Создание фильтров сигналов в среде графического программирования Multisim. Изучение их основных характеристик

Приложение Г

(справочное)

Севастопольский национальный университет ядерной энергии  и промышлености

 

 

Кафедра «ТИиО»

 

 

 

 

Методическое пособие 

 

 

по 

выполнению  лабораторной работы работы №8

«Создание фильтров сигналов в среде графического программирования Multisim. Изучение их основных характеристик.»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г.Севастополь

2011 год

 

«УТВЕРЖДАЮ»

Зав. кафедрой ТИиО

___________________ Сычев Е. Н.

«____» ____________ 20__ г.

 

ЗАДАНИЕ

на лабораторное занятие № 8

 

по дисциплине «Прикладное  программное обеспечение испытательных систем»

 

Класс 532                        Дата и время _______

Время проведения  2 часа                                                        Место проведения: 487.

 

Тема: «Создание фильтров сигналов в среде графического программирования Multisim. Изучение их основных характеристик»

 

Учебные цели: научиться проектировать фильтры сигналов с использованием среды Multisim .

 

 

Введение

 

Частотные фильтры электрических сигналов (далее - фильтры) предназначены для повышения помехоустойчивости различных электронных устройств и систем, обеспечения помехозащищенности информационных сигналов и защиты информации, обрабатываемой в технических средствах, от утечки по каналам побочных электромагнитных излучений и наводок. Они широко применяются в автоматике, радиотехнике, измерительной технике, технике связи, электронной вычислительной технике и т.д. Фильтры обеспечивают выделения сигнала из помех при наличии отличий в их частотных спектрах .

Идеальные фильтры не ослабляют сигнал в полосе пропускания и полностью исключают прохождение сигнала в полосе задержания, обладая бесконечно большой крутизной амплитудно-частотной характеристики на частоте среза. Аналогичные параметры реальных фильтров конечны и зависят как от применяемых электрорадиоэлементов (в дальнейшем - элементов схемы или просто - элементов), так и от схемотехнических решений.

Классифицируют фильтры в основном, учитывая:

• вид амплитудно-частотной характеристики (в зависимости от полосы пропускания и полосы задержания);
• структуру схемы (Г -, Т -, П - структуры и т.д.);
• применяемые элементы (RC - фильтры, LC - фильтры, кварцевые фильтры, электромеханические фильтры и т. д.);
• особенности построения схем параллельного и последовательного плеча (фильтры типа К и M);
• отсутствие или наличие в схеме фильтра источника энергии (пассивные и активные фильтры) и т. д.

В настоящем руководстве рассматриваются простые варианты пассивных фильтров нижних и верхних частот. Для расчета предлагаются RC - фильтры и LC - фильтры типа K. В учебных целях допущены упрощения при проведении расчетов.

 

Цель выполнения лабораторной работы является: закрепление навыков и знаний, полученных студентом на аудиторных занятиях, а так же оценка умения студента применять эти знания при самостоятельном решении конкретной задачи.

 

Задачи, решаемые при выполнении расчетно-графической работы:

• усвоение соответствующих понятий и терминов;
• получение навыков по расчету простейших фильтров;
• получение навыков разработки и оформления конструкторской документации;
• получение навыков работы с научно-технической литературой.

1. Амплитудно-частотные характеристики фильтров

 

По виду амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) фильтры подразделяются следующим образом:

• фильтры нижних частот (ФНЧ);
• фильтры верхних частот (ФВЧ);
• полосно-пропускающие фильтры (ППФ);
• полосно-заграждающие фильтры (ПЗФ).

 

 

 

Рис. 1. Амплитудно-частотные  характеристики фильтров:

а – фильтра  нижних частот; б – фильтра верхних  частот,

в – полосового фильтра, г – режекторного фильтра

 

Фильтры нижних частот пропускают сигналы с частотами ниже частоты среза и исключают прохождение сигналов с частотами выше частоты среза.

Фильтры верхних частот пропускают сигналы с частотами выше частоты среза и исключают прохождение сигналов с частотами ниже частоты среза.

