Фильтр нижних частот

Фильтр нижних частот

Задание на курсовой проект «Фильтр нижних частот»

фильтр печатный схемотехнический

Исходные данные: Граничная частота полосы пропускания f_п = 3000 Гц;

Граничная частота полосы задерживания f_з = 8000 Гц;

Модуль коэффициента передачи в полосе пропускания Н₀ = 3 дБ;

Неравномерность модуля коэффициента передачи в полосе пропускания ΔН = 0,5 дБ;

Модуль коэффициента передачи в полосе задерживания Н_з = минус 60 дБ;

Элементная база - интегральные ОУ, дискретные ЭРЭ;

Конструктивное исполнение - узел с печатным монтажом.

Разработать:

) Схему электрическую принципиальную;

2) Перечень элементов;

) Чертёж печатной платы;

) Сборочный чертёж.

Пояснительная записка содержит страниц, рисунков, таблиц и приложения.

В данном проекте рассматривается задача проектирования фильтра нижних частот. В ходе выполнения курсового проекта выполнены этапы функционального, схемотехнического и конструкторского проектирования.

1. Функциональное проектирование

Методика функционального проектирования аналоговых устройств во многом определяется их принадлежностью к определенному классу устройств. Одним из распространенных методов синтеза активных RC-фильтров является каскадная реализация, которая предусматривает: разложение передаточной функции фильтра на сомножители второго и первого порядка и реализацию полученного разложения каскадным соединением звеньев второго и первого порядка, взаимодействие между которыми пренебрежимо мало.

Сначала необходимо решить задачу аппроксимации заданной АЧХ фильтра. В ходе решения этой задачи определяют передаточную функцию фильтра в области комплексной частоты p в виде произведения сомножителей

где n - порядок фильтра;

- частота пары комплексно-сопряженных полюсов;

- добротность пары комплексно-сопряженных полюсов.

Исходные данные для решения задачи аппроксимации представляются в виде графика допусков (рисунок 1), но поля допусков неравномерности АЧХ в полосе пропускания и задерживания следует задавать меньше чем в ТЗ для обеспечения запасов работоспособности. Запасы работоспособности необходимы для обеспечения работоспособности фильтра при отклонениях параметров элементов от их номинальных значений из-за технологического разброса, изменения условий эксплуатации и старения.

Рисунок 1 - График допуска для ФНЧ

Для решения задачи аппроксимации АЧХ фильтров можно использовать программу APPR. Программа запрашивает у пользователя исходные данные (требования к АЧХ, вид аппроксимации), определяет порядок фильтра и рассчитывает параметры передаточной функции с точностью до постоянного множителя.

При решении задачи аппроксимации были выбраны значения неравномерности АЧХ в полосе пропускания =0,2дБ. Этим обеспечиваются запасы работоспособности в полосе пропускания (0,5 - 0,2)/2 =0,15дБ.

Заданный фильтр аппроксимируется полиномом Чебышева шестого порядка. Программа APPR рассчитала следующие параметры передаточной функции, которые приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Параметры передаточной функции

Следующими проектными процедурами являются процедуры структурного и параметрического синтеза.

Формирование структурной схемы выполняем в среде схемного графического редактора OrCAD Capture. В качестве элементов структурной схемы используем элементы LAPLACE из библиотеки ABM.olb. Структурная схема фильтра представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Структурная схема ФНЧ

Результаты расчета АЧХ фильтра шестого порядка для интересующих диапазонов частот, выполненные с помощью программы PSpice, приведены на рисунках 3 и 4. Из полученных характеристик следует, что результирующая АЧХ имеет неравномерность в полосе пропускания (0-3000 Гц) 0,2 дБ. Т.к. требования ТЗ выполняются, запасы работоспособности обеспечиваются, данный вариант структурной схемы можно рассматривать как результат этапа функционального проектирования и использовать его как часть исходных данных при схемотехническом проектировании.

