Выбор ФНЧ

10.6.2 Выбор ФНЧ

При вводе сигналов, снимаемых с датчиков в виде аналоговых напряжений, часто необходимо исключать прохождение высокочастотных помех на вход АЦП, которое формирует цифровой сигнал для микропроцессорного устройства обработки информации. Для этого используют активные фильтры нижних частот (ФНЧ).

На рисунке 10.52 приведены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) идеального и реального ФНЧ.

Рисунок 10.52

Диапазон или полоса частот, в которых сигналы проходят с минимальным затуханием, называется полосой пропускания, а диапазон, в котором сигналы подавляются, образуют полосу задерживания. Более толстой линией на рисунке 10.52 показана логарифмическая АЧХ идеального ФНЧ с полосой пропускання 0£ω£ωc и полосой задерживания ω>ωc. Частота ωc между этими полосами называется частотой среза. Значение А, дБ, идеального ФНЧ в полосе пропускания равно А0, а в полосе задерживания – нулю. На практике невозможно реализовать эту идеальную характеристику, поскольку потребуется сформировать очень узкую переходную область.

АЧХ реальных АФ ближе приближаются к идеальным для фильтров более высокого порядка. Однако, повышение порядка связано с усложнением схем и более высокой стоимостью.

Основная проблема при проектировании фильтра заключается в приближении реальной АЧХ с заданной степенью точности к идеальной при наименьших затратах. Пример такой реальной характеристики показан на рисунке более тонкой линией.

На практике должны быть определены и четко разграничены полосы пропускания и задерживания. В качестве полосы пропускания выбирается диапазон частот, где значение АЧХ больше или равно некоторого, заранее выбранного числа, обозначенного А1, а полосу задерживания образует диапазон частот, в котором амплитуда меньше определенного значения, например, А2. Интервал частот, в котором характеристика постоянно спадает, переходя от полосы пропускания к полосе задерживания, называется переходной областью. Изображенная на рисунке 10.52 АЧХ реального фильтра имеет полосу пропускания в диапазоне частот 0£ω£ωc, полосу задерживания в диапазоне ω£ωc и переходную область в диапазоне ωc£ω£ω1.

Одной из основных задач, решаемых при проектировании АФ, является отыскание аналитической аппроксимирующей функции, которая с требуемой точностью воспроизводит заданную по условиям АЧХ.

Существует несколько типов стандартных типов фильтров, которые могут использоваться для аппроксимации заданных АЧХ проектируемых АФ: фильтры Баттерворта, Чебышева, инверсные Чебышева и эллиптические.

Фильтры Баттерворта обладают монотонной (максимально плоской ) АЧХ; АЧХ фильтра Чебышева содержит пульсации (колебания коэффициента передачи) в полосе пропускания и монотонна в полосе задерживания; АЧХ инверсного фильтра Чебышева монотонна в полосе пропускания и обладает пульсациями в полосе задерживания, а АЧХ эллиптического фильтра обладает пульсациями как в полосе пропускания, так и в полосе задерживания.

Одним из основных методов проектирования АФ, у которых значение порядка n>2, являются каскадное соединение звеньев 1-го и 2-го порядков, что позволяет получить фильтр любого высокого порядка.

Как видно из рисунка 10.53 каскадное соединение фильтров 1-го и 2-го порядков дает фильтр 3-го порядка, каскадное соединение двух фильтров 2-го порядка дает фильтр 4-го порядка и т.д. Увеличивая число соединяемых фильтров 1-го и 2-го порядков, можно получить фильтр любого нужного нам порядка.

Рисунок 10.53

Фильтры четных порядков строятся из n/2 каскадов 2-го порядка, где n- порядок фильтра. Суммарный коэффициент передачи АФ, собранного каскадным соединением фильтров 1-го и 2-го порядков, равен произведению коэффициентов передачи исходных звеньев.

Существует несколько способов схемной реализации АФ: на ИНУН, биквадратный фильтр и другие.

Одной из наиболее простых схем АФ, реализующей требуемые передаточные функции отдельных звеньев фильтра, является схема с многопетлевой обратной связью (МОС) (рисунок 10.54).

