Техническое задание на контрольную работу по дисциплине Электроника Вариант 46 Разработка принципиальной схемы активного фильтрующего устройства
 Скачать 221.69 Kb.
|
|
Техническое задание на контрольную работу по дисциплине «Электроника» Вариант №46 «Разработка принципиальной схемы активного фильтрующего устройства» Целью данной работы является разработка принципиальной схемы активного фильтрующего устройства, отвечающего следующим техническим требованиям: Тип фильтра – фильтр нижних частот; Вид аппроксимации амплитудно-частотной характеристики – Чебышева; Порядок фильтра – 6; Требования к полосе пропускания – частота среза равна 600 Гц, максимальное затухание составляет 0,5 дБ; Требования по входу – вход потенциальный симметричный, входное сопротивление не менее 30 кОм, амплитуда входного сигнала не более 150 мВ; Требования по выходу – выход потенциальный симметричный, сопротивление нагрузки не менее 5 кОм, амплитуда выходного сигнала не более 7 В; Дополнительные требования – диапазон рабочих температур от -200С до + 500С, со стороны источника питания с внутренним сопротивлением 2,5 Ом действует помеха с частотой более 25 кГц. Необходимо обеспечить независимость коэффициента передачи постоянной составляющей фильтрующего каскада от точности изготовления резисторов. СодержаниеВведение 3 1 Обзор и анализ научно-технической информации 4 2 Расчёт схемы фильтра низких частот 11 2.1 расчёт фильтрующего каскада ФНЧ 11 2.2 Входной каскад 13 2.3 Выходной каскад 15 2.4 Фильтрация помех питания 16 2.5 Выбор микросхемы усилителя 17 3 Построение схемы активного фильтрующего устройства 19 Заключение 20 Список использованных источников 21 ВведениеЦелью данной работы является разработка принципиальной схемы активного фильтрующего устройства, отвечающего требованиям технического задания. Объект разработки - фильтр низких частот. Расчёт фильтра выполнен с использованием графоаналитического метода. В результате проделанной работы были разработаны структурная и электрическая принципиальная схемы фильтра низких частот, обеспечивающего заданные параметры. Выбрана элементная база фильтра. Результаты работы могут быть использованы разработчиками телекоммуникационных устройств. 1 Обзор и анализ научно-технической информацииЭлектрические фильтры – четырёхполюсники, обладающие избирательными свойствами; они пропускают токи в определённой полосе частот с наибольшим затуханием (полоса пропускания, или прозрачности), а токи с частотами, лежащими вне этой полосы, - с большим затуханием (полоса затухания или задерживания). В современной радиотехнике под фильтрацией сигналов на фоне помех понимают любое выделение параметров случайных процессов, отражающих полезную информацию (сообщение). Вместе с тем сохраняется и традиционное, более узкое представление о фильтрации, связанное с частотной селекцией сигналов. Под электрическим фильтром в традиционном смысле понимается цепь, обладающая избирательностью реакции на внешнее воздействие. Характеристики фильтра могут задаваться во временной или частотной областях, в последнем случае требования к фильтру обычно подразумевают определённую избирательность в заданном диапазоне частот. Электрические фильтры можно классифицировать по различным признакам. По способу построения и используемой элементной базе различаются следующие типы фильтров: фильтры на сосредоточенных элементах (LC-фильтры), кварцевые и керамические, электромеханические фильтры, фильтры на отрезках длинных линий (СВЧ-фильтры), активные RC-фильтры на сосредоточенных и распределённых элементах, коммутируемые и цифровые фильтры, фильтры на поверхностных акустических волнах. В зависимости от диапазона частот, пропускаемых фильтром, различают фильтры: нижних частот, полоса пропускания которых лежит в диапазоне от f=0 до некоторой частоты среза f0; верхних частот, полоса пропускания которых находится в диапазоне от f= fср доf=∞; полосовые, полоса пропускания которых лежит в диапазоне от f= fср1 до f= fср2; заграждающие, полоса пропускания которых находится в диапазоне от f=0 до f= fср1, и от f= fср2 до f=∞, т.