1.1 Изучение работы активных низкочастотных и высокочастотных электрических фильтров.
1.2 Овладение методикой экспериментального исследования амплитудно-частотных характеристик низкочастотных и высокочастотных фильтров.
1.3 Получение практических навыков расчета основных параметров фильтров.
2 Содержание работы
2.1 Снятие амплитудно-частотных характеристик фильтров нижних и верхних частот.
2.2 Определение коэффициентов передачи фильтров.
2.3 Определение зоны прозрачности, зоны затухания, частоты среза по построенным АЧХ и по заданным параметрам фильтров.
3 Определение правил и мер техники безопасности при проведении экспериментальных исследований
3.1 Земельные зажимы приборов (электронных вольтметров и осциллографов) обязательно соедините с соответствующими земельными зажимами лабораторного стенда СОУ.
3.2 В остальном при выполнении данной работы правила техники безопасности не отличаются от общих при работе в электротехнических лабораториях.
4 Методические указания по подготовке к проведению работы
4.1 Изучите раздел «Электрические фильтры»(446-457с.)
4.2 Изучите данную методическую разработку, обратив внимание на методику и порядок проведения исследований.
4.3 подготовьте бланк отчета по работе:
-запишите цель работы;
-вычертите схемы низкочастотного фильтра и высокочастотного в цепи операционного усилителя (СУ);
-подготовьте таблицы для внесения экспериментальных и расчетных данных.
5 Описание лабораторной установки
Работа выполняется на стенде для исследования операционных усилителей СОУ (схема стенда приведена на его лицевой панели). В состав стенда входит ОУ DA1, низкочастотный и высокочастотный фильтры, генератор синусоидальных напряжений с Uвых=0+2,5 В и изменяющейся частотой выходного сигнала в пределах 0,02-20 кГц. От генератора сигнал подается на фильтры. Электрические фильтры предназначены для выделения или подавления сигналов определенных частот.
ФИЛЬТР НИЖНИХ ЧАСТОТ(низкочастотный) (рис.1) пропускает сигналы с частотами от f=0 до fср (т.е. ниже fср) и ослабляет сигналы более высоких частот. Принцип действия таких фильтров объясняется тем, что на низких частотах емкостное сопротивление конденсатора Xc=1/2πfC – велико. Поэтому токи нижних частот проходят через продольные сопротивления R фильтра к нагрузке, лишь в малой степени ответвляясь в емкость, представляющую для них большое сопротивление. При повышении частоты выше fср сопротивление конденсатора падает, и ток высокой частоты замыкается через емкость, которая все в большей степени шунтирует источник сигнала и нагрузку.
Частоты сигналов, пропускаемых фильтром с небольшим ослаблением, образуют ПОЛОСУ ПРОПУСКАНИЯ (зону прозрачности) фильтра. Частоты сигналов, подавляемых фильтром, образуют полосу непрозрачности (ЗОНУ ЗАТУХАНИЯ). Частота, отделяющая полосу пропускания от полосы непрозрачности, - есть частота среза: fср=1/2πRC.
Рис.1. схема фильтра нижних частот
ФИЛЬТР ВЕРХНИХ ЧАСТОТ (высокочастотный)(рис.2) пропускает в нагрузку лишь сигналы с частотами от fср до f=∞ и ослабляет сигналы с частотами от 0 до fср.
Благодаря емкостному характеру сопротивления продольной ветви высокочастотный фильтр обусловливает большое затухание сигнала на нижних частотах и малое затухание на верхних частотах.
Для сигнала нулевой частоты реактивное сопротивление конденсатора равно бесконечности. С ростом частоты сигнала оно уменьшается. Поэтому затухание сигнала при прохождении от входа к выходу фильтра уменьшается. Частота среза фильтра уменьшается. Частота среза фильтра верхних частот: fср=1/2πRC.
Таким образом, расположение зоны прозрачности и, соответственно, назначение фильтра определяется характером его продольного сопротивления. Если продольное сопротивление без емкостей, то фильтр- низкочастотный, в противном случае – высокочастотный.
Введение ОУ улучшает АЧХ фильтра в области fср и делает переход от зоны прозрачности к зоне затухании более резким.
Рис.2. схема фильтра верхних частот
6 Порядок выполнения работы
6.1 Подготовьте к работе осциллограф и электронные вольтметры, установив переключатели на них в положения, соответствующие роду работы.
6.2 Вольтметр, измеряющий Uвх, подключите к гнездам 1 и 2 разъема XS1; к гнездам 14 и 16 разъема XS4 подключите вольтметр, измеряющий Uвх, и осциллограф. Следите за соединением земельных зажимов приборов с земельными клеммами стенда ОУ (они имеют обозначение ┴).
6.3 Входной сигнал Uвх подайте от гнезда «1:1» панели генератора к гнезду 1 схемы ОУ. Земляные клеммы генератора и ОУ соединены внутри стенда.
