Лабораторная работа № 4. Моделирование фильтров

Частотные фильтры электрических сигналов (далее – фильтры) предназначены для повышения помехоустойчивости различных электронных устройств и систем, в том числе и систем управления на их основе. Они широко применяются в автоматике, радиотехнике, измерительной технике, технике связи, электронной вычислительной технике и т.д. Фильтры обеспечивают выделение сигнала из помех при наличии отличий в частотных спектрах.

Пассивные фильтры реализуются на основе пассивных элементов – резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности. Такие фильтры просты в реализации, не требуют источников питания элементов фильтров, реализуются в широком диапазоне частот (от инфразвуковых частот до ультракоротковолнового диапазона радиочастот), обладают большим динамическим диапазоном.

Но при реализации пассивных фильтров следует учитывать, что на элементах рассеивается энергия сигнала. Поэтому необходимо учитывать ослабление полезного сигнала в полосе пропускания пассивного фильтра, которое увеличивается при увеличении числа звеньев фильтра. При этом ослабление полезного сигнала в полосе пропускания больше у фильтров, реализованных на резисторах и конденсаторах, чем у фильтров, реализованных на катушках индуктивности и конденсаторах.

В зависимости от конфигурации схемы возможно получать различные свойства фильтров в зависимости от частоты входного сигнала. Ранее был изучен так называемый фильтр низкой частоты. Его особенность заключалась в избирательном усилении низкочастотного сигнала. При изменении схемы возможно получить увеличение усиления сигнала на высоких частотах, по сравнению с низкими.

В зависимости от конфигурации схемы возможно получать различные свойства фильтров в зависимости от частоты входного сигнала. Комбинируя схему фильтра низкой частоты с фильтром высокой частоты возможно получить полосовой фильтр. Его особенность заключается в избирательном усилении сигнала в определенном диапазоне частот.

Другое сочетание элементов позволяет получить режективный фильтр. Его особенность заключается в избирательном усилении сигнала в определенном диапазоне частот и гашении сигнала вне этой полосы.

Цели и задачи работы

Цель работы: исследовать пассивный частотный фильтр электрических сигналов, исследовать частотный фильтр высокой частоты;

Задачи работы:

1. Разработать структурную схему лабораторного стенда для измерения амплитудно-частотной характеристики фильтра;

2. Рассчитать параметры элементов фильтра на основе параметров преподавателя;

3. Смоделировать заданный фильтр

Исходные данные:

f_ср = 1,5 кГц ;

R = 2 кОм;

Фильтр нижних частот, Г – структуры, RC – фильтр

4. Измерить амплитудно-частотную характеристику (зависимость коэффициента передачи от частоты входного сигнала) заданного фильтра при неизменном уровне входного сигнала (входной сигнал синусоидальный А = 1В) и при изменении его частоты в диапазоне 100 Гц – 20 кГц (100 Гц, 500 Гц, 1 кГц, 2 кГц, 3кГц, 5 кГц, 7 кГц, 10 кГц, 20 кГц).

5. Разработать структурную схему лабораторного стенда для измерения амплитудно-частотной характеристики фильтра;

6. Рассчитать параметры элементов фильтра на основе параметров преподавателя;

7. Смоделировать заданный фильтр

Исходные данные:

f_ср = 1,5 кГц ;

R = 2 кОм;

Фильтр высоких частот Г – структуры, RC – фильтр

Полосовой фильтр, RC – фильтр

Режективный фильтр, RC – фильтр

8. Измерить амплитудно-частотную характеристику (зависимость коэффициента передачи от частоты входного сигнала) заданного фильтра при неизменном уровне входного сигнала (входной сигнал синусоидальный А = 1В) и при изменении его частоты в диапазоне 100 Гц – 20 кГц (100 Гц, 500 Гц, 1 кГц, 2 кГц, 3кГц, 5 кГц, 7 кГц, 10 кГц, 20 кГц).