УТС 5 семестр / 4лаба
.docxМИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
Кафедра САПР
отчет
по лабораторной работе №4
по дисциплине «Схемотехника»
Тема: Активные фильтры на базе операционных усилителей
Студенты гр. 8391 |
|
Перевертайло Д.А. |
|
|
Петрухина М.С. |
|
|
Орещенко Н.В. |
Преподаватель |
|
Андреев В.С. |
Санкт-Петербург
2020
Цель работы.
Ознакомиться с принципами работы операционных усилителей и активных фильтров, построенных на их основе. Исследовать схемы фильтров нижних частот Баттерворта и Бесселя, построенные на базе операционного усилителя LM741CN.
Задачи.
1) Построить компьютерные модели активных фильтров нижних частот Баттерворта 2 порядка и Бесселя 4 порядка в среде NI Multisim. Частоты среза фильтров должны совпадать и принадлежать диапазону [100; 10000] Гц.;
2) Исследовать реакцию моделей при подаче на их вход различных гармонических сигналов с помощью виртуального осциллографа;
3) Построить амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) и фазо-частотные характеристики (ФЧХ) моделей с помощью виртуального плоттера Боде;
4) Сравнить АЧХ и ФЧХ моделей фильтров между собой и с RC фильтром нижних частот с той же частотой среза;
5) Сделать выводы по проделанной работе.
Основные теоретические положения
Операционный усилитель — это электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления, имеющий дифференциальный вход и обычно один выход. Напряжение на выходе может превышать разность напряжений на входах в сотни или даже тысячи раз.
Активный фильтр — это электронные схемы, которые состоят из активного элемента, такого как операционный усилитель (и), наряду с пассивными элементами, такими как резистор (ы) и конденсатор (ы).
Активные фильтры в основном подразделяются на следующие четыре типа на основе полосы частот, которые они разрешают и / или отклоняют:
Активный фильтр нижних частот
Активный фильтр высоких частот
Активный полосовой фильтр
Рис.
0. Операционный усилитель.
Для построения фильтров используем следующую таблицу:
1. Построить компьютерные модели активных фильтров нижних частот Баттерворта 2 порядка и Бесселя 4 порядка в среде NI Multisim. Частоты среза фильтров должны совпадать и принадлежать диапазону [100; 10000] Гц.;
Рис.1.
Фильтров нижних частот Баттерворта 2
порядка.
Рис.2.
Фильтров нижних частот Бесселя 4 порядка.
2. Исследовать реакцию моделей при подаче на их вход различных гармонических сигналов с помощью виртуального осциллографа;
Рис.3. Осцилограмма при подаче сигнала синусоидальной формы Баттерворта 2 порядка.
Рис.4. Осцилограмма при подаче сигнала синусоидальной формы Бесселя 4 порядка.
Рис.5.
Осцилограмма при подаче сигнала
треугольной формы Баттерворта 2 порядка.
Рис.6.
Осцилограмма при подаче сигнала
треугольной формы Бесселя 4 порядка.
Рис.7.
Осцилограмма при подаче сигнала
ступенчатой формы Баттерворта 2 порядка.
Рис.8.
Осцилограмма при подаче сигнала
ступенчатой формы Бесселя 4 порядка.
Графики были получены при подаче сигнала 1 кГц. Исходя из полученных графиков, можно сделать вывод о том, что выходной сигнал будет иметь форму синусоиды с амплитудой соотвествующей АЧХ на этой частоте и смещением по фазе соотвествующей ФЧХ на этой частоте.
При подаче входного сигнала с низкой частотой, выходной сигнал будет иметь трапециевидную форму. В случае подачи меандра — выходной сигнал будет полностью его повторять, если амплитуды входного сигнала и подведённое значение питания операционного усилителя совпадают.
3. Построить амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) и фазо-частотные характеристики (ФЧХ) моделей с помощью виртуального плоттера Боде;
Рис.9. АЧХ Баттерворта 2 порядка.
Рис.10. АЧХ Бесселя 4 порядка.
Рис.11. ФЧХ Баттерворта 2 порядка.
Рис.12. ФЧХ Бесселя 4 порядка.
4. Сравнить АЧХ и ФЧХ моделей фильтров между собой и с RC фильтром нижних частот с той же частотой среза;
Рис. 13. Амплитудно-частотная характеристика для фильтра низких частот из первой л.р.
Рис.
14. Фазочастотная характеристика для
фильтра низких частот из первой л.р.
АЧХ: максимальным углом наклона обладает фильтр Бесселя 4 порядка. Наиболее низким — RC-фильтр. RC-фильтр подавляет сигналы на большем диапазоне частот, чем фильтры на основе операционных усилителей.
Для ФЧХ картина аналогична.
Также отметим, что в полосе пропускания фильтра Бесселя 4 порядка наблюдается усиление в 5,2 дБ, а у фильтра Баттерворта 2 порядка — усиление 3,8. Связано это с коэффициентом усиления операционного усилителя.
Выводы
В результате выполнения данной лабораторной работы, мы ознакомились с принципами работы операционных усилителей и активных фильтров, построенных на их основе. Исследовали схемы фильтров нижних частот Баттерворта и Бесселя, построенные на базе операционного усилителя LM741CN.