Полосно-пропускающие фильтры (полосовые фильтры, фильтры сосредоточенной селекции) пропускают сигналы с частотами в диапазоне между заданными частотами среза, исключая прохождение сигналов с частотами вне этого диапазона частот.

Полосно-заграждающие (режекторные) фильтры исключают прохождение сигналов с частотами в диапазоне между заданными частотами среза, пропуская сигналы с частотами вне этого диапазона частот.

 

2. Пассивные фильтры

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 их 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. Поэтому многозвенные пассивные фильтры реализуют в основном на катушках индуктивности и конденсаторах.

 

3. Структуры схем фильтров

По своей структуре схемы фильтры подразделяются на фильтры Г -, Т - и П - структур. Простейшим является фильтр Г - структуры (рисунок 2). Модель фильтра при этом состоит из двух схемных элементов Z₁ и Z₂. Параметр Z обозначает сопротивление схемного элемента фильтра сигнальным токам.

Рис. 2. Модель фильтра Г - структуры

 

Переход к другим структурам фильтров осуществляется за счет добавления в схему фильтра Г - структуры дополнительного элемента.

 

Рис.3.  Модель фильтра Т – структуры

 

Модель фильтра Т - структуры состоит из трех схемных элементов: двух элементов Z₁/2, и одного элемента Z₂ (рисунок 3).

Модель фильтра П - структуры состоит из трех схемных элементов: одного элемента Z₁ и двух элементов 2Z₂ (рисунок 4).

Одно из отличий фильтров Т - и П - структур заключается в характере их входных и выходных сопротивлений и изменения их с частотой, что необходимо учитывать при проектировании конкретных электронных устройств.

Отмеченные типы фильтров могут применяться как в виде первичной простой структуры, так и в виде цепочки, составленной из нескольких простых структур, количество которых зависит от требуемой селективности фильтра.

Рисунок 4 - Модель фильтра П - структуры

 

4. Фильтры на основе резисторов и конденсаторов

Фильтры, построенные на основе резисторов (R) и конденсаторов (C) условно называют RC - фильтрами. Они обладают сравнительно невысокой селективностью из-за использования в своем составе только одного элемента, сопротивление которого зависит от частоты сигнальных токов - конденсатора. В то же время RC-фильтры просты в реализации, обладают малыми габаритами и дешевизной. Это позволяет использовать их во многих случаях, когда не требуется высокая селективность и сигнал обладает достаточно большой энергией, так как необходимо учитывать потери на активном сопротивлении резистора. Применяют RC - фильтры в основном в диапазонах инфразвуковых и звуковых частот, иногда и на более высоких частотах. В маломощных источниках питания электронной аппаратуры их используют для фильтрации выпрямленного напряжения. В усилителях они применяются в цепях межкаскадных связей, в цепях коррекции амплитудно-частотной характеристики, в развязывающих фильтрах по цепям питания. В этих же диапазонах частот RC-фильтры используют в системах управления для фильтрации сигналов от датчиков состояния объектов управления.

 

4.1 RC - фильтры нижних частот

Для реализации RC - фильтров нижних частот в качестве Z1 используют резистор (R), а в качестве Z2 используют конденсатор (C) (рисунок 1). Частота среза для фильтра рассчитывается по формуле

          (1)

Для ФНЧ Г - структуры номинальные величины параметров резистора и конденсатора получаются непосредственно из формулы (1).

При реализации ФНЧ Т - и П - структур, номинальные величины параметров резисторов и конденсаторов в схеме определяют, учитывая коэффициенты номинальных величин схемных элементов относительно исходной Г - структуры для модели фильтра соответствующей структуры (рисунок 2, рисунок 3).

 

4.2 RC - фильтры верхних частот

Для реализации RC - фильтров верхних частот в качестве Z1 используют конденсатор (C), а в качестве Z2 используют резистор (R) (рис. 2). Частота среза при этом рассчитывается по формуле (1).

