Фільтр верхніх частот Баттерворта
Харківський національний університет радіоелектроніки
Кафедра РЕУ
КУРСОВА РОБОТА
РОЗРАХУНОВО-ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА
ФІЛЬТР ВЕРХНІХ ЧАСТОТ БАТТЕРВОРТУ
Спроектувати фільтр верхніх частот (ФВЧ) з апроксимацією амплітудно-частотної характеристики (АЧХ) поліномом Баттерворта, визначити необхідний порядок фільтра, якщо задані параметри АЧХ (рис.1): К0 =26дБ
Малюнок 1 – Шаблон ФВЧ Баттерворт.
Забезпечити невелику чутливість до відхилень номіналів елементів.
Розрахунково-пояснювальна записка: 26 с., 11 рис., 6 табл.
Мета роботи: синтез схеми активного RC-фільтра верхніх частот та розрахунок її компонентів.
Метод дослідження: апроксимація АЧХ фільтра поліномом Баттерворт.
Апроксимована передатна функція реалізована активним фільтром. Фільтр побудований каскадним з'єднанням незалежних ланок. В активних фільтрах використані підсилювачі, що не інвертують, з кінцевим посиленням, які реалізовані за допомогою операційних підсилювачів.
Результати роботи можуть використовуватись для синтезу фільтрів радіотехнічної та побутової апаратури.
1. Огляд аналогічних схем
2. Вибір та обґрунтування схеми фільтра
3. Топологічна модель фільтра та передатна функція за напругою
3.1 Здійснення нормування ФВЧ
3.2 Визначення необхідного порядку фільтра
3.3 Визначення полінома Баттерворта
3.4 Зворотний перехід від нормованого до проектованого ФВЧ
3.5 Перехід від передавальної функції до схеми
3.6 Перехід від передавальної функції до схеми
3.7 Вибір схеми активного ФВЧ третього порядку
4. Розрахунокелементів схеми
5. Методика налаштування регулювання розробленого фільтра
Список використаної літератури
Донедавна результати зіставлення цифрових і аналогових пристроїв у радіоапаратурі та технічних засобах електрозв'язку було неможливо викликати почуття незадоволеності. Цифрові вузли, які реалізуються з широким використанням інтегральних мікросхем (ІМС), вигідно відрізнялися своєю конструктивно-технологічною завершеністю. Інакше було з вузлами аналогової обробки сигналів, які, наприклад, у телекомунікаціях становили від 40 до 60% обсягу та маси апаратури зв'язку. Громіздкі, що містять велику кількість ненадійних і трудомістких намотувальних елементів, вони виглядали на тлі великих інтегральних схем настільки гнітюче, що породили у ряду фахівців думку про необхідність "тотальної цифрізації" радіоелектронної апаратури.
Останнє, однак, як будь-яка інша крайність, не призвело (та й не могло привести) до результатів, адекватних очікуваним. Істина, як і в інших випадках, виявилася десь посередині. У ряді випадків ефективнішою виявляється апаратура, побудована на функціональних аналогових вузлах, елементний базис яких адекватний можливостям і обмеженням мікроелектроніки.
Адекватність в даному випадку може бути забезпечена переходом до активних RC-ланцюгів, елементний базис яких не входять котушки індуктивностей і трансформатори, принципово не реалізовані засобами мікроелектроніки.
Обґрунтованість такого переходу визначається в даний час, з одного боку, досягненнями теорії активних RC-ланцюгів, а з іншого – успіхами мікроелектроніки, що надала розпорядникам розробників високоякісні лінійні інтегральні схеми, в тому числі і інтегральні операційні.підсилювачі (ОУ). Ці ОУ, маючи великі функціональні можливості, істотно збагатили аналогову схемотехніку. Особливо яскраво це виявилося у схемотехніку активних фільтрів.
До 60-х для реалізації фільтрів застосовувалися, переважно пасивні елементи, тобто. індуктивності, конденсатори та резистори. Основною проблемою при реалізації таких фільтрів виявляється розмір котушок індуктивності (на низьких частотах вони стають надто громіздкими). З розробкою у 60-х роках інтегральних операційних підсилювачів з'явився новий напрямок проектування активних фільтрів на базі ОУ. В активних фільтрах застосовуються резистори, конденсатори та ОУ (активні компоненти), але в них немає котушок індуктивності. Надалі активні фільтри майже повністю замінили на пасивні. Зараз пасивні фільтри застосовуються лише на високих частотах (вище 1 МГц), поза частотного діапазону більшості ОУ широкого застосування. Але навіть у багатьох високочастотних пристроях, наприклад радіопередавачів і приймачів, традиційні RLC-фільтри замінюються кварцовими фільтрами і фільтрами на поверхневих акустичних хвилях.
