Изучение схемотехники активных RC-фильтров второго порядка

Страницы работы

Содержание работы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 07

АКТИВНЫЕ  ФИЛЬТРЫ

1.  Цель работы

Изучение схемотехники активных RC-фильтров второго порядка, исследование их характеристик и рассмотрение примеров применения фильтров для выделения полезного сигнала из смеси сигнал-помеха.

2.  Описание лабораторной установки

Экспериментальная установка включает в себя лабораторную панель с уже собранной схемой фильтра (рис. 1), генератор синусоидального сигнала ГЗ-112, генератор импульсного сигнала Г5-54 и осциллограф С1-83.  Применение в установке двух генераторов сигналов диктуется необходимостью создания на входе активного фильтра смеси сигнала и помехи.

Рис. 1.  Схема универсального активного RC-фильтра

На основной панели (рис. 1) размещены универсальный фильтр второго порядка на трех операционных усилителях DA1DA3 с входным XS4 и выходными XSвXSп,  XSн гнездами и смеситель сигнал-помеха, соединенный с входом фильтра.  Фильтр включает в себя два интегратора на ОУ DA1, DA2и сумма­тор, выполненный на ОУ DA3 и резисторах R3, R5, R6, R4п, R4нв. Схема позволяет реализовать фильтры: верхних частот (ФВЧ – вы­ходной зажим XSв), полосовой (ПФ – выходной зажим  XSп) и нижних частот (ФНЧ – выходной зажим  XSн).

Смеситель представляет собой сумматор с тремя входами XS1XS3, выполненный на ОУ DA4. Два входа (XS1 и XS2), служат для подключения генераторов сиг­налов, а третий вход (XS3) подсоединен к источнику синусоидального напряжения 6,3В  промышленной частоты  f=50 Гц, который можно отключить с помощью переключателя ~220В, расположенного на верхней горизонталь­ной панели.

Сопротивления резисторов R7, R8, R9 во входных цепях сумма­тора одинаковы и равны сопротивлению резистора в цепи обратной связи R10. Поэтому напряжение на выходе смесителя (гнездо XS4) определяется суммой входных напряжений:

Напряжения на входах смесителя  из­меряются осциллографом при его подключении к зажимам  XS1XS4.

Схема лабораторного макета подключается к источникам постоянного нап­ряжения  +15В и  –15В и к источнику синусоидального напряжения промышленной частоты соответствующими переключателями на гори­зонтальной панели  лабораторного стенда.

3.  Подготовка к работе

1.  Изучить раздел лекционного курса "Активные фильтры на основе ОУ".

2.  Нарисовать структурную схему активного фильтра, применяемого в лабораторной работе (рис. 1). Записать в каноническом виде выражения для коэффициента передачи для каждого выхода фильтра.

3.  Для низкочастотного и высокочастотного фильтра с параметрами, указанными на рис. 1, рассчитать коэффициент передачи в полосе пропускания Kuo, добротность Q и резонансную частоту fo (при расчете считать R1=R2=15,9кОм, R4=30кОм).

4.  Для полосового фильтра с параметрами, указанными на рис. 1, рассчитать центральную частоту  fo, коэффициент передачи  Kuo на этой частоте и добротность фильтра Q  (при расчете считать R1=R2=15,9кОм, R4=390кОм).

5.  Рассчитать и построить частотные характеристики указанных фильтров.

6.   Подготовить протокол выполнения работы, соответствующий со­держанию пунктов рабочего задания. За­нести в протокол все расчетные данные (точность расчетных данных  –  три значащих циф­ры).

4.  Рабочее задание

1.  Включить генератор ГЗ-112 и осциллограф. На верх­ней панели стенда   включить источник питания  ± 15В. Через 5 мин. после включения проверить калибровку осциллографа.

Исследование фильтра низких частот

2.  Настроить фильтр на резонансную частоту fo = 1кГц. Для этого:

-  подключить генератор Г3-112 к гнезду XS2, установив на нем синусоидальный сигнал  частотой 1кГц;

-  установить на стенде сопротивление резистора R4=R4нв=30кОм;

-  на входе фильтра (гнездо XS4) установить сигнал с размахом  1В (сигнал контролировать  с помощью первого канала осциллографа);

-  второй канал осциллографа подключить к выходу полосового фильтра (гнездо XSп); с помощью резистора R1v установить на выходе XSп максимально возможный сигнал (однако искажения должны отсутствовать);

-  переключить осциллограф в режим X-Y и, регулируя сопротивление R1, добиться фазового сдвига -180° (в этом случае наблюдаемый на экране осциллографа эллипс превратится в прямую линию);

-  переключить осциллограф в режим  «I внутр», а второй канал осциллографа переключить на выход НЧ фильтра (гнездо XSн).

