Файл: Элементы расчета активного фильтра на операционном усилителе.doc
Добавлен: 10.11.2023
Просмотров: 72
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
СодержаниеВведение…………………………………………………………………….3Задание……………………………………………………………………...41. Классификация активных фильтров……………………………………52. Сравнительная оценка активных фильтров с пассивными фильтрами электронных устройств……………………….63. Расчет и выбор элементов схемы усилителя………………………….74. Расчет амплитудно-частотной характеристики……………………..10Заключение………………………………………………………………..11 Список литературы……………………………………………………….12 Приложение……………………………………………………………….13Введение Сегодня радиотехника – одна из важнейших отраслей науки и техники, имеющая впечатляющие достижения. Современная электронная техника работает в диапазонах мощностей от тысяч киловатт до долей ватта и на частотах от десятков герц до десятков гигагерц. Совершенствование техники требует развития элементной базы и внедрения новых схемных решений, широкого применения средств вычислительной техники. Важную роль в повышении эффективности работы радиосредств играет и научная организация эксплуатации радиооборудования, повышение квалификации и углубление профессиональной подготовки кадров, которым доверяется техника все возрастающей сложности . Курсовое проектирование является одним из важных направлений при подготовке студентов к самостоятельной инженерной деятельности. В процессе курсового проектирования студенты имеют возможность наиболее полно проявить свои индивидуальные способности и творчески применить полученные теоретические знания для решения конкретных инженерных задач. Основная задача курсового проектирования - закрепить полученные знания, содействовать сознательному их усвоению и осмысленному применению при решении поставленных задач. В данном курсовом проекте рассчитывается активный полосовой фильтр на операционном усилителе.ЗаданиеТема: «Элементы расчета активного фильтра на операционном усилителе»1. Исходные данные:- эктрическая схема полосового фильтра, рис.1- операционный усилитель – К140УД1А;
- коэффициент усиления на средней частоте – КU = 200;- нижняя частота сопряжения – fH = 60 Гц;- верхняя частота сопряжения – fB = 90 кГц;- напряжение входного сигнала– UСД = 0,6 В.- максимальный входной ток - IMAXC = 10мкА 2. Необходимо рассчитать:- величины R1, R2, R3;- величины емкостей конденсаторов С1, С2;3. Построить амплитудно-частотную характеристику фильтра при изменении частоты f в пределах от 0 Гц до 50000 кГц и сделать вывод о том, какие частоты пропускает фильтрРисунок 1 – Электрическая схема фильтра1. Классификация активных фильтровФильтры предназначены для пропускания определенных заданных частот, из всей полосы, поступающей на вход фильтра. Активные фильтры обычно строят на основе операционных усилителей (ОУ), кроме ОУ в схему фильтра входят резисторы и конденсаторы.По виду пропускаемых частот фильтры делятся на фильтры низких частот (ФНЧ) фильтры верхних частот (ФВЧ) и полосовые фильтры (ПФ)Через ФНЧ проходят все частоты, начиная с нулевой (постоянный ток) и до частоты среза . ФНЧ ослабляет все частоты, лежащие выше . Полосой пропускания ФНЧ называют диапазон частот от нуля до . Частотой среза называют частоту, на которой выходное напряжение фильтра уменьшается до уровня 0,707 ( - 3 дБ) от напряжения в полосе пропускания ФВЧ пропускает все частоты, начиная от и, теоретически, до бесконечности. Реально же верхний частный предел ограничен частотными свойствами элементов входящих в схему. ФВЧ ослабляет частоты, лежащие ниже .Полоса пропускания ПФ расположена между двумя граничными частотами
