Материал: Исследование и моделирование линейных цепей. Каневский З.М., Литвиненко В.П

Рис. 9.6.

69

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 10

АКТИВНЫЙ RC ФИЛЬТР

Цель работы: изучение свойств активного RC фильтра.

10.1.Приведите в отчете справочные параметры и характеристики ОУ КР544УД2. Проведите их анализ, оцените близость рассматриваемого ОУ к идеальному.

10.2.К входу и выходу фильтра (рис.10.1) подключите левый и правый каналы электронного осциллографа соответственно. На вход подайте напряжение с амплитудой 0,5-1 В и частотой 28 кГц от генератора гармонических сигналов Г4-42.

Рис. 10.1.

Изучите рабочую плату и определите номиналы ее элементов. 10.3. Установите резистор R4 в крайнее правое положение (максимальное значение сопротивления). В этом случае глу-

бина отрицательной обратной связи максимальна.

По осциллограммам входного и выходного сигналов проведите измерение амплитудно-частотной (АЧХ) и фазо-

70

частотной (ФЧХ) характеристик фильтра, изменяя частоту генератора от 28 кГц до 300 кГц (15-20 значений). Для оценки АЧХ определите уровни Uвх и Uвых, а затем их отношение K. Результаты внесите в табл. 10.1.

Фазо-частотную характеристику можно определить, измеряя смещение по времени t входного сигнала относитель-

постройте графики АЧХ и ФЧХ.

По графику АЧХ определите полосу пропускания П и коэффициент прямоугольности КПР фильтра. Результаты запишите в табл. 10.2.

Таблица 10.1.

Амплитудно-частотная характеристика

Таблица 10.2.

Характеристики фильтра

10.4. Уменьшая сопротивление R4, добейтесь максимально плоской АЧХ, так, чтобы отсутствовал ее подъем в области верхних частот, как показано на рис. 10.2 (кривая 2, фильтр Баттерворта). Кривая 1соответствует максимальному

71

значению R4. Измерьте величину сопротивления, отключив питание стенда.

По осциллограммам входного и выходного сигналов проведите измерение АЧХ фильтра в том же диапазоне частот (1520 значений). Результаты внесите в табл. 10.3.

Рис. 10.2.

Таблица 10.3.

Амплитудно-частотная характеристика

f кГц

Uвх В

Uвых В

K

По АЧХ определите полосу пропускания П и коэффициент прямоугольности КПР фильтра Баттерворта. Результаты запишите в табл 10.2.

10.5. Продолжая уменьшать сопротивление R4, добейтесь АЧХ, соответствующей фильтру Чебышева (кривая 3 на рис.10.2), у которого наибольший подъем в области верхних частот в 1,12 раза больше значения АЧХ на частоте 28 кГц. Измерьте величину сопротивления, отключив питание стенда.

По осциллограммам входного и выходного сигналов проведите измерение АЧХ фильтра в том же диапазоне частот

72 (15-20 значений). Результаты внесите в таблицу, аналогичную табл. 10.3.

По АЧХ определите полосу пропускания П и коэффициент прямоугольности КПР фильтра Чебышева. Результаты запишите в табл 10.2. Сравните характеристики рассмотренных фильтров, сделайте выводы.

10.6. Установите такое малое сопротивление R4, при котором в цепи возникают автоколебания. Зарисуйте осциллограммы напряжений, проанализируйте результаты.

ДЛЯ ПЫТЛИВЫХ

В качестве факультативного задания проведите имитационное моделирование исследуемого фильтра (рис.10.1) с помощью, например, пакета программ MicroCAP V. Сравните результаты моделирования и экспериментальных исследований.

Самостоятельно смонтируйте любой выбранный активный RC фильтр и исследуйте его характеристики.

МОДЕЛИРОВАНИЕ

Активные RC цепи строятся на основе ОУ с реактивными RC двухполюсниками в цепях положительной и отрицательной обратной связи. С их помощью реализуются все виды частотных фильтров и другие линейные преобразователи сигналов.

Проведем моделирование цепи на рис. 10.3 при указанных на рисунке параметрах (файл Lac10.cir). Ее свойства существенно зависят от величин сопротивлений и емкостей, особенно от R3. Обратите внимание, что схема отличается от используемой в лабораторной работе.

На рис. 10.4 изображена временная диаграмма выходного напряжения при амплитуде входного сигнала 10 мВ на частоте 15,912 Гц (100 рад/с), напряжение измеряется в воль-

73

тах, а время в секундах. В начале моделируется переходной процесс при включении питания, а затем цепь переходит в стационарный режим усиления сигнала.

На рис. 10.5 представлены АЧХ (вверху) и ФЧХ (внизу) моделируемой цепи, частота измеряется в герцах. Как видно, исследуемая цепь является узкополосным низкочастотным RC фильтром.

Рис. 10.3.

Аналогичным образом проводится исследование и других линейных активных цепей, в том числе и используемых в лабораторной работе.

Задайте моделирующей программе схему цепи из лабораторной работы с соответствующими параметрами. Проведите ее моделирование. В режиме «Stepping» исследуйте влияние параметров элементов на частотную характеристику фильтра.

Установите, при каких значениях сопротивления R4 моделируемая цепь будет соответствовать фильтрам Баттерворта и Чебышева.

74

Рис. 10.4.

Рис. 10.5.

75

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Попов В.П. Основы теории цепей. М.: Высшая шко-

ла, 1985.

2.Лосев А.К. Теория линейных электрических цепей. М.: Высшая школа, 1987.

3.Белецкий А.Ф. Теория линейных электрических цепей. М.: Радио и связь, 1986.

4.Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. М.: Радио и связь. 1985.

5.Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа. 1996.

6.Розевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования MICRO-CAP V., М.: Солон. 1997.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ИНСТРУКЦИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

Оборудование лабораторного рабочего места питается от силовой сети переменного напряжения 220 В с частотой 50 Гц. При попадании на тело человека оно вызывает электрический удар, приводит к поражению нервной системы, головного мозга, дыхания, к мышечным судорогам. Опасным для человека является напряжение выше 36 В и ток более 10 мА.

Измерительные приборы и лабораторный стенд должны быть заземлены или подключены к нулевому проводу силовой сети. На их металлических корпусах на должно быть высокого напряжения и статического электричества.

Необходимо обратить внимание на исправность электропроводки, розеток и сетевых кабелей. При нарушении целостности изоляции, искрении и других неисправностях студент должен сообщить об этом преподавателю или лаборанту.