Понятие об активных и пассивных фильтрах. Коэффициент сглаживания, расчет параметров фильтра. Фильтр с активным элементом

Вывод.

В ходе лабораторной работы мы изучили принцип действия и схем интеграторов, и дифференциаторов. Построили графики зависимости при С=0,1мкФ и С=0,01мкФ, а так же получили на осциллографе графики входного и выходного напряжения при синусоидальных и прямоугольных сигналах.

Ответы на контрольные вопросы.

1. Схемы дифференцирующего и интегрирующего операционного усилителя и их сравнительные характеристики приведены в основной части работы.

2. Общий сдвиг в петле обратной связи, включая сдвиг на 180° по инвертирующему входу, составляет 360°, и система оказывается неустойчивой. В худшем случае на выходе схемы появляется «звон», в худшем она возбуждается. Для стабилизации схемы в передаточную функцию вводится полюс за счет добавления резистора R_i.

3. Нет, не является. При слишком большом значении С_к схема может возбудиться. В случае больших входных сигналов в схеме появляются искажения, связанные с ограниченной скоростью нарастании выходного напряжения ОУ. Особенно это важно в быстродействующих схемах при больших емкостях конденсатора С_1. Основной проблемой в аналоговых интеграторах является дрейф выходного напряжения, вызванный зарядом конденсатора C_i токами утечки, входными токами смещения и входным напряжением смещения операционного усилителя.

4. Если требуется большая постоянная времени интегратора, то значения R и С должны быть большими, порядка МОм и мкФ.

5. Ток через конденсатор и падение напря­жения на нем связаны дифференциальной зависимостью. В результате дифференцирования через сопротивление R протекает ток i_c. На вход схемы (см. рис. 1) в момент времени ti прикладывается ступенчатый входной сигнал. Поскольку конденсатор С мгновенно зарядиться не может, скачок напряжения выделяется на сопротивлении R. При малом значении т заряд конденсатора происходит быстро, а напряжение на выходе с такой же скоростью стремится к нулю.

6. Дифференциатор создает выходное напряжение, пропорциональное скорости изменения входного. При дифференцировании усилитель должен пропускать только переменную составляющую входного сигнала и коэффициент усиления схемы должен возрастать при увеличении скорости изменения входного сигнала. Выполнить эти требования позволяет емкость, включенная на вход ОУ.

Активный фильтр — один из видов аналоговых электронных фильтров, в котором присутствует один или несколько активных компонентов, к примеру транзистор или операционный усилитель.

Активные фильтры включают в себя кроме резисторов и конденсаторов операционные усилители и реже – катушки индуктивности, поскольку они громоздки и дорогостоящи. Достоинство активных фильтров – их компактность, лучшие характеристики, в частности способность усиливать сигналы, дешевизна.

В активных фильтрах используется принцип отделения элементов фильтра от остальных электронных компонент схемы. Часто бывает необходимо, чтобы они не оказывали влияния на работу фильтра. Применение усилителей в активных фильтрах позволяет увеличить наклон частотной характеристики в полосе подавления, что недостижимо при каскадном соединении пассивных RC-цепочек.

Существует несколько различных типов активных фильтров, некоторые из которых также имеют и пассивную форму:

Фильтр высоких частот — ослабляет (обычно значительно) амплитуды гармонических составляющих сигнала ниже частоты среза.

Фильтр низких частот — ослабляет (обычно значительно) амплитуды гармонических составляющих сигнала выше частоты среза.

Полосовой фильтр — ослабляет (обычно значительно) амплитуды гармонических составляющих сигнала выше и ниже некоторой полосы.

Режекторный фильтр — ослабляет (обычно значительно) амплитуды гармонических составляющих сигнала в определённой ограниченной полосе частот.

В области верхних частот рабочего диапазона активные фильтры уступают пассивным: практический предел рабочей полосы доходит до 1 МГц, но по мере совершенствования ОУ этот предел будет расширяться. В области нижних частот активные фильтры, не требующие катушек индуктивности, значительно превосходят фильтры пассивные.

Пассивный фильтр — электронный фильтр, состоящий только из пассивных компонентов, таких как, к примеру, конденсаторы и резисторы. Пассивные фильтры не требуют никакого источника энергии для своего функционирования. В отличие от активных фильтров в пассивных фильтрах не происходит усиления сигнала по мощности. Практически всегда пассивные фильтры являются линейными.

Пассивные фильтры используются повсеместно в радио- и электронной аппаратуре, например в акустических системах, источниках бесперебойного питания и т. д.

Сглаживающий фильтр — устройство для сглаживания пульсаций после выпрямления переменного тока диодным мостом. Простейшим сглаживающим фильтром является электролитический конденсатор большой ёмкости, установленный на схеме параллельно нагрузке, соблюдая полярность конденсатора. Нередко устанавливается параллельно электролитическому конденсатору плёночный (или керамический) для переменного тока ёмкостью 0,01 микрофарады, для устранения помех сети 220.

Основным параметром сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания, которым называется отношение коэффициента пульсации на входе к коэффициенты пульсации на выходе или т.е. на нагрузке.

где -это амплитуды первой гармоники напряжений на входе и выходе фильтра соответственно; - постоянные составляющие напряжений на входе и выходе фильтра.

Выбор фильтров зависит от замысла разработчика радиоэлектронного узла, а также от типа выпрямителей, которые различают от однополупериодных до мостовых. Если выбрать П-фильтр, то его элементы рассчитывают следующим образом:

где f – частота питающей сети; Rn – сопротивление нагрузки; С – емкость (конденсатор); Lдр– индуктивность дросселя в цепи; мкф (микрофарад) и Гн (генри) – единицы измерения для емкости и индуктивности.

Кп1? (1–0,4) для двухполупериодного выпрямителя.

Для Г-фильтра элементы реостатноемкостной цепи рассчитываются, как

где U1, U2 – напряжения на входе и выходе фильтра; RH,JH – сопротивление нагрузки и ток через него; Rф, Сф – сопротивление и емкость Г-фильтра.

После фильтрации выпрямленного напряжения в радиоэлектронных узлах, для их еще более качественного питания устанавливают параметрические стабилизаторы напряжения.

Для выбора и расчета стабилизатора требуется: Unmax, Unmin – граничные значения напряжения питания; Jcmax, Jcmin – граничные значения тока стабилизатора; Uc, JH – стабилизированное напряжение на нагрузке и ток через нее.

После выводят еще несколько параметров и выбирают по справочным данным соответствующие радиоэлектронные компоненты.

Находят при заданном JH

При сильных флуктуациях JH, находят граничные значения Jc и выбирают подходящее. После всего прочего необходимо определить ограничительное сопротивление.

коэффициент сглаживания самого стабилизатора:

здесь r g – дифференциальное сопротивление самого параметрического стабилизатора.

Дата добавления: 2015-05-06