е. эти фильтры не пропускают сигналы, частоты которых лежат в диапазоне от f= fср1 до f= fср2; ФНЧ традиционно применяют для улучшения сигнал/шум сигнального тракта за счёт подавления помех с частотами выше, чем верхняя граница полосы частот информационного сигнала. ФНЧ также широко применяют для подавления высокочастотных помех в цепях питания и сигнальных цепях в целях обеспечения электромагнитной совместимости аппаратуры. ФНЧ могут быть как аналоговые, так и цифровые. Аналоговые ФНЧ бывают активными (требуют дополнительной энергии питания для своей работы) и пассивными (не требуют дополнительной энергии питания). Активный аналоговый ФНЧ использует микроэлектронную технологию (типично: операционные усилители), пассивный аналоговый ФНЧ может быть сделан как на пассивных электронных компонентах (RC-фильтр, RLC-фильтр), так и с использованием пьезоэффекта, кварцевых резонаторов, объёмных резонаторов и прочих физических резонансных принципов[1]. Цифровые ФНЧ (фильтр цифрового сигнала) – это большое семейство вычислительных алгоритмов ЦОС. Принципиально цифровой фильтр может быть рекурсивным (с обратными связями в своём алгоритме) и нерекурсивным (без обратных связей). Принципиально, что АЧХ цифрового фильтра на частотной оси периодична: в частности, выше половины частоты дискретизации начинается зеркальная АЧХ цифрового фильтра. Основные характеристики физически реализуемого ФНЧ: Частота среза. Неравномерность в полосе частот пропускания, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). Групповая задержка фильтра, фазочастотная характеристика (ФЧХ). Динамический диапазон. Рабочий диапазон сигнала в полосе частот пропускания. Рабочий диапазон сигнала в полосе частот подавления. На АЧХ стоит остановиться отдельно, поскольку она довольно коварна. Любой физически реализованный фильтр всегда имеет реальный конечный диапазон сигнала, при котором он способен корректно выполнять свою функцию. При превышении этого диапазона, в зависимости от технологии фильтра, может наступить ограничение, сложное искажение сигнала и прочие нелинейные эффекты. Но на практике данные эффекты легко идентифицировать в полосе пропускания ФНЧ, но довольно тяжело диагностировать в полосе подавления, поскольку значительная часть искажённого сигнала эффективно подавляется, а остальная часть – может вызвать странные эффекты. Таким образом, о непревышении рабочего диапазона сигнала в полосе подавления нужно помнить в реальных условиях применения ФНЧ. При проектировании электронных устройств, в т.ч. и для аналоговых (АЭУ) и для проверки результатов проектирования используется множество компьютерных программ и программных пакетов для схемотехнического моделирования[2]. Соответственно и методик расчёта схем также достаточно много. Вот некоторый из таких программных пакетов: OrCad, Electronics WorkBench (EWB), MultiSim, MicroCap. Эти программные пакеты могут быть использованы для широкого класса электронных схем, как аналоговых, так и цифровых. В них могут быть включены библиотеки большинства стандартных элементов схем, выпускаемых промышленностью. Также существует множество более узко специализированных программ, используемых только в конкретных ситуациях и для конкретных устройств. Например, только для расчёта трансформаторов, или разветвлённых резисторных цепей, или усилительных каскадов. Так же для проектирования и моделирования электронных устройств возможно использовать математические программные пакеты, такие как MathCad и MatLab (с модулем SimuLink у последнего). При синтезе необходимой