Смуго-загороджувальний фільтр з БЗЗ

Курсова робота

Смуго-загороджувальний фільтр з БЗЗ

Вступ

схема заміщення моделювання фільтр

Ціль курсу «Моделювання електричних схем » - навчитися моделювати електричні схеми і пристрої, при цьому є можливість отримувати досить реальні дані. Тобто Pspice є корисною програмою за допомогою якої можливо перевірити роботу приладу до його реального виготовлення, але при цьому потрібно пам’ятати що даній пакет має своїї чисельні методи, які містять певну точність моделювання, та бібліотека також не є досить повною. Трапляються випадки неправильної побудови моделей, але не будемо про погане, його і так перед сесією не мало.

І отже ми пройшовши курс по предмету «Моделювання електричних схем », виконали декілька лабораторних робіт, ознайомилися з програмою. При цьому всьому курсовий проект є, так бі мовити удосконалення, розширення і закріплення знань для роботі із програмою Pspice, усвідомлення деякого матеріалу, а також розуміння роботи побудові моделі реально працюючого пристрою, в моєму випадку смугового фільтра.

Дана схема має 2 ОП, при присутній зворотній зв'язок, дещо ускладнює роботу, але це не проблема.

Потрібно замінити елементи із ряду Е-24.

При цьому запишу схеми для велимо та малого сигналу на різних частотах.

1. Загальні теоретичні відомості

Смугові фільтри

Смуговими чи селективними фільтрами будемо називати фільтри на АЧХ яких є присутнім один явно виражений максимум з більш-менш крутими схилами по обох сторонах від нього. Фільтри які ми будемо розглядати, є фільтрами другого порядку і мають АЧХ, котра в логарифмічному масштабі має асимптоти з крутістю 20дб/дек.

Рисунок 1

. Еквівалентна схему заміщення заданої схеми для роботи на роботі середніх частот малого сигналу

Схема заміщення операційного підсилювача для малого сигналу представлена на рисунку 2.

Рисунок 2 - Схема заміщення операційного підсилювача для малого сигналу

Рисунок 3 - Схема заміщення смугового фільтра при малому сигналу ну середніх частотах.

. Еквівалентна схема заміщення заданої схеми для роботи на роботі середніх частот великого сигналу

Схема заміщення операційного підсилювача для великого сигналу представлена на рисунку 4.1. Дана схема описана в [2].

Рисунок 4 - Схема заміщення операційного підсилювача для великого сигналу

Рисунок 5 - Схема заміщення смугового фільтра при великому сигналу на середніх частотах

В схемі:

E1=U1, E2=U2, I1- нелінійне джерело струму, Ro- нелінійний опір, R₁*C₁- ланцюг, що моделює першу точку перегибу АЧХ ОП, (P1P2P3P4)- лінійний чотирьохполюсник з одиничним підсиленням.

Враховуємо що:

Im= C1, tgφ= , R₁ * C₁ =ώ_1.

Rвх, Rвих, Ku, Umax, Umin, , ώ₁ -довідникові величини.

Таблиця 1

4. Моделювання PSpice Shematics

Схема складена в PSpice Shematics відповідно до завдання, при цьому враховано що,елементи в схемі мають номінал відповідний до ряду Е-24, приведено в таблиці №1. Операційний підсилювач 157УД1, аналог OPA134/BB.

Отримання графіків АЧХ та ФЧХ для даної схеми при зананих параметрах

Рисунок 8 - Графік АЧХ для даної схеми

Рисунок 9 - ФЧХ даної схеми

Рисунок 10 - ФЧХ даної схеми до частоти 1Ггц

За допомогою АЧХ та ФЧХ ми визначимо основні параметри фільтра:

Коефіцієнт підсилення К=2,021

Резонансна частота: f_р = 2,546Гц

Частота зрізу по рівню 3дБ, Δf = 2,546 - 1,728= 0,518 Гц

Добротність фільтра Q = f_р / Δf: Q = 2,546 /0,518 = 4,9

Це говорить про те, що даний смуговий фільтр є низькодобротним, і має коефіцієнт підсилення за напругою на частоті f₀ = 2,546 Гц,

5. Побудова АЧХ і ФЧХ вхідного опору схеми

При дослідженні АЧХ вхідної провідності на вході схеми послідовно з генератором включимо струмовий датчик (на рисунку 6 не вказаний) - резистор опором 1 Ом, на який поставимо маркер Voltage Differential, а для ФЧХ поставимо маркер Phase of Voltage одразу після струмового датчика.

Рисунок 11 - АЧХ вхідної провідності смуго-загороджувального фільтра

Рисунок 12 - ФЧХ вхідної провідності смуго-загороджувального фільтра

6. Вплив параметрів елементів на АЧХ, ФЧХ та коефієнта підсилення по напрузі

При зміні параметрів схеми, зміна номіналів елементів, параметри фільтра змінюються.

