Выбор и обоснование функциональной схемы устройства

Основные характеристики и параметры разрабатываемого устройства

фильтр microca моделирование Существует много способов построения фильтра с заданной передаточной функцией n-го порядка. Один популярный способ заключается в том, чтобы представить передаточную функцию в виде произведения сомножителей H1, H2,…, Hm и создать схемы или звенья, каскады N1, N2 ,…, Nm, соответствующие каждому сомножителю. На рисунке 1 изображено каскадное соединение звеньев. Звенья соединяются между собой каскадно (выход первого является входом второго и т. д.). Если звенья не влияют друг на друга и не изменяют собственные передаточные функции, то общая схема обладает требуемой передаточной функцией n-го порядка.

Рисунок 1 Каскадное соединение звеньев Для четного порядка n>2 обычная каскадная схема содержит n/2 звеньев второго порядка. Если же порядок n>2 является нечетным, то схема содержит (n-1)/2 звеньев второго порядка и одно звено первого порядка. Коэффициент усиления фильтра K распределяется между звеньями, при этом нужно учитывать что общий коэффициент усиления фильтра определяется по формуле.

Kобщ=K1· K2·…·Kn.

Как только получена подходящая передаточная функция, разрабатывают схему фильтра, реализующую данную передаточную функцию. При этом разработка сводится к проектированию активных и пассивных фильтров. На рисунке 2 изображена АЧХ разрабатываемого фильтра.

Рисунок 2 АЧХ разрабатываемого фильтра Пассивные фильтры представляют собой устройства, которые создаются на основе резисторов и катушек индуктивности, а именно из пассивных схемных элементов. Эти фильтры пригодны для работы в определенных диапазонах частот, но не подходят для низких частот, например, ниже 0,5 МГц. Это происходит вследствие того, что на низких частотах параметры требуемых катушек индуктивностей становятся неудовлетворительными из-за их больших размеров и значительного отклонения рабочих характеристик от идеальных.

Таким образом, для применения фильтров в диапазоне низких частот из схем желательно исключить катушки индуктивности. Это достигается разработкой активных фильтров на основе резисторов, конденсаторов и одного или нескольких активных приборов, таких как транзисторы, зависимые источники и т. д.

Одним из наиболее часто применяемых активных приборов, который в основном и будет использоваться, является интегральная схема (ИС) операционного усилителя или ОУ, условное изображение которого приведено на рисунке 3.

Рисунок 3 Операционный усилитель Операционный усилитель представляет собой многовходовый прибор, но для простоты показаны только три его вывода: инвертирующий входной (Uвх1), неинвертирующий входной (Uвх2) и выходной (Uвых). В идеальном случае ОУ обладает бесконечным входным и нулевым выходным сопротивлениями и бесконечным коэффициентом усиления. Практические ОУ по своим характеристикам приближаются к идеальным наиболее близко только для ограниченного диапазона частот, который зависит от типа ОУ.

Для фильтров четвертого и более низкого порядка достаточно применять угольные композиционные резисторы с 5%-ными допусками, в частности если предполагается использовать фильтр при комнатной температуре. Для фильтров с высокими рабочими характеристиками необходимо применять высококачественные типы резисторов, например металлопленочного и проволочного типов. Чем выше порядок, тем меньше должны быть допуски. Фильтры с порядком выше четвертого необходимо реализовывать на резисторах с 2-%-ным или меньшими допусками.

Конденсаторы на основе полистирола и тефлона применяются в высококачественных фильтрах. Обычные экономичные дисковые керамические конденсаторы должны использоваться исключительно в наименее критических условиях.

Частота среза — это частота, на которой происходит спад амплитуды выходного сигнала фильтра до значения 0,7 от входного сигнала.

Коэффициент усиления фильтра нижних частот представляет собой значение его передаточной функции или, что эквивалентно, значение его амплитудно-частотной характеристики на частоте щ=0.

Полосы пропускания — это диапазоны или полосы частот, в которых сигналы проходят, в них значение АЧХ Н (j) велико, а в идеальном случае постоянно.

Полосы задерживания — это диапазоны частот, в которых сигналы подавляются, в них значение АЧХ мало, а в идеальном случае равно нулю.

На рисунке 4 представлены реальная и идеальная амплитудно-частотная характеристика фильтра нижних частот.

Рисунок 4 Реальная и идеальная АЧХ фильтра нижних частот В реальных фильтрах полоса пропускания — это диапазон частот (0-щc), где значение АЧХ больше заданной величины А1. Полоса задерживания — это диапазон частот (щ1-?), в котором АЧХ меньше значения-A2.

Переходная область — интервал частот перехода от полосы пропускания к полосе задержания (щc-щ1).