передаточной характеристики фильтра встаёт вопрос выбора оптимальной аппроксимирующей. Соответственно, различают три основных типа аппроксимации: Чебышева, Бесселя и Баттерворта. При синтезе передаточной характеристик фильтра важен наклон характеристики, который необходимо обеспечить в области задерживания колебаний. Наклон характеристик определяет порядок фильтра. Порядок фильтра - это количество полюсов его характеристики. Каждый полюс обеспечивает наклон в 6 дБ на октаву. Современные фильтры, выполняются на активных элементах. Что позволяет совмещать частотную фильтрацию с усилением. Часто в качестве активного элемента используется операционный усилитель, совмещающий в себе возможность создания компактных схем и использования в высококачественной аппаратуре [3]. Вариантов схем на ОУ - великое множество. Рассмотрим некоторые из них и приведём их достоинства и недостатки. Схемы фильтров порядка выше двух содержат большое количество пассивных элементов, сложны в настройке, поэтому на практике они используются редко [4]. Наиболее простыми звеньями 2-го порядка, используемыми для построения ФНЧ, являются схемы, содержащие один ОУ. На рисунке 1 приведена схема звена на основе неинвертирующего усилителя, называемого также звеном с управляемым источником напряжения (УИН-звено) или звеном Саллен-Ки [4].  Рисунок 1 В этой схеме используется положительная обратная связь через ёмкость С1, действие которой увеличивается с ростом частоты. На частотах, превышающих c, увеличивается фазовый сдвиг выходного напряжения, что приводит к изменению характера действия обратной связи и способствует спаду АЧХ. Коэффициент усиления звена равен 2. Выбор одинаковых емкостей весьма желателен по соображениям стабильности схемы и её меньшей чувствительности к вариациям параметров фильтра. Если для звена требуется единичное усиление, то можно модифицировать схему Саллен-Ки путём разбиения её на два каскада (рисунок 2).  Рисунок 2 Это потребует ещё одного ОУ, на базе которого реализуется петлевое усиление равное двум, как и в предыдущей схеме. Однако выходное напряжение снимается с выхода повторителя, и поэтому коэффициент усиления равен 1. Данная схема обладает весьма важным для ФНЧ качеством: точность резисторов не влияет на коэффициент передачи постоянной составляющей. На рисунке 3 показано звено с многоконтурной обратной связью (схема Рауха). ОУ охвачен отрицательной обратной связью через R2 и С2.  Рисунок 3 Для фильтров чётного порядка, построенных на базе схемы Рауха и имеющих нечётное значение n/2, фаза выходного сигнала будет инвертирована. Недостатком данного звена является более низкое входное сопротивление, особенно на высоких частотах. Достоинством является устойчивость звена и высокая стабильность характеристик. Схемы Саллен-Ки и Рауха рекомендуется применять при невысокой добротности звеньев. Данные схемы пригодны для построения ФНЧ Баттерворта, Чебышева и Бесселя. Фильтры Кауэра и инверсные фильтры Чебышева нижних частот можно реализовать на базе биквадратного звена, которое пригодно также и для рассмотренных выше фильтров, то есть является универсальным. Звено содержит два интегратора и инвертирующий сумматор, охваченные общей обратной связью (рис.4). Схема имеет два выхода и, соответственно, две ПФ. По второму выходу реализуются ПФ фильтров Баттерворта, Чебышева и Бесселя при соответствующем выборе параметров схемы. Биквадратная схема может использоваться для высокодобротных звеньев, так как обладает низкой чувствительностью к вариациям параметров элементов.  