Курсовой проект по курсу: «Электронные цепи и микросхемотехника»

Федеральное агентство по науке и образованию РФ
Омский государственный технический университет
Энергетический институт
Кафедра ЭсПП (секция ПЭ)
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по курсу: «Электронные цепи и микросхемотехника»
Тема проекта: «Активный полосовой фильтр».

Выполнил:

студент гр. ПЭ - 415
Мингалёв С.В.
Проверил:
Лоткин В.О.

Омск – 2008

Федеральное агентство по науке и образованию РФ
Омский государственный технический университет
Энергетический институт
Кафедра ЭсПП секция ПЭ
ЗАДАНИЕ


Курсовой проект по курсу: Электронные цепи и микросхемотехника


Студент группы _ПЭ - 415___ тов. __Мингалёву С.В._
2008/2009 учебный год


Тема курсового проекта: Активный полосовой фильтр


Исходные данные: Центральная частота 80 кГц. Коэффициент усиления на резонансной частоте не менее 40 дБ. Полоса пропускания фильтра 10 кГц. Затухание вне полосы пропускания не менее 30 дБ/дек


Содержание проекта: пояснительная записка


Чертежи (листы)
1.
2.
3.
4.
5.


Разделы пояснительной записки:
Выбор и описание схемы, результаты моделирования, анализ схемы.


Основная рекомендуемая литература
Специальная и учебная техническая литература, Интернет.

Руководитель проектирования Лоткин В.О.

Зав. Кафедрой Бубнов А.В.
Студент Мингалёв С.В.
Дата выдачи:
СОДЕРЖАНИЕ

1. 
   Введение…………………………………………………………………….…….....4
   
2. 
   Выбор схемы активного полосового фильтра…………………..…………..…….6
   
3. 
   Расчет полосового фильтра…………….………………………….…………….....7
   
4. 
   Результаты моделирования…………………………………………………….......9
   
5. 
   Заключение…………………………………………………………………….......11
   
6. 
   Литература…………………………………………………………………………12
   

ВВЕДЕНИЕ

Активными называются фильтры, использующие для формирования частотной характеристики заданного вида как пассивные (в основном резисторы и конденсаторы), так и активные (усилительные) элементы. Применение усилительных элементов выгодно отличает активные фильтры от фильтров на пассивных элементах. К преимуществам активных фильтров в первую очередь следует отнести:
способность усиливать сигнал, лежащий в полосе их пропускания;
возможность отказаться от таких нетехнологических элементов, как индуктивности;
простота каскадного включения при построении фильтров высоких порядков;
легкость настройки.
Вместе с тем данному классу устройств свойственны следующие недостатки, ограничивающие их область применения:
невозможность использования в силовых цепях, например в качестве фильтров выпрямителей;
необходимость источника, предназначенного для питания усилителей;
ограниченный частотный диапазон, определяемый собственными частотными свойствами используемых усилителей.
Несмотря на перечисленные недостатки, активные фильтры находят широкое практическое применение.
Активные фильтры в зависимости от пропускаемого спектра классифицируются на:
низкочастотные фильтры;
высокочастотные фильтры;
полосовые фильтры;
режекторные (заградительные) фильтры.
Основным параметром фильтра является его полоса пропускания. Полоса пропускания определяется по уровню падения коэффициента передачи на 3 дБ.
Свойства электрических фильтров могут быть описаны передаточной функцией, которая равна отношению изображений по Лапласу выходного и входного сигналов фильтра.
Активные фильтры на основе операционных усилителей находят широкое применение во многих областях техники, например, в системах автоматики и управления, в системах передачи информации, в бытовой электронике и т. д. Кроме того, активные фильтры высокого порядка необходимо применять в случаях, когда сигналы преобразуются в цифровую форму для их дальнейшей обработки с помощью микропроцессоров или других цифровых систем (для ограничения спектра входного сигнала).
В рамках данного курсового проекта исследуется активный полосовой фильтр. Полосовые фильтры предназначены для выделения сигналов, частота которых лежит в пределах некоторой полосы . При этом он практически без ослабления пропускает сигналы, лежащие в этой полосе, и ослабляет сигналы, частоты которых лежат за пределами полосы пропускания. Области применения таких фильтров, к примеру, - многополосные регуляторы тембра (эквалайзеры), анализаторы спектра, кроссоверы и др.

ВЫБОР СХЕМЫ АКТИВНОГО ПОЛОСОВОГО ФИЛЬТРА

Выбор схемы осуществляется исходя из параметров фильтра, которые необходимо получить в результате моделирования. В частности затухание вне полосы пропускания должно составлять не менее 30 дБ/дек. При этом добротность фильтра должна оставаться относительно высокой. Поэтому целесообразно использовать схему фильтра второго порядка.

Для обеспечения хорошего затухания вне полосы пропускания фильтра при выполнении курсового проекта выбрана схема полосового фильтра второго порядка на основе схемы Саллена-Ки. Выбранная схема представлена на рис.1.