Определение номинальных величин параметров резисторов и конденсаторов для ФВЧ различных структур производится аналогично ФНЧ. То есть при реализации ФВЧ Т - и П - структур, номинальные величины параметров резисторов и конденсаторов в схеме определяют, учитывая коэффициенты номинальных величин схемных элементов относительно исходной Г - структуры для схемы фильтра соответствующей структуры (рис. 3, рис. 4).

 

5 Фильтры на основе катушек индуктивности и конденсаторов

Фильтры, построенные на основе катушек индуктивности (L) и конденсаторов (C) условно называют LC - фильтрами. Они обладают более высокой селективностью по сравнению с RC - фильтрами из-за использования в своем составе двух элементов, сопротивление которых зависит от частоты сигнальных токов - конденсатора и катушки индуктивности. LC - фильтры обладают меньшим затуханием в полосе пропускания и большим затуханием в полосе задержания по сравнению с RC-фильтрами.

Применяют LC - фильтры в основном в ультразвуковом и радиочастотном диапазонах, в которых они обладают приемлемыми габаритами. Хотя в тех случаях, когда RC - фильтры не обеспечивают необходимой селективности, LC - фильтры используют и в диапазоне звуковых частот.

Частотная избирательность (селективность) LC - фильтров позволяет с их помощью решать проблемы частотного разделения каналов в многоканальных системах связи. Это необходимо, в частности, для реализации частотного уплотнения каналов связи при осуществлении телеуправления сложными территориально-распределенными технологическими объектами. При использовании телеуправления по каналам радиосвязи LC - фильтры позволяют обеспечить необходимую помехоустойчивость.

При реализации LC - фильтров следует учитывать их некоторые специфические особенности. Это более высокая трудоемкость изготовления и большая стоимость катушек индуктивности по сравнению с резисторами и конденсаторами. К тому же LC - фильтры, использующие катушки индуктивности с ферромагнитными сердечниками обладают меньшим динамическим диапазоном из-за своей нелинейности. Для исключения паразитных связей и наводок катушки индуктивности фильтров необходимо экранировать.

Для LC - фильтров типа K последовательные и параллельные плечи (рисунок 1) являются обратными двухполюсниками и для них

        (2)

Параметр

        (3)

имеет размерность сопротивления, называется характеристическим сопротивлением фильтра и является для такого типа фильтра постоянной величиной.

При подстановке в (3) выражений сопротивления катушки индуктивности и конденсатора переменному току, получим

         (4)

5.1 LC - фильтры нижних частот

Для реализации LC - фильтров нижних частот в качестве Z₁ используют катушку индуктивности (L), а в качестве Z₂ используют конденсатор (C) (Рисунок 1). Частота среза для фильтра рассчитывается по формуле

        (5)

Из (4) и (5) следует, что индуктивность катушки фильтра

        (6)

а емкость конденсатора фильтра

        (7)

Для ФНЧ Г - структуры номинальные величины индуктивности катушки и емкости конденсатора рассчитывают непосредственно по формулам (6) и (7), с учетом необходимого характеристического сопротивления (при выполнении настоящей работы величина характеристического сопротивления задается-с).

При реализации ФНЧ Т - и П - структур, номинальные величины параметров катушек индуктивности и конденсаторов в схеме определяют, учитывая коэффициенты номинальных величин схемных элементов относительно исходной Г - структуры для схемы фильтра соответствующей структуры (рисунок 2, рисунок 3).

 

5.2 LC - фильтры верхних частот

Для реализации LC - фильтров верхних частот в качестве Z₁ используют конденсатор (C), а в качестве Z₂ используют катушку индуктивности (L) (Рисунок 1). Частота среза для фильтра рассчитывается по формуле

        (8)

Из (4) и (8) следует, что индуктивность катушки фильтра

        (9)

а емкость конденсатора фильтра

        (10)

Для ФВЧ Г - структуры номинальные величины индуктивности катушки и емкости конденсатора рассчитываются по формулам (9) и (10) с учетом необходимого характеристического сопротивления (при выполнении настоящей работы величина характеристического сопротивления - с, задается).