Змінимо величенну резистора опору R5 на параметри схеми Заданий опір в завданні зменшимо вдвічі, а потім збільшимо вдвічі, результати на рисунках

Рисунок 13 - АЧХ смуго-загороджувального фільтра при зміні R5

Рисунок 14 - ФЧХ смуго-загороджувального фільтра при зміні R5

Резонансна частота смугового фільтра при R₅ = 268 кОм:

Ширина смуги пропускання при R₅ = 268 кОм:

Добротність смугового фільтра при R₅ = 268 кОм:

Коефіцієнт підсилення за напругою на частоті f₀ = Гц,

Фазовий зсув відносно заданих параметрів

Ширина смуги пропускання при R₅ = 134кОм:

Добротність смугового фільтра при R₅ = 134кОм:

Коефіцієнт підсилення за напругою на частоті f₀ = Гц, K_u = 1,0243

Фазовий зсув відносно заданих параметрів

При R₅<134кОм резонанс уже невозможно получить, а если продолжать уменьшат и дальше то фільтр перестає бути загороджувальнім.

При зміні опору R₅ резонансна частота смугового фільтра зменшується і при порі R₅<134кОм мы вже небачимо резонансу

При зменшенні опору резистора R5 збільшується добротність Крім того, як видно з АЧХ, зі зменшенням опору R5 значно збільшується значення вихідної напруги

Розглянемо вплив конденсатора С1 на роботу фільтра:

Рисунок 15 - АЧХ смуго-загороджувального фільтра при зміні С1

Рисунок 16 - ФЧХ смуго-загороджувального фільтра при зміні С1

Резонансна частота смугового фільтра при С1 = 0,4мкФ:

Ширина смуги пропускання при С1 = 0,4мкФ:

Добротність смугового фільтра при С1 = 0,4мкФ:

Коефіцієнт підсилення за напругою на частоті f₀ = 2,4330Гц, K_u = 0,243

Фазовий зсув відносно заданих параметрів

Резонансна частота смугового фільтра при С1 = 0,2мкФ:

Ширина смуги пропускання при С1 = 0,2мкФ:

Добротність смугового фільтра при С1 = 0,2мкФ:

Коефіцієнт підсилення за напругою на частоті f₀ = 1,8090Гц, K_u = 0,689

Фазовий зсув відносно заданих параметрів

При зменшенні ємності С1, я помітив, що резонансна частота мого фільтра значно збільшилась, а разом з нею збільшилась полоса пропускання. Значно зріс коефіцієнт підсилення за напругою. Зі зменшенням ємності, зменшується добротність фільтра.

Отже бачимо, що даний елемент С1 впливає майже на всі параметри

смуго-загороджувального фільтра.

Розглянемо вплив резистора R6 на роботу фільтра:

Рисунок 17 - АЧХ смуго-загороджувального фільтра при зміні R6

Рисунок 18 - ФЧХ смуго-загороджувального фільтра при зміні R₆

Резонансна частота смугового фільтра при R₆ = 70 кОм:

Ширина смуги пропускання при R₆ = 70 кОм:

Добротність смугового фільтра при R₆ = 70 кОм:

Коефіцієнт підсилення за напругою на частоті f₀ = 2,4330Гц,

Резонансна частота смугового фільтра при R₆ = 134 кОм:

Ширина смуги пропускання при R₆ = 134 кОм:

Добротність смугового фільтра при R₆ = 134 кОм:

Коефіцієнт підсилення за напругою на частоті f₀ = 2,4330Гц,

Фазовий зсув відносно заданих параметрів  (в обох випадках)

Виявилось, що при зміні величини опору резистора R6 основні параметри фільтра залишаються приблизно рівними, помітно збільшується тільки вихідна напруга, як це добре видно з АЧХ.

Крім того бачимо, що зміна опору R6 ніяк не впливає на ФЧХ фільтра. Тобто цим резистором можна змінювати тільки вихідну напругу.

Висновок

В ході виконання цієї курсової я змоделював смуго смуго-загороджувального фільтр,дослідів функції окремих елементів в схемі. Експериментальним шляхом визначив всі функції майже кожного елементу в схемі. Якщо змінити деякі елементи то з смуго-загороджувального фільтру ми отримаємо смуго - пропускаючий фільтр, а саме зменшивши R5 ми отримаемо смуго - пропускаючий фільтр, правильно підібравши ємність С1 можна налаштувати фільтр так, як це потрібно користувачу, а саме змінити частоту резонансу, полосу пропускання, добротність та коефіцієнт підсилення. Крім того резистором R6 регулюється вихідна напруга: зменшуємо опір - збільшується напруга, і навпаки.

Література

1. Методичні вказівки до виконання курсової роботи для студентів денної форми навчання за напрямком підготовки 0908 «Електроніка»: «Моделювання електронних схем».

2.      Конспект лекцій з курсу: «Моделювання електронних схем».

.        Переверзєв А. В., Тімовський А. К., Василенко О. В. Моделювання елементів силової електроніки. Запоріжжя, видавництво ЗДІА, 2008- 117 с.- ISBN 966-7101-17-7.

4.      А. В. Нефедов, А. М. Савченко, Ю. Ф. Феоктистатов. Зарубежные интегральные микросхемы для промышленной электронной аппаратуры и из анлоги. Москва, Энергоатомиздат, 2010 - 288 с.