Измерения в радиоэлектронике: Методические указания к лабораторным работам, страница 14

При исследовании фильтров любых видов наиболее часто применяются АЧХ и фазочастотные характеристики (ФЧХ). АЧХ определяет фильтрующие свойства по амплитуде, проявляющиеся в том, что гармонические составляющие сигнала, имеющие различные частоты, ослабляются фильтром в разной степени. АЧХ строится на основании отношения амплитуд или мощностей сигналов на выходе и входе фильтра. ФЧХ характеризует сдвиг фазы выходного сигнала фильтра по отношению к входному, вызван-ный тем, что составляющие входного сигнала, имеющие раз-личные частоты, будут сдвигаться (задерживаться) фильтром по фазе в разной степени. В данной работе исследуется только АЧХ.

Область частот пропускаемых колебаний, для которых АЧХ фильтра, построенная на основании отношения мощностей, изменяется в пределах не более 0,5 от своего максимального значения, называется полосой пропускания. Таким образом, в пределах полосы пропускания мощность сигнала на выходе фильтра изменяется не более чем в два раза.

Для построения АЧХ может использоваться логарифмическая шкала. В этом случае отношение мощностей или амплитуд сигналов указывают в децибелах по следующей формуле:

, где  − АЧХ в децибелах; , , ,  − амплитуды и мощности сигнала на входе и выходе фильтра на частоте .

Нетрудно подсчитать, что в пределах полосы пропускания изменение значения  не превышает примерно 3 дБ. Предел изменения уровней сигнала, используемый для оценки полосы пропускания, принято называть неравномерностью. Следовательно, полоса пропускания оценивается при неравномерности 3 дБ.

На рис. 17 приведены примеры АЧХ для ФНЧ, ФВЧ, ПФ и РФ. Пунктирными линиями показаны идеальные АЧХ, полоса пропускания заштрихована на соответствующем участке оси частот. Из рисунка следует, что реальная АЧХ лишь приближённо представляет (аппроксимирует) идеальную.

Рис. 17. АЧХ различных фильтров

4.3. Описание лабораторной установки

Исследуемый в данной работе фильтр является активным полосовым, построенным с использованием операционного усилителя (рис. 18). Для настройки центральной частоты полосы пропускания и калибровки фильтра используются резисторы R2 и R3, выведенные в виде регуляторов на лицевую панель прибора. При выполнении работы нет необходимости изменять положения этих регуляторов. Питание фильтра осуществляется от однополярного источника постоянного напряжения 15 В, входящего в состав измерительного комплекса. Для подключения входного и выходного сигналов на корпусе фильтра предусмотрены разъёмы BNC.

Рис. 18. Структура исследуемого ПФ

Помимо реального ПФ в работе исследуется программная модель полосового фильтра «Фильтр.exe», выполненная на персональном компьютере с использованием программного пакета LabView. Эта программа позволяет осуществить построение АЧХ двумя способами:

1) использованием гармонического сигнала. Изменяя частоту входного гармонического сигнала, можно наблюдать изменение амплитуды выходного сигнала как во временной, так и в частотной областях. Таким образом, следует произвести несколько замеров амплитуды сигнала на входе и выходе фильтра при различной частоте сигнала. Имея в наличии полученный массив данных, построить АЧХ фильтра в виде графика функции. Используя режим автоматической перестройки по частоте, можно получить динамичную картину движения спектральной составляющей вдоль частотной оси с одновременным изменением её амплитуды;

2) использованием белого шума. Идеальный белый шум характеризуется постоянством спектральной плотности вне зависимости от частоты. Спектральная плотность представляет собой сплошную горизонтальную линию, идущую параллельно оси частот. При прохождении такого сигнала через фильтр на его выходе формируется сигнал, спектр которого повторяет по форме АЧХ фильтра, т.е. является ее «отпечатком».

Для начала работы с виртуальным макетом фильтра запустите файл «Фильтр.exe», при этом на экране компьютера появится окно, представленное на рис. 19, где  1 – графические индикаторы, отображающие сигнал на входе фильтра во временной и частотной областях; 2 – регулятор частоты входного сигнала (используется только для гармонических сигналов); 3 – тумблер, позволяющий включить режим свипирования генератора или режим ручной перестройки  (при  помощи  регулятора  2)  частоты  генератора;  4 – тумблер,