Невеселий А.А., Сарана В. М.

Дніпропетровський національний університет ім. Олеся Гончара, Україна

ЛАБОРАТОРНИЙ МАКЕТ ДЛЯ ВИВЧЕННЯ АКТИВНИХ ФІЛЬТРІВ

Матеріальна база учбового процесу є дуже важливою при навчанні, тому її потрібно постійно покращувати. Вона впливає на ефективність учбового процесу. Мета моєї роботи – поліпшення лабораторної бази з використанням сучасних засобів: цифрового генератора різних частот та цифрового осцилографа.

Активні фільтри побудовані з опорів, конденсаторів і підсилювачів (зазвичай операційних) і призначені для того, щоб з усіх сигналів які подаються на їх вхід сигналів пропускати на вихід сигнали лише деяких наперед заданих частот. Ці схеми використовуються для посилення або послаблення певних частот в звуковій апаратурі, в генераторах електромузичних інструментів, в сейсмічних приладах, у лініях зв'язку, а також в дослідницькій практиці для вивчення власного складу найрізноманітніших сигналів, таких, наприклад, як біоструми мозку або механічні вібрації [3, 4].

Одною з перешкод в отриманні точних АЧХ різних компонентів і великого динамічного діапазону є застосування детектора. Напівпровідникові діоди, на основі яких будуються детектори, мають різко нелінійну вольт-амперну характеристику з порогом при рівні напруги в частки вольта. У результаті спостерігається зона нечутливості детекторів в області малих напруг і значні спотворення при середньому рівні сигналів – в одиниці вольт. Це призводить до значного зниження динамічного діапазону побудовників АЧХ.

Зазначені недоліки принципово усуваються видаленням детектора і побудовою АЧХ у вигляді залежності рівня осцилограми синусоїдального сигналу від його частоти [2].

Метою роботи є створення лабораторного макета для вивчення активних фільтрів з використанням сучасних засобів, а саме: цифрового осцилографа, аналізатора спектра та цифрового генератора на основі прямого частотного синтезу.

На основі відомого теоретичного матеріалу була розроблена методика розрахунку активних фільтрів верхніх та нижніх частот на основі операційних підсилювачів [1].

Спочатку були виконані модельні дослідження активних фільтрів нижніх та верхніх частот Батерворта та Чебишева в ПК MicroCap (рис. 1). Ми бачимо по осі Х частоту (F(Hz) та по осі Y коефіцієнт підсилення (db). На рисунках чітко зображені амплітудно-частотні характеристики (АЧХ) фільтрів Батерворта та Чебишева.

Рис. 1. Фільтри нижніх частот другого порядку в ПК MicroCap: а) Фільтр Батерворта; б) Фільтр Чебишева

Після отримання результатів в ПК MicroCap був виготовлений макет для вивчення активних фільтрів верхніх та нижніх частот Батерворта та Чебишева. Далі було отримано експериментальні дані з використанням макета: за допомогою цифрового осцилографа, аналізатора спектра та цифрового генератора (рис. 2).

Рис. 2. Фільтри нижніх частот другого порядку отримані на макеті: а) Фільтр Батерворта; б) Фільтр Чебишева

На приведених вище результатах виникають труднощі у визначені частоти зрізу. Звісно, її можна вирахувати знаючи тривалість розгортки та час за який сигнал проходить діапазон частот від початкової до кінцевої, проте це досить незручно та викликає певні труднощі. Для того щоб чітко побачити частоту зрізу та побачити спектр частот була використана програма SpectraPLUS-SC пробної версії з ліцензією на термін 30 днів (рис. 3).

Рис. 3. Частота зрізу фільтрів нижніх частот другого порядку які були змодельовані на макеті: а) Фільтр Батерворта; б) Фільтр Чебишева

Ми бачимо, що частота зрізу становить 2 кГц (така, яка була задана спочатку), тобто результати моделювання в ПК MicroCap та на макеті співпадають.

Література

1. Фолкенберри Л. Применения операционных усилителей и линейных ИС: Пер. с англ. — М.: Мир, 1985. — 572 с., ил.

2. Дьяконов В.П. Компоненты и технологии. 2010. №12

3. Оппенгейм Э. Применение цифровой обработки сигналов. — Москва: Мир, 1980.

4. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. — М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2005. — 528 с.