Рисунок 3 - Амплитудно-частотная характеристика фильтра

Рисунок 4 - АЧХ фильтра в полосе пропускания

2. Схемотехническое проектирование

Исходными данными для этапа схемотехнического проектирования являются требования технического задания и результаты функционального проектирования, представленные в виде структурной схемы и требований к функциям и параметрам их элементов. В современных подсистемах автоматизации схемотехнического проектирования используются подходы, основанные на переборе законченных структур и выделении варианта из обобщенной структуры.

В качестве обобщенной структуры можно рассматривать банк типовых схемных решений (БСР). Элементами БСР учебной САПР являются схемные решения звеньев активных RC-фильтров. Поэтому можно выполнить композицию функциональной электрической схемы аналогового устройства из найденных в БСР функциональных подсхем, соединяя их входы и выходы в соответствии со структурной схемой.

В ходе выполнения работы был использован БСР для фильтров нижних частот, который реализован в виде иерархически структурированного набора данных, выполненного в среде схемного графического редактора OrCAD Capture. Схема верхнего уровня Filters.dsn служит классификационной схемой фильтров нижних частот. Ее элементы указывают на готовые схемные решения для активных RC-фильтров первого и второго порядка.

Для рассматриваемого фильтра в БСР были выбраны 2 схемы звеньев ФНЧ второго порядка низкой добротности (Q<2) hp2lq1.sch и 1 средней добротности (2<Q<20) hp2mq1.sch.

Для найденных подсхем необходимо решить задачу расчета параметров элементов для обеспечения требуемых значений выходных параметров. Могут использоваться аналитический или численный подходы. В данной работе можно ограничиться аналитическими расчетами по инженерным методикам, основанным на простых аналитических моделях. Для расчета параметров схемы применим программу NE.exe.

Результаты расчета звеньев приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Параметры элементов, рассчитанные в программе NE.exe

Сформированная функциональная схема фильтра нижних частот приведена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Функциональная схема фильтра нижних частот с идеальными ОУ

На рисунке 6 представлен график АЧХ в полосе пропускания при использовании ОУ типа uA741 (V(Out)) в сравнении с идеальным ОУ (V(Out3_1)).

Рисунок 6 - АЧХ в полосе пропускания при использовании ОУ типа uA741 в сравнении с идеальным ОУ

Он показывает, что в полосе пропускания схемы с реальным ОУ имеются существенные отклонения от АЧХ схемы с идеальным ОУ, которые приводят к нарушению условий работоспособности. Было принято решение о выполнении задачи параметрической оптимизации для звена средней добротности. Оптимизация выполнялась при помощи модуля PSpice Optimizer программного пакета OrCAD. Для оптимизации использовались целевые функции, позволяющие рассчитать:

·        максимум коэффициента передачи MAX(VdB(Out));

·        центральную частоту f₀ (CenterFreq(VdB(Out),1));

·        полосу пропускания Df (Bandwidth(VdB(Out),3)).

Частные критерии формы АЧХ звена ФНЧ средней добротности с идеальным и реальным ОУ представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Значения частных критериев формы АЧХ

Затем было составлено задание на оптимизацию. В качестве варьируемых параметров были выбраны элементы R1, R2, R3, R4, R5, С1, С2, так как частотные характеристики были наиболее чувствительны к изменениям этих параметров. Оптимизированная АЧХ (V(Out)) в сравнении с АЧХ идеального ОУ (V(Out3_1)) приведена на рисунке 7, оптимизированные параметры представлены в таблице 4.

Рисунок 7 - АЧХ в полосе пропускания при использовании ОУ типа uA741 в сравнении с идеальным ОУ

Таблица 4 - Оптимизированные параметры элементов

Далее производится расчет допусков элементов схемы, для этого используется метод равных влияний, реализованный в программе PANOP. Были выбраны семь значений частот экстремумов АЧХ в полосе пропускания и граничная частота полосы задерживания.

Учитывая симметричный характер разброса параметров элементов, были выбраны значения H_{min i} = 2,894 дБ и H_{max i} = 3,199 дБ.

Расчет выполнялся для вероятности выполнения условий работоспособности - 100 %. Результаты расчета приведены в таблице 5.