Рисунок 4 2 Расчёт схемы фильтра низких частотКак следует из ТЗ, в работе необходимо рассчитать ФНЧ с видом аппроксимацией передаточной функции Чебышева. Передаточная функция всего устройства в целом получается перемножением ПФ каскадно-включённых последовательно блоков: К1(p) – входного каскада, согласующего источник сигнала с фильтрующим каскадом; K2(p) – фильтрующего каскада, который в свою очередь также является каскадным соединением звеньев второго порядка (в нашем случае); К3(р) – выходного каскада, связывающего выход фильтрующего каскада с нагрузкой. Перейдём к расчёту указанных блоков, начиная с основного фильтрующего каскада. 2.1 расчёт фильтрующего каскада ФНЧВ ТЗ указано, что схема должна обеспечивать независимость коэффициента передачи постоянной составляющей от точности изготовления резисторов, поэтому для реализации фильтра выбираем схему Сален-Ки (рисунок 1), передаточная функция (ПФ) такого звена имеет вид [3]:
при условии  и  ПФ (1) упрощается до вида:
Среди исходных данных для расчёта данной части фильтра необходимы порядок фильтра (6), частота среза (fс = 600 Гц), и коэффициент усиления в полосе пропускания фильтра (К), который может быть найден из требований к входному и выходному сигналу. По условиям ТЗ амплитуда выходного сигнала должна удовлетворять условию Uвых ≤ 7 В, а амплитуда входного сигнала следующему условию Uвх ≤ 150 мВ, откуда можно найти максимальный коэффициент усиления схемы:  С учётом того, что ФНЧ 6-го порядка получается каскадным включением трёх звеньев второго порядка, то коэффициент усиления каждого звена можно принять равным:  Используя приложения [3] и исходные данные (порядок фильтра n = 6 и максимальное затухание в полосе пропускания A = 0.5 дБ), находим нормированные значения коэффициентов ПФ, их значения сведём в таблицу 1. Таблица 1
Значение емкостей С1 (рис.1) выбирается для всех звеньев одинаковым следующим образом:  , мкФ.Из стандартного ряда выбираем величину ёмкости 18 нФ. Значение ёмкости С2 выбирается из условия (3).
Для расчёта номиналов резисторов звеньев используются выражения (4) – (7) [4].
Используя приведённые выше выражения, вычислим номиналы элементов звеньев, результаты расчётов сведём в таблицу 2, где, кроме того будут указаны выбранные номиналы из стандартного ряда емкостей и доступные соответствующие им элементы [5]. Таблица 2
2.2 Входной каскадВ соответствии с ТЗ вход должен быть потенциальным симметричным. Для его реализации можно использовать схему дифференциального усилителя с единичным коэффициентом усиления (рисунок 5).  Рисунок 5 В случае, когда R1 = R2 = R3 = R4, тогда коэффициент усиления схемы будет равен нулю, примем значение сопротивлений равным 30 кОм. 2.3 Выходной каскадВ соответствии с ТЗ выход должен быть потенциальным симметричным. Для его реализации нагрузку включают между двумя выходами двух инвертирующих усилителей, как на рисунке 6.  Рисунок 6 Так как коэффициент усиления схемы должен быть равен нулю, то все резисторы схемы должны быть равны R1 = R2 = R3 = R4 = 10 кОм. Так как выходной ток удовлетворяет iн ≤ 7/5 = 1,2 мА, то дополнительного усиления не требуется. 2.4 Фильтрация помех питанияНа выходе источника питания с внутренним сопротивлением Re = 2,5 Ом присутствует помеха частотой более fp = 25 кГц. Для фильтрации данной помехи можно использовать простейший ёмкостной фильтр, номинал ёмкости может быть найден из соотношения: 1/(ω·Сf) << Rе, следовательно, величина фильтрующей ёмкости должна удовлетворять условиям:  , Ф.Выбираем керамический конденсатор 1210 X7R 3.3мкФ 50В 10%, GRM32DR71H335KA88L. 2.5 Выбор микросхемы усилителяДля построения схемы активного фильтрующего устройства выбираем микросхему двухканального операционного усилителя LM2904NG от ON Semiconductor. Технические параметры данной микросхемы приведены ниже [5]: Тип усилителя: общего применения Кол-во каналов: 2 Скорость нарастания выходного сигнала, В/мкс: 0.6 Частота единичного усиления, МГц: 1 Токовое смещение на входе, нА: 45 Напряжение смещения на входе, мкВ: 2000 Ток собственного потребления, мА: 1.5 Выходной ток на канал, мА: 40 Напряжение питания однополярное(+)/двуполярное (±), В: +3...32, ±1.5...16 Рабочая температура, °C: -40…+105 Корпус: DIP-8 (0.300 inch) Вес, г 1 Как видно из приведённых выше данных, выбранная микросхема удовлетворяет как предъявляемому температурному диапазону, так и току нагрузки, а частота единичного усиления не ограничивает частотный диапазон работы ФНЧ. На рисунке 7 приведена цоколёвка выбранной микросхемы.  