |
264 |
470 |
835 |
||||||||
|
150 |
150 |
267 |
267 |
475 |
475 |
845 |
845 |
||||
|
152 |
271 |
481 |
856 |
||||||||
|
154 |
154 |
154 |
274 |
274 |
274 |
487 |
487 |
487 |
866 |
866 |
866 |
|
156 |
277 |
493 |
876 |
||||||||
|
158 |
158 |
280 |
280 |
499 |
499 |
887 |
887 |
||||
|
160 |
284 |
506 |
898 |
||||||||
|
162 |
162 |
162 |
287 |
287 |
287 |
511 |
511 |
511 |
909 |
909 |
909 |
|
164 |
291 |
517 |
920 |
||||||||
|
165 |
165 |
294 |
294 |
523 |
523 |
931 |
931 |
||||
|
167 |
298 |
530 |
942 |
||||||||
|
169 |
169 |
169 |
301 |
301 |
301 |
536 |
536 |
536 |
953 |
953 |
953 |
|
172 |
305 |
542 |
965 |
||||||||
|
174 |
174 |
309 |
309 |
549 |
549 |
976 |
976 |
||||
|
176 |
312 |
556 |
988 |