Ćwiczenie 11 - Filtry aktywne - Zespół Układów Elektronicznych

ĆWICZENIE 11
Aktywny filtr środkowoprzepustowy
I . Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest praktyczne poznanie właściwości filtrów aktywnych, metod ich
projektowania oraz pomiaru podstawowych parametrów filtru.
II. Układ pomiarowy
Wszystkie pomiary należy wykonać z wykorzystaniem obwodu drukowanego
przedstawionego na rysunku poniżej (rys. 1).
Rys. 1. Płytka drukowana „Filtr aktywny” (skala 2:1)
Schemat ideowy filtru przedstawiono na rys. 2.
Rys. 2. Schemat ideowy filtru aktywnego
Układ filtru wymaga zasilania symetrycznego (rys. 2). Generator sygnałowy należy
podłączać bezpośrednio do wejścia „WE”.
1
III. Przebieg ćwiczenia
1. Pomiar podstawowych paramentów filtru aktywnego
1.1. Zmontować układ filtru środkowoprzepustowego zgodnie z rys. 2.
1.2. Zasilić wzmacniacz operacyjny napięciem symetrycznym ± 15V.
1.3. Do wejścia układu (WE) podłączyć generator przebiegu sinusoidalnego.
1.4. Równolegle do wejścia i wyjścia układu podłączyć sondy oscyloskopu.
1.5. Obserwując stosunek napięcia wyjściowego do wejściowego określić parametry filtru:
a) częstotliwość środkową: fśr,
b) wzmocnienie: KU,
c) dobroć: Q.
1.6. Wyjaśnić ewentualne różnice pomiędzy pomiarami a założeniami projektowymi.
2. Pomiar charakterystyk częstotliwościowych filtru
2.1. Przy stałej amplitudzie sygnału z generatora, dobranej tak, aby filtr pracował liniowo,
zmieniać częstotliwość generowanego sygnału w zakresie 10 Hz do 100 kHz.
2.2. Odczytywać stosunek napięcia wyjściowego do wejściowego (charakterystyka
amplitudowa). Wyniki pomiarów nanosić na przygotowany wykres z charakterystyką
otrzymaną w programie symulacyjnym.
2.3. Odczytywać wartość przesunięcia fazowego pomiędzy napięciami wejściowym
i wyjściowym (charakterystyka fazowa). Pomiary wykonywać metodą oscyloskopową
opisaną w punkcie IV. Wyniki pomiarów nanosić na przygotowany wykres
z charakterystyką symulacyjną.
3. Pomiar odpowiedzi impulsowej filtru
3.1. Na wejście filtru podać falę prostokątną o częstotliwości powtarzania równej
częstotliwości środkowej filtru,
3.2. Zaobserwować kształt i amplitudę sygnału wyjściowego.
3.3. Na wejście filtru podać falę trójkątną o częstotliwości powtarzania równej
częstotliwości środkowej filtru i amplitudzie jak w punkcie 3.1.
3.4. Zaobserwować kształt i amplitudę sygnału wyjściowego.
3.5. Porównać i skomentować otrzymane wyniki.
IV. Dodatki
Pomiar przesunięcia fazowego metodą oscyloskopową
Pomiar przesunięcia fazowego pomiędzy dwoma sygnałami najprościej wykonać na
ekranie oscyloskopu. Pomiar najwygodniej przeprowadzić mierząc różnice czasu pomiędzy
wierzchołkami sygnału wejściowego i wyjściowego rys.3. Przesunięcie fazowe obliczamy
jako:
ϕ = 360o ⋅ ∆t ⋅ f
(1)
2
Rys.3. Idea pomiaru przesunięcia fazowego w trybie pracy dwukanałowej oscyloskopu
Podstawowe zależności potrzebne do obliczeń elementów filtru
Transmitancja filtru przedstawionego na rys. 2:
H ( s) =
U wy ( s )
U we ( s )
−
=
s
R1C4
1
1
+
 1
1  R1 R6
 +
s 2 + s
+
R
C
R
C
3
4
3
2

 R3C2C4
.
(2)
Elementy schematu: Z1 = R1, Z2 = C2, Z3 = R3, Z4 = C4, Z5 = R5, Z6 = R6.
Wartości elementów filtru środkowoprzepustowego dla zadanych f0, KU,Q:
KU =
R3
,
2R1
(3)
C 2 = C4 = C ,
C=
(4)
Q
,
2π f 0 R1 KU
(5)
Q
,
2π f 0C 2Q 2 − KU
(6)
Q
,
π f 0C
(7)
Q=
f0
f0
=
,
∆f
f g − fd
(8)
f0 =
1
2π C
R6 =
(
R3 =
)
R1 + R6
,
R1R3 R6
(9)
3
Rezystor R5 – jest stosowany w celu zminimalizowania błędu niezrównoważenia (R5 ≈R3)
V. Pytania kontrolne
1. Podstawowe różnice między filtrami aktywnymi a biernymi.
2. Klasyfikacja filtrów aktywnych.
3. Podstawowe parametry filtrów aktywnych.
4. Właściwości i podstawowe parametry wzmacniaczy operacyjnych.
Literatura
1. Golde W., Sliwa L., Wzmacniacze operacyjne i ich zastosowania, cz.1, Podstawy teoretyczne, Warszawa,
WNT, 1982
2. Kulka Z., Nadachowski M., Wzmacniacze operacyjne i ich zastosowania, cz.2, Realizacje praktyczne,
Warszawa, WNT, 1982.
3. U. Tietze, Ch. Schenk, „Układy półprzewodnikowe”, WNT Warszawa 1996
4. A. Prałat [red.] „laboratorium układów elektronicznych. Część II”, Oficyna Wydawnicza PWr Wrocław 2001
5. A. Guziński, „Liniowe elektroniczne układy analogowe”, WNT Warszawa 1993
4