Курсовая работа: Частотно-избирательные фильтры Фильтр нижних частот Чебышева

Рис. 1.3. Операционный усилитель

Одним из наиболее часто применяемых активных приборов, который в основном и будет использоваться, является интегральная схема (ИС) операционного усилителя или ОУ, условное изображение которого приведено на рис. 1.3.

Операционный усилитель представляет собой многовходовый прибор, но для простоты показаны только три его вывода: инвертирующий входной (1), неинвертирующий входной (2) и выходной (3). В идеальном случае ОУ обладает бесконечным входным и нулевым выходным сопротивлениями и бесконечным коэффициентом усиления. Практические ОУ по своим характеристикам приближаются к идеальным наиболее близко только для ограниченного диапазона частот, который зависит от типа ОУ.

В некритических конструкциях фильтров наиболее часто используются дешевые угольные композиционные резисторы.

Для фильтров четвертого и более низкого порядка достаточно применять угольные композиционные резисторы с 5%-ными допусками, в частности если предполагается использовать фильтр при комнатной температуре. Для фильтров с высокими рабочими характеристиками необходимо применять высококачественные типы резисторов, например металлопленочного и проволочного типов. Чем выше порядок, тем меньше должны быть допуски. Фильтры с порядком выше четвертого необходимо реализовывать на резисторах с 2-%-ным или меньшими допусками.

Что касается конденсаторов, то наиболее подходящим типом является майларовый конденсатор, который можно успешно применять в большинстве конструкций фильтров. Конденсаторы на основе полистирола и тефлона лучше, однако применяются в высококачественных фильтрах. Обычные экономичные дисковые керамические конденсаторы должны использоваться исключительно в наименее критических условиях.

1.4 Построение фильтров

Существует много способов построения фильтра с заданной передаточной функцией n-го порядка. Один популярный способ заключается в том, чтобы представить передаточную функцию в виде произведения сомножителей H ₁ , H ₂ ,…, Н_т и создать схемы или звенья, или каскады N ₁ , N₂ ,…, N_m , соответствующие каждому сомножителю. Наконец, эти звенья соединяются между собой каскадно (выход первого является входом второго и т.д.), как изображено на рис. 1.4. Если эти звенья не влияют друг на друга и не изменяют собственные передаточные функции, то общая схема обладает требуемой передаточной функцией n-го порядка. Ранее было установлено, что ОУ обладает бесконечным входным и нулевым выходным сопротивлениями. Таким образом, его можно использовать для реализации невзаимодействующих звеньев.

Рис. 1.4. Каскадное соединение звеньев

Для фильтров первого порядка передаточная функция представляется в виде

(1.0)

где С – постоянное число, aP(s) – полином первой или нулевой степени. Для фильтров второго порядка передаточная функция

(1.1)

где В и С–постоянные числа, aP(s) – полином второй или меньшей степени.

Для четного порядка n > 2 обычная каскадная схема содержит n /2 звеньев второго порядка, каждое с передаточной функцией типа (1.1). Если же порядок n > 2 является нечетным, то схема содержит ( n -1)/2 звеньев второго порядка с передаточными функциями типа (1.1) и одно звено первого порядка с передаточной функцией типа (1.0).

Для фильтров, описываемых уравнением (1.1), определим собственную частоту

и добротность

Таким образом, можно переписать уравнение (1.1) в виде

1.5 Фильтры нижних частот. Общий случай

Фильтр нижних частот представляет собой устройство, которое пропускает сигналы низких частот и задерживает сигналы высоких частот. В общем случае определим полосу пропускания как интервал частот 0<w<w_с , полосу задерживания как частоты w>w₁ переходную область как диапазон частот w_c <w<w₁ (w_c – частота среза). Эти частоты обозначены на рис. 1.5.1, на котором приведена реальная амплитудно-частотная характеристика фильтра нижних частот, где в данном случае заштрихованные области представляют собой допустимые отклонения характеристики в полосах пропускания и задерживания.

Если минимальное затухание выбрать за нормированный уровень 0 (А =1 на рис. 2.1), то логарифмическая характеристика фильтра нижних частот имеет вид, изображенный на рис. 1.5.2. Максимальное затухание в децибелах в полосе пропускания составляет α₁ , а минимальное затухание в полосе задерживания α₂ (А₁ и А₂ – соответственно значения амплитудно-частотной характеристики). Затухание α₁ не может превышать 3 дБ, в то время как типовое значение α₂ значительно больше и может находиться в пределах от 20 до 100 дБ.

Рис. 1.5.1 Реальная амплитудно-частотная характеристика фильтра нижних частот

Рис. 1.5.2. Логарифмическая характеристика: фильтра нижних частот

Коэффициент усиления фильтра нижних частот представляет собой значение его передаточной функции при s=0 или, что эквивалентно, значение его амплитудно-частотной характеристики на частоте w=0. Следовательно, коэффициент усиления реального фильтра с амплитудно-частотной характеристикой, показанной на рис. 1.5.1, равен А.