Рисунок 10.54

Схема имеет такое название потому, что она содержит два пути прохождения сигнала обратной связи: через резистор и через конденсатор.

Фильтр с МОС имеет хорошую стабильность характеристик, низкое входное сопротивление и может эффективно применяться для значений коэффициента усиления, не превышающего 10.

На кафедре АУТС разработан пакет прикладных программ для расчета активных фильтров, который может быть использован в данной работе. В качестве схемы выбран фильтр с МОС.

10.6.3 Расчет ФНЧ

Исходные данные для расчета:

АЧХ ФНЧ должна быть монотонной в полосе пропускания и в полосе задерживания.

Коэффициент усиления К=1.

Частота среза fc=10Гц.

Максимальное затухание в полосе пропускания a1=3дБ.

Минимальное затухание в полосе задерживания a2=20дБ.

Ширина переходной области Тwнч=10Гц.

Эти данные были введены в программу расчета фильтра, которая определила, что заданным значениям удовлетворяет фильтр Баттерворта 4-го порядка. Его принципиальная схема показана на рисунке 10.55 и включает два звена 2-го порядка, реализованные на ИМС ОУ: DA1,DA2.

Рисунок 10.55

Расчетный порядок фильтра – 4.

Добротность: звено1 – 0.541196, звено2 – 1.306563

Значения элементов:

звено1: R1=34,8 кОм; R2=34,8 кОм; R3=1,74 кОм; С1=422 нФ; С2=1 мкФ;

звено2: R4=82,5 кОм; R5=82,5 кОм; R6=41,2 кОм; С3=73,2 нФ; С4=1 мкФ.

На рисунке 10.56 приведены характеристики: отдельных звеньев ФНЧ; АЧХ идеального ФНЧ, соответствующая расчетным значениям его компонентов без их округления; АЧХ реального ФНЧ, соответствующая реальным значениям компонентов схемы, полученным после их округления к конкретному стандартному ряду электронных элементов Е96.

1,3,5 – реальные характеристики всего фильтра, 1-го и 2-го звеньев

2,4,6 – теоретические характеристики всего фильтра, 1-го и 2-го звеньев

Рисунок 10.56

Похожие работы

Цифровая схемотехника

Скачать

100365

3

18

... правило, выполняется в виде одной «большой» ИМС. Схемотехника является частью микроэлектроники, предметом которой являются методы построения устройств различного назначения на микросхемах широкого применения. Предметом же цифровой схемотехники являются методы построения (проектирования) устройств только на цифровых ИМС. Особенностью цифровой схемотехники является широкое применение для описания ...

Интегральные логические элементы

Скачать

35831

55

44

осхемы К155ЛА3 (4 логических элемента 2И-НЕ). Принцип работы ЛЭ И-НЕ ТТЛ Основная особенность микросхем ТТЛ состоит в том, что во входной цепи используется специфический интегральный прибор – многоэмиттерный транзистор (МЭТ), имеющий несколько эмиттеров, объединенных общей базой. Эмиттеры расположены так, что непосредственное взаимодействие между ними через участок базы отсутствует. Поэтому МЭТ ...

Схемотехника ЭВМ

Скачать

38073

13

21

... . Минимальное количество листов графических работ формата А1 — два. Графические документы выполняются карандашом или черной тушью на листах ватмана формата А1. Возможно выполнение чертежей с применением ЭВМ. Допускается использовать формат А2. Листы нумеруются. Номер помещается в верхнем левом углу листа. Допускается выполнять номера на отдельных листах бумаги, которые прикрепляются во время ...

Разработка печатной платы устройства управления питания компьютерной системы

Скачать

34672

3

0

устройств вычислительной техники. Задачи проекта: Разработать печатную плату устройства управления питания компьютерной системы, произвести выбор и обоснование технологического процесса изготовления печатной платы, с исходными данными к проекту: схема электрическая принципиальная. Объём и содержание расчётно-пояснительной записки и графических работ произвести согласно техническому заданию. ...