Порядок выполнения лабораторной работы

Перечень лабораторных работ

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;

f _с – частота среза АЧХ;

α ₁ – 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 – вПриложении 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 U _СМ и разностью входных токов Δ i _ВХ. Смещение выходного сигнала на постоянном токе не должно превышать 10 мВ. Для компенсации указанных погрешностей предусматривается симметрирование ОУ (компенсация погрешности, связанной с i _{ВХ ОУ}) или выбор ОУ, имеющего малые U _СМ и Δ i _ВХ.

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