Рисунок 7 3 Построение схемы активного фильтрующего устройстваТаким образом структурная схема разрабатываемого устройства будет состоять из трёх блоков: входного каскада, фильтрующей цепи и выходного каскада. Для построения итоговой схемы потребуется 1 ОУ на входной каскад, 3 ОУ на фильтрующую цепь и 2 ОУ на выходной каскад. Итого 6 ОУ или 3 двухканальных микросхемы LM2904NG. Фильтрующие ёмкости желательно устанавливать у каждого из питающих выводов микросхем, следовательно, необходимо 6 фильтрующих емкостей. В итоге, схема активного фильтрующего устройства будет выглядеть так, как показано на рисунке 8.  Рисунок 8. Приведённая на рисунке 8 схема электрическая принципиальная, а также перечень элементов к ней оформлены отдельно в соответствии со стандартами ЕСКД. ЗаключениеВ результате проделанной работы изучены и освоены методы проектирования активных фильтров на операционных усилителях; разработан фильтр низких частот 6-ого порядка с заданными характеристиками. Был произведён подробный анализ разнообразных схем фильтров с указанием достоинств и недостатков конкретных схем, на основании чего была выбрана наиболее оптимальная схема. Разработанный фильтр является активным, с использованием операционных усилителей. Для каждого каскада фильтра использовалась схема ФВЧ на звеньях Сален-Ки. Выбрана элементная база в соответствии с существующими стандартами. Оформлена схема электрическая принципиальная и перечень элементов к ней. Таким образом, данный курсовой проект полностью отвечает заданию на проектирование. Список использованных источниковБобров, И. И. Расчет дискретных и микроэлектронных усилителей: учеб. пособие / И. И. Бобров, Пермск. гос. техн. ун-т. - Пермь, 1998. Теряев, Б.Г. Проектирование и расчет усилителей: учеб. пособие / Б.Г. Теряев, М.И. Попова. - М., 1993. Лустенберг, Г. Е. Активные фильтры: Методические указания к расчетно-графической работе по дисциплине «Электроника» / Джонсон Д., Джонсон Дж., Мур Г. Справочник по активным фильтрам. Пер. с анrл. - М.: Энерrоатомиздат, 1983. -128 с. https://www.chipdip.ru/ Хоровиц, П. Искусство схемотехники: в 3 т. Т. 1 / П. Хоровиц, У. Хилл; пер. с англ. Б. Н. Бронина и др. - М.: Мир, 1993 (1998, 2001, 2003). Абрамов К.Д. Схемотехника устройств на операционных усилителях / К.Д. Абрамов, С.К. Абрамов. - Уч. пособие. - Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. Авиац.ин-т»: уч. пособие. 2008 - 77 с. Абрамов К.Д. Основы схемотехники / К.Д. Абрамов, С.К. Абрамов. - Уч. пособие. - Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. Авиац.ин-т» 2006 - 88 с. Абрамов К.Д. Схемотехника дифференциальных и выходных усилительных устройств / К.Д. Абрамов, С.К. Абрамов. - Уч. пособие. - Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. Авиац.ин-т» 2007 - 71 с. Схемотехника аналоговых электронных устройств. Версия 1.0 [Электронный ресурс] : метод. указания по курсовому проектированию / сост. А. Г. Григорьев. - Электрон. дан. (1 Мб). - Красноярск : ИПК СФУ, 2008. Схемотехника аналоговых электронных устройств: метод. указания по курсовому проектированию / сост. Н.Г. Захаров, В.В. Тетерко. - Ульяновск: УлГТУ, 2012. Опадчий, Ю. Ф. Аналоговая и цифровая электроника: учеб. для студ. вузов /Ю. Ф. Опадчий, О. Г. Глудкин, А. И. Гуров; под ред. О. П. Глудкина. - М.: Горячая Линия-Телеком, 2003. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
,
.
.
.
.
.
.