Аналоговые устройства. Устройства на полупроводниковых диодах и транзисторах. Ампер-вольтная характеристика полупроводникового диода, страница 23

Лабораторная работа №6

Тема: Частотные фильтры Цель работы: 

-  изучить назначение, классификацию и основные параметры частотных фильтров;

-  приобрести навыки упрощенного расчёта параметров элементов фильтров, реализуемых на основе микросхемы операционного усилителя;

-  приобрести навыки экспериментальной оценки влияния параметров элементов фильтров на их характеристики и параметры.

1. Краткие теоретические сведения.

1.1.   Классификация частотных фильтров, их основные параметры и характеристики, области применения.

Частотный фильтр – это устройство (четырёхполюсник) которое хорошо пропускает синусоидальные сигналы в одном диапазоне частоты (в полосе пропускания) и задерживает сигнал в остальном диапазоне частот (в полосе заграждения).

 Из определения следует, что коэффициент передачи частотного фильтра по напряжению K_ф = K_ф =U_выхU_вх – зависит от частоты.

При помощи частотных фильтров выделяют – полезный сигнал из множества сигналов других частот, что в частности применяется при частотном разделении каналов связи, когда на одной линии связи создают несколько каналов работающих на разных частотах.

 Так как K_ф зависит от частоты, то следовательно частотные фильтры строятся с применением RC, RL, RLC – цепей, в которых имеются элементы с реактивным сопротивлением X _L = 2πfL и X _C =1(2πfC), зависящим от частоты f .

Фильтры бывают пассивные и активные. Пассивные – собираются только на пассивных элементах и следовательно максимальное значение их коэффициента передачи не превышает единицы.

В активных частотных фильтрах для улучшения избирательности, в дополнение к пассивным частотно-зависимым RC-цепям применяют электронные усилители, что позволяет увеличить коэффициент передачи в полосе пропускания.

Основной характеристикой частотного фильтра является амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), т.е. зависимости модуля коэффициента передачи фильтра от частоты.

В зависимости от вида АЧХ фильтры подразделяются на четыре типа:

-  фильтры нижних частот (ФНЧ);

-  фильтры верхних частот (ФВЧ);

-  полосовые (полосно-пропускающие) фильтры (ПФЧ);

-  заграждающие (режекторные) частотные фильтры (ЗЧФ).      На рис 6.1 приведены АЧХ этих фильтров.

         

Рис. 6.1. Типы АЧХ частотных фильтров:

 а) ФНЧ, б) ФВЧ, в) ПЧФ, г) ЗЧФ

 Фильтры характеризуются также частотой среза f_c (частотами среза) это такие частоты на которых коэффициент передачи в 2 раз меньше максимального его значения K₀ , т.е. 

                                                         K_ф( f_c ) = K₀                                                       2 = 0,707K₀ ,                              (6.1)  где K₀ - максимальное значение коэффициента передачи фильтра в полосе пропускания.

Полосовой и заграждающий фильтры характеризуются также абсолютной и относительной полосой пропускания (заграждения)

Δf

Δf = ^f_2c − ^f_1c и     .                                      (6.2) f₀

1.2. Пассивные частотные фильтры 1.2.1. Фильтры нижних частот.

На рис. 6.2а приведена простейшая схема пассивного ФНЧ RCтипа.

                                     R1/

(t)

а)

Рис. 6.2. Фильтр нижних частот:

а) схема; б) АЧХ и ФЧХ

U ^вх

          Из рис. 6.2а следует, что U _вых =              (− jX _C ), или

R − jX _C

                                                                     U^вых                   1                   ^jϕ

K_ф =  = = K_фe         ,                        (6.3) U_вх     1+ jωRC

         где K_ф = K          ; ϕ= −arctg(ωRC), ω= 2πf ,        (6.4)

 На рис. 6.2б приведены АЧХ и ФЧХ этого типа фильтра. Для частоты среза f_c , K_ф = K₀ 2 , где K₀ =1, и, следовательно,

1  1    1

                                                          =                      , или f_c =                     ,                     (6.5)