WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYK FILTRÓW BIERNYCH

WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYK
FILTRÓW BIERNYCH
(komputerowe metody symulacji)
Instytut Fizyki | Akademia Pomorska w Słupsku
Zagadnienia:
Filtr bierny, filtry selektywne LC, charakterystyka amplitudowo-częstotliwościowa,
fazowo-częstotliwościowa, przebiegi sinusoidalne zmienne, suma wektorowa
prądów, sumowanie napięć, szeregowe i równoległe obwody prądu zmiennego.
Cel ćwiczenia.


zapoznanie się z programem Pspice,
analiza filtrów, typu: CR, RC, TT,
częstotliwościowe).
LCR
(głównie
charakterystyki
Przebieg ćwiczenia – badania oraz pomiary.
Filtr typu CR
1. Narysować schemat filtru typu CR wg Rys. 1, dla źródła V1 (VSRC) AC=1.
Rys.1. Schemat filtru CR.
2. Narysować charakterystykę amplitudowo-częstotliwościową filtru typu CR:
 w celu otrzymania charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowej filtru
typu CR wprowadzić parametry analizy AC Sweep:

uruchomić symulację, a następnie TraceAdd Trace… i w oknie
dialogowym wpisać V(Uwy)/V(Uwe) i potwierdzić OK, otrzymany wykres
zapisać,
Instytut Fizyki | Akademia Pomorska w Słupsku

do wyznaczenia częstotliwości granicznej nanieść poziom wzmocnienia
odpowiadający wartości
(TraceAdd Trace… i w oknie
dialogowym wpisać 0.707, następnie wybrać ikonkę Toggle Cursor i w
oknie Probe Cursor lewym klawiszem myszy kliknąć punkt przecięcia
charakterystyki z poziomem 0.707), odczytane wartości zapisać,
 w celu wyznaczenia wartości wzmocnienia dla częstotliwości granicznej
bliskiej 10 kHz prawym przyciskiem myszy kliknąć w pobliżu tej
częstotliwości i w okienku Probe Cursor odczytać żądaną wartość,
uzyskane wartości zapisać.
3. Narysować charakterystykę logarytmiczną filtru CR:
 w celu otrzymania charakterystyki logarytmicznej postępujemy podobnie
rysując funkcję 20*log10(V(Uwy)/V(Uwe)), a poziom wzmocnienia, na
którym wyznaczono pasmo jest równy -3dB.
4. Narysować charakterystykę fazowo-częstotliwościową filtru CR:
 w celu otrzymania charakterystyki fazowo-częstotliwościowej filtru typu
CR w oknie dialogowym Trace Expression wprowadzić P(V(Uwy)),
otrzymany wykres zapisać,
 dolną częstotliwość graniczną odczytać w punkcie przecięcia
charakterystyki z poziomem 450 (w oknie dialogowym Trace Expression
wprowadzić 45).
5. Wykonać zestawienie charakterystyk częstotliwościowych filtru CR:
 umieścić na schemacie marker VP (otrzymamy charakterystykę fazowoczęstotliwościową)
Marker

