Изучение схемотехники активных RC-фильтров второго порядка, исследование их характеристик и рассмотрение примеров применения фильтров для выделения полезного сигнала из смеси сигнал-помеха.
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 DA1… DA3 с входным XS4 и выходными XSв, XSп, 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 XS1… XS3, 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 XS1… XS4.
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.
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).
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 |
1В |
||||||||
|
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 |
1В |
||||||||
|
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).
- 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 DA1…DA3 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.
1. Знаменский А.Е., Теплюк И.Н. RС-фильтры. М.: Связь, 1970. 279с.
2. Интегральные микросхемы. Справочник. Под редакцией Б.В. Тарабрина. Москва, "Радио и связь", 1984.
* По указанию преподавателя
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