Входное сопротивлениеВеличины емкостей С1 и С2 выбирают так, чтобы в области средних частот они не оказывали влияния на частотную характеристику фильтра. Поэтому для этой области можно записать:Полученные выражения оказываются основными для расчета фильтра в области средних частот.Расчет начнем с выбора номинала резистора R1. Так как требования к определенной величине входного сопротивления фильтра на средних частотах не предъявляются, величину резистора выберем из условия минимального падения напряжения при протекании через него максимального входного тока операционного усилителя:Тогда: ОмВыбираем стандартное значение -5,1 кОмОпределяем мощность, рассеиваемую на данном резисторе: ВтВыбираем резистор МЛТ-0,125Вт-5,1кОм±5%Номинал резистора R2 рассчитаем из условия получения заданного в ТЗ коэффициента усиления на средних частотах: ОмВыбираем стандартное значение -1 МОм.Определяем мощность, рассеиваемую на данном резисторе: ВтВыбираем резистор МЛТ-0,125Вт-1,5МОм±5%Величина резистора R3 выбирается из условия равенства сопротивлений, подключенных к входам ОУ. Выбираем стандартное значение - 5,1 кОмОпределяем мощность, рассеиваемую на данном резисторе: ВтВыбираем резистор МЛТ-0,125Вт-5,1кОм±5%Емкость С1 совместно с сопротивлением R1 определяет нижнюю частоту сопряжения полосового фильтра:
Откуда можно определить величину С1:Принимаем стандартное значение – 0,51мкФ и выбираем конденсатор К73-11-63В-0,51мкФ±5% Емкость С2 совместно с сопротивлением R2 определяет верхнюю частоту сопряжения полосового фильтра:Откуда можно определить величину С1:Принимаем стандартное значение – 2 пФ и выбираем конденсатор К10-62-М47-2пФ±0,5% 4. Расчет амплитудно-частотной характеристикиРасчет амплитудно-частотной характеристики выполним в программе Matcad, воспользовавшись выражением: . Результаты расчета показаны на рис. 2Рисунок 2 – Амплитудно-частотная характеристикаПо виду АЧХ рассчитанного фильтра можно сделать вывод о том, что рассчитанный фильтр является полосовым, пропускающим средние частоты. ЗаключениеВ данной работе рассчитывался активный полосовой фильтр на операционном усилителе в инвертирующем включении.В результате работы были рассчитаны величины пассивных элементов фильтра и из стандартного ряда выбраны их номиналы. Рассчитана амплитудно-частотная характеристика фильтра.Разработанный фильтр удовлетворяет требованиям задания. Принципиальная схема фильтра и перечень элементов приведены в ПриложенииСписок литературы
- коэффициент усиления на средней частоте – КU = 200;- нижняя частота сопряжения – fH = 60 Гц;- верхняя частота сопряжения – fB = 90 кГц;- напряжение входного сигнала– UСД = 0,6 В.- максимальный входной ток - IMAXC = 10мкА 2. Необходимо рассчитать:- величины R1, R2, R3;- величины емкостей конденсаторов С1, С2;3. Построить амплитудно-частотную характеристику фильтра при изменении частоты f в пределах от 0 Гц до 50000 кГц и сделать вывод о том, какие частоты пропускает фильтрРисунок 1 – Электрическая схема фильтра1. Классификация активных фильтровФильтры предназначены для пропускания определенных заданных частот, из всей полосы, поступающей на вход фильтра. Активные фильтры обычно строят на основе операционных усилителей (ОУ), кроме ОУ в схему фильтра входят резисторы и конденсаторы.По виду пропускаемых частот фильтры делятся на фильтры низких частот (ФНЧ) фильтры верхних частот (ФВЧ) и полосовые фильтры (ПФ)Через ФНЧ проходят все частоты, начиная с нулевой (постоянный ток) и до частоты среза . ФНЧ ослабляет все частоты, лежащие выше . Полосой пропускания ФНЧ называют диапазон частот от нуля до . Частотой среза называют частоту, на которой выходное напряжение фильтра уменьшается до уровня 0,707 ( - 3 дБ) от напряжения в полосе пропускания ФВЧ пропускает все частоты, начиная от и, теоретически, до бесконечности. Реально же верхний частный предел ограничен частотными свойствами элементов входящих в схему. ФВЧ ослабляет частоты, лежащие ниже .Полоса пропускания ПФ расположена между двумя граничными частотами
- нижней частотой среза и 
- верхней частотой среза. Как и рассмотренные ранее фильтры, ПФ пропускает все частоты, лежащие в полосе пропускания и подавляет частоты, лежащие вне ее
2. Сравнительная оценка активных фильтров с пассивными фильтрами электронных устройств
Достоинства активных фильтров по сравнению с пассивными:
– активные фильтры не содержат катушек индуктивности, что приводит к уменьшению их габаритов и стоимости.
