РАСЧЕТ И ИЗМЕРЕНИЕ РАБОЧЕГО ОСЛАБЛЕНИЯ ФНЧ И ФВЧ БАТТЕРВОРТА

Цель работы

1.1 Исследовать фильтр нижних и верхних частот Баттерворта.

1.2 Научиться экспериментально определять характеристики фильтра: рабочее затухание, полосу пропускания, полосу задерживания.

2 Домашнее задание

2.1 Изучить по [9.1] тему «Электрические фильтры Баттерворта».

2.2 Подготовить ответы на вопросы самопроверки.

2.3 Подготовить бланк отчета (см. раздел 6).

2.4 Рассчитать порядок и элементы фильтра нижних частот (ФНЧ) Баттерворта по следующим данным: частота среза f_ср = (10 + 0.5N) кГц, где N – номер записи учащегося в учебном журнале; а_s = 25 дБ, f_s = 40 кГц, R_н = 1000 Ом. Начертить Т-образную схему фильтра полученного порядка. Рассчитать значения рабочего затухания ФНЧ на частотах заданных в таблице. 11.1. Данные расчета занести в таблицу 11.1.

2.5 Рассчитать порядок и элементы фильтра верхних частот (ФВЧ) Баттерворта по следующим данным: частота среза f_ср = (30 + 0.5N) кГц, где N – номер записи учащегося в учебном журнале; а_s = 24 дБ, f_s = 20 кГц, R_н = 600 Ом. Начертить Т-образную схему фильтра полученного порядка. Рассчитать значения рабочего затухания ФВЧ на частотах заданных в таблице 11.2. Данные расчета занести в таблицу 11.2.

Вопросы для самопроверки

3.1 Укажите назначение фильтров нижних и верхних частот, изобразите их частотные характеристики.

3.2 Что называется полосой пропускания, полосой задерживания и частотой среза фильтра?

3.3 Укажите назначение полосовых и режекторных фильтров, изобразите их амплитудно-частотные характеристики.

3.4 Какие радиоэлементы используются для построения ФНЧ и ФВЧ, как они включаются и почему?

3.5 Как получить схему полосового фильтра (ПФ) Баттерворта, Чебышева?

3.6 Поясните работу полосового и режекторного фильтров Баттерворта.

3.7 Как произвести расчет ФНЧ, ФВЧ и ПФ Баттерворта?

3.8 Укажите особенности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ФНЧ Чебышева по сравнению с АЧХ ФНЧ Баттерворта.

3.9 Как влияет порядок фильтра на крутизну амплитудно-частотной характеристики?

3.10 Отличаются ли схемы фильтров Чебышева от схем такого же порядка фильтров Баттерворта?

Аппаратное и программное обеспечение

4.1 Рабочая станция локальной сети (персональный компьютер).

4.2 Графический манипулятор мышь.

4.3 Программа Electronics Workbench 5.0.

Порядок выполнения работы

5.1 Проверка подготовки учащихся к лабораторной работе по вопросам самопроверки.

5.2 Получить инструктаж по технике безопасности.

ВНИМАНИЕ! Аккуратно обращайтесь с персональным компьютером и его периферийными устройствами. Соблюдайте требования эргономики. Проверьте наличие заземления устройств.

5.3 Запустить программу Electronics Workbench 5.0.

5.4 Провести исследование фильтра нижних частот Баттерворта, для чего:

5.4.1 Собрать схему исследования ФНЧ Баттерворта (рисунок 11.1).

Фильтр следует собрать из катушек индуктивности и конденсаторов в соответствии со схемой, рассчитанной в домашнем задании (см. п. 2.4).

Для этого из библиотек программы достать необходимые элементы: элементы переносится из каталога на рабочее поле движением мыши при нажатой левой кнопке, после чего кнопка отпускается. После того, как все необходимые элементы будут вызваны из библиотек, произвести соединение их выводов проводниками.

Для соединения необходимо нажать левую клавишу манипулятора мышь в точке соединения в момент появления стрелки. Удерживая клавишу, перемещать манипулятор мышь по коврику. Отпустить клавишу необходимо в момент появления другой точки в нужном месте соединения. Появляющаяся линия – подтверждение правильности соединения. Аналогично включить все элементы фильтра.

В данной схеме используются:

V1 – вольтметр (показывает действующее значение входного напряжения);

V2 – вольтметр (показывает действующее значение выходного напряжения);

G – генератор сигнала – (генерирует сигналы различной частоты и длительности синусоидальной, треугольной и прямоугольной форм).

Фильтр – рассчитанный в домашнем задании (см. пп. 2.4, 2.5).

Рисунок 11.1 – Схема для исследования ФНЧ и ФВЧ

Баттерворта

5.4.2 Установить значение сопротивления нагрузки R_н согласно п. 2.4 данного методического руководства. Установить значение сопротивления генератора R_Г= R_Н.

Чтобы установить значение элемента, надо два раза щелкнуть левой клавишей манипулятора мышь на изображение элемента и поменять его значение в раскрывшемся окне. Нажать «OK», окно закроется, значение элемента изменится.

5.4.3 Установить в вольтметрах режим измерения переменного тока. Для этого щёлкнуть манипулятором мышь два раза на изображение элемента и, в раскрывшемся окне, выбрать режим (Mode) – АС (переменный ток).

5.4.4 Щелкнув два раза на изображение генератора, установить режим генерации синусоидальных импульсов, нажав на соответствующее изображение в раскрывшемся окне лицевой панели генератора.