Зараз у багатьох випадках аналогові фільтри замінюються на цифрові. Робота цифрових фільтрів забезпечується, переважно, програмними засобами, тому вони виявляються значно гнучкішими у застосуванні проти аналоговыми. За допомогою цифрових фільтрів можна реалізувати такі функції, які дуже важко отримати звичайними методами. Тим не менш, цифрові фільтри поки що не можуть замінити аналогові у всіх ситуаціях, тому зберігається потреба у найбільш популярних аналогових фільтрах – активних RC-фільтрах.
1. Огляд аналогічних схем
Фільтри – це частотно-виборчі пристрої, які пропускаютьабо затримують сигнали, що лежать у певних шпальтах частот.
Фільтри можна класифікувати за їх частотними характеристиками:
1. Фільтри нижніх частот (ФНЧ) – пропускають усі коливання з частотами не вище деякої частоти зрізу та постійну складову.
2. Фільтри верхніх частот (ФНЧ) – пропускають усі коливання не нижче за деяку частоту зрізу.
3. Смужні фільтри (ПФ) – пропускають коливання у певній смузі частот, що визначається за деяким рівнем частотної характеристики.
4. Смужно-переважні фільтри (ППФ) - затримують коливання в певній смузі частот, яка визначається за деяким рівнем частотної характеристики.
5. Режекторні фільтри (РФ) - вид ППФ, що має вузьку смугу затримки і називається ще фільтром-пробкою.
6. Фазові фільтри (ФФ) – мають постійний в ідеальному випадку коефіцієнт передачі всіх частотах і призначений зміни фази вхідних сигналів (зокрема для тимчасової затримки сигналів).
Рисунок 1.1 – Основні типи фільтрів
За допомогою активних RC-фільтрів не можна отримати ідеальні форми частотних характеристик у вигляді показаних на рис.1.1 прямокутників зі строго постійним коефіцієнтом передачі в смузі пропускання, нескінченним ослабленням смуги придушення і нескінченною крутістю спаду при переході від смуги пропускання до смуги придушення. Проектування активного фільтра завжди є пошук компромісу між ідеальною формою характеристики і складністю її реалізації. Це називається "проблемою апроксимації". У багатьох випадках вимоги до якості фільтрації дозволяють обійтися найпростішими фільтрами першого та другого порядків. Деякі схеми таких фільтрів представлені нижче. Проектуванняфільтра в цьому випадку зводиться до вибору схеми з найбільш підходящою конфігурацією та подальшим розрахунком значень номіналів елементів для конкретних частот.
Однак бувають ситуації, коли вимоги до фільтрації можуть виявитися набагато жорсткішими, і можуть знадобитися схеми вищих порядків, ніж перший і другий. Проектування фільтрів високих порядків є складнішим завданням, чому присвячена дана курсова робота.
Нижче наведені деякі основні схеми першого другого порядку з описом переваг і недоліків кожної з них.
1. ФНЧ-I і ФВЧ-Iна основі не підсилювача, що не інвертує.
Рисунок 1.2 – Фільтри на основі підсилювача, що не інвертує:
До переваг схем фільтрів можна віднести головним чином простоту реалізації та налаштування, недоліки - мала крутість частотних характеристик, малостійкі до самозбудження.
2. ФНЧ-IIі ФВЧ-IIс багато петльовим зворотним зв'язком.
Малюнок 1.3 – Фільтри з багатопетлевим зворотним зв'язком:
а) ФНЧ-ІІ; б) ФВЧ-ІІ.
Таблиця 2.1 - Переваги та недоліки ФНЧ-II з багато петльовим зворотним зв'язком
Можна побудувати ФНЧ з
Відносно невисока чутливість до відхилень значень елементів (майже завжди менше 1)
Відносно малий вхідний опір
Легко налаштовуються лише два параметри
Великий діапазон номінальних значень елементів, особливо при великих
Таблиця 2.2 - Переваги та недоліки ФВЧ-II з багато петльовим зворотним зв'язком