Первое звено

Добротность:

Резонансная частота: f_p=8091,56722Гц

В соответствии с этой величиной добротности выбираем и рассчитываем среднедобротную (до 20) НЧ цепь:

Выбираем значения элементов C₂, C₄:

C₂=2*10^-7 Ф С₄=100*10^-9 Ф

Рисунок 3. Схема первого среднедобротного звена

Для минимального ПУЧ:

Второе звено:

Добротность: q_p=1.811

Резонансная частота: f_p=6144,969Гц

В соответствии с этой величиной добротности выбираем и рассчитываем низкодобротную (до 2) НЧ цепь:

Выбираем значения элементов С₂, С₄:

С₂=10*10^-6 Ф, С₄=100*10^-9Ф

Рисунок 4. Схема второго низкодобротного звена

Третье звено:

Добротность: q_p=0,684

Резонансная частота: f_p=3169,831Гц

В соответствии с этой величиной добротности выбираем и рассчитываем низкодобротную (до 2) НЧ цепь:

Выбираем значения элементов С₂, С₄:

С₂=2*10^-7 Ф, С₄=100*10^-9Ф

Рисунок 5. Схема третьего низкодобротного звена

После того, как все звенья посчитаны, составим полную схему фильтра в соответствии с основным требованием: первым ставится звено с наименьшей добротностью. Получим:

Рисунок 6 Принципиальная электрическая схема фильтра

Хотелось бы сделать одно замечание, чтобы не путаться далее. Первым мы поставили 3-е звено, т.к. оно является самым низкодобротным из всех трех. Вторым осталось второе и последним – первое. Мы установились так и далее, все исследования будут проводиться в этом порядке.

Исследование фильтра в программной среде Micro Cap

В этом пункте мы моделируем работу фильтра в программной среде Micro Cap 8.

Используя стандартные возможности программы, построим принципиальную схему в рабочей области:

Рисунок 7. Принципиальная схема в программной среде Micro Cap 8

Далее, исследуем частотные характеристики фильтра. На вход ставим генератор синусоидального напряжения (параметры сигнала нам не столь важны) V. Пользуясь инструментом Анализ/Частотные характеристики построим четыре частотные характеристики в логарифмическом масштабе: 3-го звена, 2-го звена, 1-го звена и всего фильтра.

Рисунок 8. Амплитудно-частотная характеристика 3-го звена фильтра

Это звено у нас низкодобротное, график совпадает с характеристикой, полученной с помощью программной среды Math Cad

Рисунок 9. Амплитудно-частотная характеристика 2-го звена фильтра

Параметры этого звена тоже соответствуют допустимым значениям. Резонансная частота f_p=5731 Гц уровень усиления N=5,389дБ. При расчете, резонансная частота составила f_p=6144,969Гц

Рисунок 10. Амплитудно-частотная характеристика 1-го звена фильтра

Резонансная частота 3-го звена f_p=8104Гц, а уровень усиления N=22,836дБ. При расчете, резонансная частота составила f_p=8091,567Гц

На рисунке 11 изображена АЧХ НЧ фильтра Чебышева. Данная частотная характеристика, как уже выяснялось, является суммой частотных характеристик всех звеньев.

Рисунок 11. Амплитудно-частотная характеристика всего фильтра

Визуально можно сопоставить частотную характеристику, определенную в программной среде Micro Cap (рис 12) и математическом пакете Math Cad (рис 3). Видно, что амплитудно-частотные характеристики находятся в той же частотной области и динамическом диапазоне.

Выбор элементов и требования к источнику питания

Для подготовки устройства к сборке необходимо заменить рассчитанные значения величин элементов на реально существующие, согласно с номинальным рядом. Существуют, так называемые, номинальные ряды значений E6, E12, E24, E48 и т.д. в зависимости от шага между табличными значениями, т.е. выбор значений элементов происходит с какой-либо погрешностью. Также, элементы различают еще по собственной погрешности, именуемой допуском. Мы ограничились элементами из рядов E6, E12 и E24 и допуском 5% и 10%.

Далее, заменим значения элементов, найденных по алгоритмам, на номиналы - значения из ряда номинальных значений, и построим еще раз амплитудно-частотную характеристику, чтобы удостоверится в достоверности замены. Перечень элементов приведен в чертеже на листе 3.

Рисунок 13. Принципиальная схема фильтра с элементами из номинального ряда

Некоторые элементы были подобраны для получения наиболее правдоподобного вида АЧХ. Элементы операционных усилителей (ОУ) в этом примере, как и в предыдущем, мы взяли идеальными. Это аргументировано тем, что большинство реальных ОУ работают с нормированным коэффициентом усиления на достаточном диапазоне звуковых частот. Оценивая визуально амплитудно-частотную характеристику, можем говорить о достаточной достоверности замены.

При заданной точности в дБ расхождение АЧХ номинальной схемы от АЧХ реальной схемы составило дБ. Данное расхождение можно оговорить лишь той причиной, что выбранные номиналы резисторов соответствуют ряду номинальных значений резисторов Е12 с грубыми отклонениями до от номинальных значений..

Рисунок 14 Амплитудно-частотная характеристика фильтра с номинальными элементами

Требования к источнику питания устанавливались с расчетом характеристики операционных усилителей. В данной схеме в качестве операционного усилителя используем интегральную микросхему TL072. Данная ИС используется во многих иностранных схемах звуковых трактов в пределах низких и средних частот, а также в темброблоках. Интегральная микросхема работает в пределах постоянного тока (Более подробная характеристика ИС представлена в приложении). Данный фильтр можно питать стабилизированным блоком питания (широко распространены в бытовой технике) 9 В постоянного тока с максимальным входным током не более 500 мА. Один из вариантов схем блока питания представлена ниже:

Рисунок 15. Пример простого стабилизированного выпрямительного блока питания

Чертеж схемы и разводка печатной платы

Чертеж электрической схемы выполнен на листе формата А3 в соответствии с требованиями ГОСТа. Спецификация оформлена на листе А4 в соответствии с ГОСТом. Печатная плата проектировалась в программной среде Sprint Layout 4 вручную без использования автотрассировки и выполнена в двух видах: вид с монтажной стороны и вид оборотной стороны (со стороны дорожек).

Приложение

В данном приложении представлены даташит и характеристики интегральной микросхемы TL072 компании SGS-Thomson microelectronics.

Даташит:   1. Выход первого ОУ 2. Инверсный вход первого ОУ 3. Прямой вход первого ОУ 4. Питание 5. Прямой вход второго ОУ 6. Инверсный вход второго ОУ 7. Выход второго ОУ 8. Земля

Параметры и условия работы:

· Низкое потребление мощности

· Низкий уровень шумов

· Низкий коэффициент искажения гармоник 0.01%

· Напряжение питания

Ниже приведена схема одного из операционных усилителей

Частотные характеристики операционного усилителя:

Частотная характеристика ОУ при различном напряжении питания	Частотная характеристика ОУ при различных температурных условиях

Литература

1. Г. Мошиц, П. Хорн. Проектирование активных фильтров. М., «Мир», 1984

2. Активные RC-фильтры на операционных усилителях. Пер. с англ. под ред. Г.Н. Алексакова. М., «Энергия», 1974

3. П.Хоровиц, У.Хилл. Искусство схемотехники. Издание 5-е. М., «Мир», 1998

Дата добавления: 2014-12-24