w celu dorysowania charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowej w
programie odpowiedzialnym za wykresy wybieramy PlotAdd Plot to
Window oraz TraceAdd Trace…, a następnie w oknie dialogowym Trace
Expression wprowadzić V(Uwy)/V(Uwe).
6. Sprawdzić, jak zmieni się kształt wybranych charakterystyk przy zmianie
wartości parametrów układu R1 i C1 np. stukrotnie (zwiększyć i zmniejszyć).
Instytut Fizyki | Akademia Pomorska w Słupsku
Filtr typu RC
1. Narysować schemat filtru typu RC wg Rys.2, dla źródła V1 (VSRC) AC=1.
Rys.2. Schemat filtru RC.
2.
3.
4.
5.
Narysować charakterystykę amplitudowo-częstotliwościową filtru typu RC.
Narysować charakterystykę logarytmiczną filtru RC.
Narysować charakterystykę fazowo-częstotliwościową filtru RC.
Wykonać zestawienie charakterystyk częstotliwościowych filtru RC.
Filtr środkowoprzepustowy RC (napięciowy dzielnik impedancyjny)
1. Narysować schemat napięciowego dzielnika impedancyjnego wg Rys.3, dla
źródła V1 (VSRC) AC=1.
Rys.3. Napięciowy dzielnik impedancyjny.
2. Na wyjściu na schemacie umieścić marker napięcia.
3. Przeprowadzi analizę AC Sweep. W celu otrzymania
częstotliwościowych:
 wprowadzić następujące parametry analizy AC Sweep:
charakterystyk
Instytut Fizyki | Akademia Pomorska w Słupsku
 uruchomić symulację i zapisać otrzymany przebieg.
4. Nanieść na otrzymany wykres przebieg przesunięcia fazowego (PlotAdd Y
Axis, a następnie TraceAdd Trace… i w oknie dialogowym wpisujemy
P(V(Uwy)), potwierdzamy OK i zapisujemy wykres.
5. Odczytać, z otrzymanych przebiegów, częstotliwość środkową filtru oraz
maksymalną wartość modułu transmitancji. Obliczyć częstotliwość środkową
napięciowego dzielnika impedancyjnego stosując wzór:
oraz wartość modułu transmitancji napięciowej dla tej częstotliwości, stosując wzór:
6. Dobrać elementy filtru z Rys.3, dla których częstotliwość środkowa wynosi
. W celu potwierdzenia poprawności obliczeń wykonać symulację
takiego filtru, uzyskane wyniki zapisać.
Filtr środkowo zaporowy TT (filtr typu podwójne T, czwórnik kratowy)
1. Narysować schemat filtru typu TT wg Rys.4, dla źródła V1 (VSRC) AC=1.
Rys.4. Schemat filtru typu TT.
Instytut Fizyki | Akademia Pomorska w Słupsku
2. Przeprowadź analizę AC Sweep filtru typu TT o jednakowych wartościach
pojemności
i
rezystancji.
W
celu
otrzymania
charakterystyk
częstotliwościowych wprowadź następujące parametry:
Uruchomić i zapisać otrzymany wykres.
3. Nanieść na otrzymany wykres przebieg przesunięcia fazowego (Plot  Add Y
Axis) i kolejno: Trace  Add Trace… i w oknie dialogowym wpisujemy
P(V(Wy)) i potwierdzamy OK., zapisujemy otrzymany wykres.
4. Odczytać minimalną wartość napięcia wyjściowego (włączyć Toggle Cursor i
przycisnąć Cursor Trough).
5. Obliczyć częstotliwość środkową filtru TT stosując wzór:
6. Otrzymać charakterystyki częstotliwościowe filtrów typu TT o optymalnie
dobranych parametrach (tzn.: R1=R2, R3=0.5R1, C1=C2, C3=2C1); w
przypadku badanego filtru R3=1k, C3=2u.
7. Dobrać elementy filtru z Rys.4, dla którego częstotliwość środkowa wynosi
. W celu potwierdzenia poprawności obliczeń wykonać symulację
takiego filtru, otrzymane wyniki zapisać.
8. Sprawdź w jakim zakresie zmienia się przesunięcie fazowe wprowadzone
przez filtr TT przedstawiony na Rys.5.
Rys.5. Schemat filtru TT.
Instytut Fizyki | Akademia Pomorska w Słupsku
Filtr głośnikowy LCR (zwrotnica)
1. Narysować filtr głośnikowy wg Rys.6, dla źródła V1 (VSRC) AC=1.
Rys.6. Schemat zwrotnicy.
2. Przeprowadzić analizę AC Sweep zwrotnicy. W celu otrzymania
charakterystyk częstotliwościowych wprowadzić następujące parametry:
3. Obliczyć częstotliwość rezonansową układu z Rys.6, a następnie odczytać
częstotliwość rezonansową w okienku Probe Cursor.
4. Odczytać maksymalną wartość prądu i porównać ją z wynikiem obliczeń.
5. Sporządzić wykres zależności impedancji wejściowej od częstotliwości. W
oknie programu z wykresami wybrać Trace  Add Trace… i w oknie
dialogowym wpisać V(we)/I(V1) i potwierdzić OK.
6. Sporządzić wykres zależności wzmocnienia napięciowego od częstotliwości
w paśmie akustycznym (od 20 Hz do 20 kHz): Trace  Add Trace…, w oknie
dialogowym wpisać V(wy)/V(we) i potwierdzić OK.
7. Sporządzić wykres zależności przesunięcia fazowego od częstotliwości w
paśmie akustycznym (od 20 Hz do 20 kHz): Trace  Add Trace…, w oknie
dialogowym wpisać P(V(Wy)) i potwierdzić OK.
Instytut Fizyki | Akademia Pomorska w Słupsku