Рис.1. Схема полосового фильтра
Коэффициент усиления фильтра на резонансной частоте и добротность не являются независимыми друг от друга, что является недостатком схемы фильтра. Достоинство схемы – ее добротность зависит от параметра α, тогда как резонансная частота от этого параметра не зависит.
Необходимая резонансная частота фильтра - 80 кГц, полоса пропускания - 10 кГц. Данные обстоятельства ограничивают выбор ОУ, используемого для реализации фильтра. В частности, ОУ должен иметь полосу пропускания не менее 100 кГц
Один из ОУ, удовлетворяющих этому требованию - LF411С/301/TI, фирмы Texas Instruments. Полоса пропускания данного ОУ – 3МГц. [7]
Операционный усилитель LF411С/301/TI находится в стандартной библиотеке элементов tex_inst.lib, среды OrCAD 10.5
РАСЧЕТ ПОЛОСОВОГО ФИЛЬТРА

Передаточная функция полосового фильтра в общем виде может быть записана как [1]

, (1)
где K_P – коэффициент усиления фильтра на резонансной частоте;
Q – добротность фильтра.
Добротность фильтра определяется как отношение резонансной частоты к полосе пропускания:

Передаточная функция выбранного фильтра имеет вид:

Приравнивая коэффициенты данного выражения к коэффициентам передаточной функции (1), получим формулы для расчета параметров фильтра:
(2)

(3)
(4)

Согласно заданию, коэффициент усиления на резонансной частоте должен быть равен 100 (40 дБ). Исходя из этого, определим из (3) коэффициент α, при котором выполняется данное условие:

Добротность фильтра из (4) при этом равна:

Примем емкость конденсаторов, равной 105 пФ, и рассчитаем значения сопротивлений R, используя выражение (2):

Выбираем сопротивление R как сумму сопротивлений резисторов 16 кОм, 820 Ом и 10 Ом, а сопротивление 2R – как сумму сопротивлений 33 кОм, 620 Ом и 47 Ом.
Задавая сопротивление в цепи отрицательной обратной связи операционного усилителя равным R_OOC = R1(α - 1) = 2 кОм, определим значение сопротивления R1:
Ом
Выбираем сопротивление R₁ как сумму сопротивлений резисторов 1,1 кОм и 15 Ом.
Все сопротивления выбраны из стандартного ряда сопротивлений Е24.
Схема с выбранными параметрами элементов представлена на рис.2. Моделирование работы устройства произведено в среде OrCAD 10.5

Рис.2. Принципиальная схема проектируемого активного полосового фильтра
РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Амплитудно-частотная характеристика проектируемого фильтра представлена на рис.3.

Рис.3. Амплитудно-частотная характеристика проектируемого фильтра

Амплитудно-частотная характеристика, изображенная на рис.3, показывает, что для проектируемого фильтра резонансной является частота 81,68 кГц, причем коэффициент усиления на данной частоте равен 168,65, что соответствует усилению в 44,54 дБ.

Как известно, полоса пропускания фильтра определяется по уровню падения коэффициента передачи на 3 дБ, что в данном случае соответствует усилению входного сигнала в 10^(49,5-3)/20 = 119,4 раз. Определение полосы пропускания фильтра представлено на рис.3. Данный рисунок показывает, что ширина полосы пропускания для полосового фильтра равна кГц. Из рис.4 видно, что затухание вне полосы пропускания полосового фильтра равно 44,542-(-25,306) = 69,85 дБ/дек.



Рис.4. Затухание вне полосы пропускания фильтра

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной курсовой работе был исследован активный полосовой фильтр. В результате моделирования были получены следующие его параметры:

1. 
   Резонансная частота 81,681 кГц;
   
2. 
   Полоса пропускания 10,116 кГц;
   
3. 
   Коэффициент усиления на резонансной частоте 44,54 дБ;
   
4. 
   Затухание вне полосы пропускания фильтра 69,85 дБ/дек.
   

ЛИТЕРАТУРА

1. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. – М.: Издательский дом «Додэка XXI век», 2005. – 528 с.

2. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника (полный курс): Учебник для вузов. Под ред. О.П. Глудкина. – М.: Горячая линия – Телеком, 2003. – 768 с.: ил.
3. Щербаков В.И., Гнездов Г.И. Электронные схемы на операционных усилителях: Справочник. – К.: Техника,1983. – 213 с., ил.
4. Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для вузов. – 2-е изд., испр. – М.: Горячая линия – Телеком, 2003. – 320 с.: ил.
5. Мошиц Г., Хорн П. Проектирование активных фильтров: Пер. с англ. – М.: Мир, 1984. – 320 с., ил.
6. Ленк Дж. Электронные схемы: Практическое руководство. Пер. с англ. – М.; Мир, 1985. – 343 с., ил.
7. Материалы интернет-сайта http://www.datashift.com