6.4 Исследуйте фильтр нижних частот, собрав схему рис.1
6.4.1 Установите переключатели :S1 – в положение «НЧ»; S2 – в положение «ФИЛЬТР»;S3 – в положение «НЕИНВ.» (см.схему на панели стенда СОУ).
6.4.2 Включите тумблеры «СЕТЬ» стенда СОУ, вольтметров и осциллографа и дайте приборам прогреться в течении пяти минут.
6.4.3 Установите Uвх фильтра НЧ максимально возможным, но так, чтобы Uвх фильтра не превышало 6 В (в противном случае на выходе появляются нелинейные искажения сигнала). Установку выполните с помощью рукоятки «Uвх» панели генератора.
Рис.3. Принципиальная электрическая схема для исследования фильтра НЧ
6.4.4 Снимите АЧХ фильтра НЧ, изменяя частоту входного сигнала ступенчато в пределах 0,02+0,2 кГц; 0,2+2 кГц и 2+20 кГц и внутри каждого поддиапазона плавно с помощью рукоятки «F,кГц» панели генератора.
6.4.5 Результаты измерений Uвх и Uвых занесите в таблицу
АЧХ фильтров нижних и верхних частот
6.5 Исследуйте фильтр верхних частот, собрав схему рис.4.
6.5.1 Установите переключатели: S1- в положение «ВЧ»;S2 – в положение «ФИЛЬТР»;S3 – в положение «НЕИНВ.» (см.схему на панели стенда СОУ).
6.5.2 Установите Uвх фильтра ВЧ максимально возможным, но таким, чтобы значение Uвых фильтра при этом не превышало 6В. Установку выполните рукояткой Uвых панели генератора.
Рис.4. Принципиальная электрическая схема для исследования фильтра ВЧ
6.5.3Снимите АЧХ фильтра ВЧ, изменяя частоту входного сигнала с помощью рукоятки «F,кГц» панели генератора.
6.5.4 Результаты измерений Uвх и Uвых занесите в табл.
6.6 Рассчитайте экспериментальные значения коэффициентов усиления фильтров НЧ и ВЧ по формулам, приведенным в п.6.10. Результаты расчетов внесите в табл.
6.7 По результатам постройте графики экспериментальных АЧХ фильтров НЧ и ВЧ.(Графики зависимости коэффициента усиления в дБ от частоты входного сигнала 20lgKu(f)).
6.8 Рекомендации по построению АЧХ
При построении АЧХ коэффициент усиления выражайте в децибелах Ku,дБ=20lgKu. По оси абсцисс откладывайте логарифм частоты (рис.5). Это позволяет перекрыть значительный частотный диапазон и не сжимать график при малых значениях частот.
Рис.5. Логарифмическая шкала оси абсцисс АЧХ
Расстояния, откладываемые в декаде по оси абсцисс: 2-3 единицы; 3-4,8;5-7;10-10.
6.9 По результатам выполненных экспериментов и построенным графикам АЧХ сделайте выводы о полосе прозрачности, полосе затухания, частоте среза фильтров нижних и верхних частот.
6.10 РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ
Расчетное значение коэффициента усиления по напряжению фильтров НЧ и ВЧ:
- для полосы прозрачности Ku=1
- для полосы затухания Ku=0
Экспериментальные значения коэффициента усиления:
Ku,выхUвых/Uвх
Расчетные и экспериментальные значения коэффициента усиления в децибелах:
Ku,дБ=20lgKu,дБ
Расчетное значение частоты среза:
fср=1/2πRC
Экспериментальное значение частоты среза соответствует снижению коэффициента усиления в корень из 2ух раз (на 3дБ) по сравнению Ku,расч для полосы прозрачности.
Экспериментальные и расчетные значения полосы прозрачности:
Для фильтра НЧ 0÷fср
Для фильтра ВЧ fср÷∞
Полосы затухания:
Для фильтра НЧ fср÷∞
Для фильтра ВЧ 0÷fср
7 Содержание отчета
Отчет должен содержать:
- цель работы;
- принципиальные электрические схемы фильтров НЧ и ВЧ;
- таблицы результатов измерения;
- графики теоретических и экспериментальных АЧХ для фильтров НЧ и ВЧ с указанием на них частот среза;
- расчетные формулы;
- выводы по результатам экспериментальных исследований и теоретических расчетов.
8 Контрольные вопросы
8.1 Что называется электрическим фильтром?
8.2 Перечислите известные Вам типы фильтров.
8.3 Каков принцип действия фильтра НЧ?
8.4 Каков принцип действия фильтра ВЧ?
8.5 Как изменяется характер продольного сопротивления фильтра в зависимости от его назначения?
8.6 Какой вид имеют теоретические АЧХ фильтров НЧ и ВЧ? Поясните, почему?
8.7 Что называется полосой прозрачности (зоной пропускания) фильтра? Чему равна полоса прозрачности для фильтров НЧ и ВЧ?
8.8 Что называется полосой затухания фильтра? Чему равна полоса затухания для фильтров НЧ и ВЧ?
8.9 Почему при построении АЧХ по оси абсцисс применяется логарифмический масштаб?