По этим значениям были определены номинальные значения параметров элементов схемы из рядов Е192, Е48 и Е96, их допусков, обеспечивающие выполнение условий работоспособности фильтра, а также типы резисторов и конденсаторов. Оценка их выполнения производилась путем анализа разброса АЧХ для найденных допусков. Результаты анализа приведены на рисунках 8 и 9.

Оценивая полученное проектное решение в виде функциональной схемы и найденных значений параметров и типов ее элементов, можно сделать вывод, что оно удовлетворяет всем требованиям технического задания.

Таблица 5 - Расчетные значения параметров элементов и допусков

Рисунок 8 - Разброс частотных характеристик по методу Монте-Карло

Рисунок 9 - Диаграмма разброса АЧХ для найденных допусков

3. Конструкторское проектирование

Исходной информацией для конструкторского проектирования является функциональная электрическая схема. В ходе решения задачи компоновки выполняется распределение элементов схемы по типовым конструктивам. В курсовом проекте таковым является печатный узел и компоненты (элементы-конструктивы): дискретные ЭРЭ и корпуса ИС.

В ходе доработки схемы до уровня принципиальной в нее были включены конденсаторы C7, С8 типа К50-35 и С9, C10 типа КМ6 для фильтрации помех по цепям питания, разъемный соединитель X1 типа MPH-8, а также электрические цепи, связывающие их с остальными элементами схемы. Результат компоновки отражен на сборочном чертеже.

При решении задачи размещения в среде программы OrCAD Layout первоначально были размещены: разъемный соединитель X1, в непосредственной близости от него конденсаторы С7, С9 и в местах, где предполагалось провести цепи питания и «земли» С8, С10 затем были размещены все остальные элементы. Так как конструктив содержит в основном дискретные разно габаритные компоненты и только три корпуса ИС, то размещение было выполнено в интерактивном режиме.

Качество размещения оценивалось по критерию достаточности каналов для трассировки с помощью гистограммы плотности связей (команда View>Density Graph>Fine). Гистограмма плотности связей между компонентами печатной платы представлена на рисунке 10.

Рисунок 10 - Гистограмма плотности связей на печатной плате

Трассировку печатного монтажа было решено выполнять в двух слоях с шагом координатной сетки 2,5 мм. Так как конструктив содержит в основном дискретные компоненты, был выбран третий класс точности и заданы соответствующие допустимые значения для ширины трасс печатных проводников (0,25 мм) и зазоров между ними (не менее 0,25 мм).

Трассировка всех цепей была выполнена в автоматическом режиме интерактивном режиме.

В ходе контроля конструкторско-технологических DRC ошибок обнаружено не было. Было принято решение о корректности полученного проектного решения и переходе к этапу оформления проектно-конструкторской документации.

Список использованных источников

1. Хлуденёв, А.В. САПР устройств промышленной электроники: Учебное пособие [текст] / А.В. Хлуденев, В.Д. Шевеленко - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2001. - 115 с.

. Хлуденёв, А.В. Автоматизированное проектирование электронных устройств: Методические указания [текст] / А.В. Хлуденев, В.Д. Шевеленко - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 1999. - 30 с.

Приложение

Схема электрическая принципиальная

Чертёж печатной платы

. Плату изготовить комбинированным методом.

. Шаг координатной сетки 1,25 мм.

. Конфигурацию проводников выдерживать по координатной сетке.

. *Размер для справок.

. Ширина шины питания 0,6 мм. Ширина остальных проводников 0,25 мм.

. Проводники покрыть сплавом «Розе».

Вид А Лист 1

Сборочный чертёж

. Электромонтаж выполнять согласно ОГУ 210106.65.4013.084 Э3.

. Припой ПОСБ1 ГОСТ 21931-76.

. * Размеры для справок.

. Установку элементов производить по ОСТ4 ГО.010.030-81.

. Позиционные обозначения элементов маркировать краской ЧМ, черный, ТУ29-02-859-78 вблизи соответствующих элементов. Шрифт 2.5 по НО.010.007.

. Плату после сборки покрыть лаком НЦ- 62, бесцветный, ТУ6-10-1291-77.