3.  Меняя частоту входного сигнала в соответствии с таблицей, измерить напряжение на выходе НЧ фильтра (гнездо XSн), а затем построить логарифмическую АЧХ.

f, кГц

0,1

0,3

0,5

0,7

0,9

1,0

1,1

1,3

1,5

Uвх, В

Uвых, В

Uвых, дБ

По снятым данным определить основные параметры фильтра: коэффициент передачи фильтра  в полосе пропускания и  добротность Q. Полученные значения сравнить с расчетными.

Исследование фильтра высоких частот

4.  Переключить второй канал осциллографа на выход ВЧ фильтра (гнездо XSв), сохранив все предыдущие настройки.

5.  Снимая вы­ходной сигнал с гнезда XSв, снять и построить логарифмическую амплитудно-частотную характеристику  ВЧ фильтра.

f, кГц

0,7

0,8

0,9

1,0

1,2

1,5

2,0

5,0

10

Uвх, В

Uвых, В

Uвых, дБ

По снятым данным определить основные параметры фильтра: коэффициент передачи фильтра  в полосе пропускания и  добротность Q. Полученные значения сравнить с расчетными.

Исследование полосового фильт­ра

6.  Настроить полосовой фильтр. Для этого:

-  установить сопротивление резистора R4=R4п=390кОм;

-  на входе фильтра (гнездо XS4) установить сигнал с размахом  0,1В;

-  второй канал осциллографа подключить к выходу полосового фильтра (гнездо XSп);

-  настроить полосовой фильтр на резонансную частоту 1кГц аналогично п. 2 рабочего задания.

7.  Снимая вы­ходной сигнал с гнезда XSп, снять и построить логарифмическую амплитудно-частотную характеристику  полосового фильтра.

f, кГц

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

Uвх, В

0,1В

Uвых, В

Uвых, дБ

По снятым данным определить основные параметры фильтра: коэффициент передачи фильтра  на центральной частоте и его добротность Q. Полученные значения сравнить с расчетными.

Применение фильтров*

8.  Собрать схему и исследовать применение ФНЧ для выделения полезного низкочастотного сигнала из смеси сигнал-помеха. Для этого:

-  настроить низкочастотный фильтр на резонансную частоту fo = 1кГц как указано в п. 2 рабочего задания;

-  установить на выходе генератора Г3-112 синусоидальный сигнал с частотой f=1кГц и размахом 1В;

-  подключить к гнезду XS1 импульсный генератор Г5-54 и установить на его выходе импульсный сигнал с параметрами: частота – 10кГц, амплитуда импульса – 1,0В, длительность импульса – 50мкс, поляр­ность – отрицательная;

-  снять  и зарисовать осциллограммы напряжений на входе фильтра (гнездо XS4) и на выходе низкочастотного фильтра (гнездо XSн);

-  в конце испытаний отключить генератор Г5-54.

9.  Собрать схему и исследовать применение ФВЧ для выделения полезного высокочастотного сигнала из смеси сигнал-помеха. Для этого:

-  настроить высокочастотный фильтр на резонансную частоту fo = 1кГц (см.  п. 2 рабочего задания), если ранее он не был настроен;

-  установить на выходе генератора Г3-112 синусоидальный сигнал с частотой f=1кГц и размахом 1В;

-  включить на верхней панели установки тумблер ~220В и тем самым подать на вход XS3 сигнал помехи частотой 50 Гц от встроенного генератора;

-  снять  и зарисовать осциллограммы напряжений на входе фильтра (гнездо XS4) и на выходе высокочастотного фильтра (гнездо XSв);

-  в конце испытаний выключить тумблер ~220В.

10. Собрать схему и исследовать применение полосового фильтра для выделения первой гар­моники импульсного сигнала. Для этого:

-  настроить полосовой фильтр на резонансную частоту fo = 1кГц (см. п. 6 рабочего задания);

-  подключить генератор Г3-112 и установить на его выходе импульсный сигнал с частотой f=1кГц и размахом 0,1В (в отсутствии генератора Г3-112 можно подключить генератор Г5-54, установив на его выходе те же параметры импульса);

-  снять  и зарисовать осциллограммы напряжений на входе фильтра (гнездо XS4) и на выходе полосового фильтра (гнездо XSп).

5.  Методические указания

-  Все наблюдаемые с помощью осциллографа С1-83 сигналы должны занимать не менее 50% полной шкалы его экрана.

-  При выполнении пп. 3, 6 и 9 амплитуда входного сигнала поддерживается постоянной.

-  Активный фильтр должен работать в линейном режиме, при этом амплитуда сигналов на выходах операционных усилителей DA1DA3 не должны превосходить максимального выходного напря­жения. Поэтому при проведении экспериментальных ис­следований следует контролировать выходные сигналы ОУ с помощью осциллографа. Поскольку наибольший коэффициент передачи реализуется на выходе ПФ, то контроль необходимо осуществлять именно на этом выходе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  Знаменский А.Е., Теплюк И.Н. -фильтры.   М.: Связь, 1970.   279с.

2.  Интегральные микросхемы. Справочник. Под редакцией Б.В. Тарабрина. Москва, "Радио и связь", 1984.



* По указанию преподавателя

Похожие материалы

Информация о работе