- по этой же причине характеристики активных фильтров более близки к идеальным;
– применение ОУ приводит к тому, что активный фильтр не вносит дополнительного ослабления сигнала и при необходимости могут усиливать сигнал в полосе пропускания;
– применение ОУ обеспечивает хорошую развязку входа и выхода;
Недостатки:
- необходимость в источнике питания (двуполярном);
- ограниченный рабочий диапазон частот.
3. Расчет и выбор элементов схемы усилителя
К расчету задан активный полосовой фильтр на операционном усилителе в инвертирующем включении. Эквивалентная схема показана на рис.1
Рисунок1 – Эквивалентная схема активного полосового фильтра
Где 
Назначение элементов схемы
С1 и R1 – элементы формирующие АЧХ фильтра в области нижних частот;
С2 и R2 – элементы формирующие АЧХ фильтра в области верхних частот;
R3 – балансировочное сопротивление, выравнивающее токи по входам и минимизирующее смещение.
DA1 – активный элемент, обеспечивает требуемый коэффициент усиления на средней частоте;
Коэффициент передачи такой схемы:
Входное сопротивлениеВеличины емкостей С1 и С2 выбирают так, чтобы в области средних частот они не оказывали влияния на частотную характеристику фильтра. Поэтому для этой области можно записать:Полученные выражения оказываются основными для расчета фильтра в области средних частот.Расчет начнем с выбора номинала резистора R1. Так как требования к определенной величине входного сопротивления фильтра на средних частотах не предъявляются, величину резистора выберем из условия минимального падения напряжения при протекании через него максимального входного тока операционного усилителя:Тогда: ОмВыбираем стандартное значение -5,1 кОмОпределяем мощность, рассеиваемую на данном резисторе: ВтВыбираем резистор МЛТ-0,125Вт-5,1кОм±5%Номинал резистора R2 рассчитаем из условия получения заданного в ТЗ коэффициента усиления на средних частотах: ОмВыбираем стандартное значение -1 МОм.Определяем мощность, рассеиваемую на данном резисторе: ВтВыбираем резистор МЛТ-0,125Вт-1,5МОм±5%Величина резистора R3 выбирается из условия равенства сопротивлений, подключенных к входам ОУ. Выбираем стандартное значение - 5,1 кОмОпределяем мощность, рассеиваемую на данном резисторе: ВтВыбираем резистор МЛТ-0,125Вт-5,1кОм±5%Емкость С1 совместно с сопротивлением R1 определяет нижнюю частоту сопряжения полосового фильтра:
Откуда можно определить величину С1:Принимаем стандартное значение – 0,51мкФ и выбираем конденсатор К73-11-63В-0,51мкФ±5% Емкость С2 совместно с сопротивлением R2 определяет верхнюю частоту сопряжения полосового фильтра:Откуда можно определить величину С1:Принимаем стандартное значение – 2 пФ и выбираем конденсатор К10-62-М47-2пФ±0,5% 4. Расчет амплитудно-частотной характеристикиРасчет амплитудно-частотной характеристики выполним в программе Matcad, воспользовавшись выражением: . Результаты расчета показаны на рис. 2Рисунок 2 – Амплитудно-частотная характеристикаПо виду АЧХ рассчитанного фильтра можно сделать вывод о том, что рассчитанный фильтр является полосовым, пропускающим средние частоты. ЗаключениеВ данной работе рассчитывался активный полосовой фильтр на операционном усилителе в инвертирующем включении.В результате работы были рассчитаны величины пассивных элементов фильтра и из стандартного ряда выбраны их номиналы. Рассчитана амплитудно-частотная характеристика фильтра.Разработанный фильтр удовлетворяет требованиям задания. Принципиальная схема фильтра и перечень элементов приведены в ПриложенииСписок литературы
-
Катаранов Б. А., Кузнецов М.А., Сиротинский И.Л. Электроника. Учнбно-методическое пособие к практическим занятиям. Серпухов,-2013 -
Катаранов Б. А., Электроника и электротехника. Раздел Элекктроника. Курс лекций. Серпухов, -2013