5.4.5 Установить частоту (frequency) равной f_ср _,рассчитанной в п. 3.4.1; амплитуду (amplitude) 5 В; длительность импульса (duty cycle) 50% от периода; постоянную составляющую (offset) сигнала на выходе генератора равной нулю, изменяя эти данные в окошках напротив параметров в раскрывшемся окне лицевой панели генератора.

5.5 Снять амплитудно-частотную характеристику ФНЧ Баттерворта.

5.5.1 Включить режим анализа схемы, щелкнув манипулятором мышь на изображение выключателя , расположенного в правом верхнем углу панели инструментов.

5.5.2 Нажать манипулятором мышь надпись Pause на панели инструментов, остановив анализ построения программой временных диаграмм или отключить формирование сигналов, нажав левой клавишей манипулятора мышь на изображение выключателя в правом верхнем углу окна.

5.5.3 Снять показания вольтметра V1 – входное напряжение U₁, V2 – выходное напряжение U₂. Показания занести в таблицу 11.1.

5.5.4 Изменяя частоту генератора согласно таблице 11.1, снимать показания вольтметра V2. Полученные данные занести в таблицу 11.1.

5.5.5 По результатам измерений вычислить рабочее затухание фильтра а_{р(эксп.)}. Рабочее ослабление в данной работе измеряется по значениям напряжения U₁на зажимах генератора и напряжения U2 на сопротивлении Rн. После измерения этих напряжений а_{р(эксп.)}рассчитывается по формуле:

а_{р(эксп.)} = 20 lg (U₁/2U2) + 10 lg (R_Н/ R_Г), дБ

Данные занести в таблицу 11.1. (Погрешность измерения рабочего затухания методом известного генератора составляет обычно 0, 1–0, 8 дБ).

Таблица 11.1 – Экспериментальные и расчетные данные исследования ФНЧ Баттерворта

f, кГц	а_р,дБ (рабочее затухание, рассчитанное в домашнем задании)	Эксперимент
U₂, В	а_{р(эксп.)}, дБ	U₁, В
f_ср – 6 кГц =
f_ср – 4 кГц =
f_ср – 2 кГц =
f_ср=
f_ср + 2 кГц =
f_ср + 4 кГц =
f_ср + 6 кГц =
f_ср + 8 кГц =
f_S =
f_S + 2 кГц=
f_S + 4 кГц=

5.5.6 По результатам вычислений построить график зависимости а_{р(эксп.)} = F(f) ФНЧ Баттерворта. Отметить на полученной частотной характеристике полосу пропускания (ПП) и полосу задерживания (ПЗ) фильтра.

5.6 Исследовать ФВЧ Баттерворта.

5.6.1 В схеме (рисунок 11.1) заменить ФНЧ Баттерворта на ФВЧ Баттерворта, рассчитанный в п. 2.5.

5.6.2 Установить значение R_н согласно п. 2.5 данной лабораторной работы. Установить значение сопротивления генератора R_Г= R_Н.

5.6.3 Установить частоту генератора (frequency) равной f_ср, согласно п. 2.5.

5.6.4 Провести измерения по методике изложенной в пп. 5.5.3–5.5.5. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 11.2.

Таблица 11.2 – Экспериментальные и расчетные данные исследования ФВЧ Баттерворта

f, кГц	а_р,дБ (рабочее затухание, рассчитанное в домашнем задании)	Эксперимент
U₂, В	а_{р(эксп.)}, дБ	U₁, В
f_S – 4 кГц =
f_S – 2 кГц =
f_S =
f_ср – 8 кГц =
f_ср – 6 кГц =
f_ср – 4 кГц=
f_ср – 2 кГц =
f_ср =
f_ср + 2 кГц =
f_ср + 4 кГц =

5.6.5 По результатам вычислений построить график зависимости а_{р(эксп.)} = F(f) ФВЧ Баттерворта. Отметить на полученной частотной характеристике полосу пропускания (ПП) и полосу задерживания (ПЗ) фильтра.

5.7 Показать результаты выполнения работы преподавателю.

5.8 Ответить на контрольные вопросы.

5.9 Выключить оборудование.

5.10 Составить отчет по работе.

Содержание отчета

6.1 Наименование и цель работы.

6.2 Расчеты по п. 2.4 – 2.5.

6.3 Схема исследований (рисунок 11.1).

6.4 Результаты измерений и вычислений (таблицы 11.1, 11.2).

6.5 Графики зависимости а_{р(эксп.)} = F(f) для ФНЧ и ФВЧ Баттерворта.

6.6 Ответы на контрольные вопросы (по заданию преподавателя).

6.7 Выводы по работе.

7 Контрольные вопросы

7.1 Изобразите схемы ФВЧ, ПФ, РФ Баттерворта 5-го порядка.

7.2 Как определить полосу пропускания фильтра по частотной характеристике?

7.3 Как получить ФНЧ Золотарева?

7.4 Как реализовать активный фильтр?

7.5 Изобразите звено второго порядка активного ФНЧ и ФВЧ.

Содержание зачета

Учащийся должен знать ответы на контрольные вопросы. Должен уметь проводить измерения, предусмотренные заданием на работу и анализировать результаты измерений.

Литература

9.1 Добротворский, И. Н. Теория электрических цепей / И. Н. Добротворский. – M.: Радио и связь, 1989. – С. 414 – 429.

9.2 Карлащук, В. И. Электронная лаборатория на IBM PC / В. И. Карлащук. – М.: Солон-Р, 1999. – С. 22 – 50.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 67