Курсовая работа: Исследование фильтра Чебышева

Курсовая работа: Исследование фильтра Чебышева

`Реферат

Пояснительная записка составлена на 31 листе, содержит 10 рисунков, 2 таблицы, 3 схемы, одно приложение и список использованных источников информации, содержащий 15 наименований.

В настоящем курсовом проекте спроектирован полосовой фильтр Чебышева, входящий в состав установки для измерений нелинейных искажений методом полос шума в полосе №5.

В работе проанализировано техническое задание, выбрана схема реализации фильтра, произведен расчет параметров элементов схемы, решены вопросы конструктивно-технического выполнения фильтра, разработан печатный модуль этого блока.

Оглавление

Введение

1 Эскизное проектирование

1.1  Анализ структурной схемы устройства, в состав которого входит фильтр

1.2  Выбор типа аппроксимации частотной характеристики

1.3  Выбор схемы реализации звеньев фильтра

1.4  Анализ исходных данных фильтра

1.5  Выбор типа ОУ

1.5.1  Ориентировочный выбор типа ОУ

1.5.2  Расчет параметров ИНУН

1.6  Определение порядка фильтра

1.7  Разработка базовой расчетной схемы фильтра

1.7.1  Определение числа звеньев

1.7.2  Выбор структурной схемы фильтра

1.7.3  Составление базовой расчетной схемы фильтра

2. Расчет режимов и определение параметров элементов схемы фильтра

2.1.  Определение нормированных значений параметров элементов схемы фильтра

2.2  Выбор значения масштабных коэффициентов для первого звена ФНЧ и ФВЧ

2.3  Выбор значения масштабных коэффициентов для других звеньев ФНЧ и ФВЧ

2.4  Определение денормированных значений параметров элементов схемы ФНЧ и ФВЧ

3       Разработка дополнительных вопросов проектирования

3.1 Составление полной расчетной схемы фильтра

3.2 Разработка электрической принципиальной схемы

3.3 Выбор типов и стандартных номиналов сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов схемы

3.4 Выбор и технические характеристики ОУ

3.5 Разработка схемы соединений элементов печатного модуля фильтра

3.6 Описание конструкции фильтра

Заключение

Список использованных источников

Приложения

Введение

С тех пор, как в 1926 г. впервые были измерены нелинейные искажения, предложено свыше 20 различных методов измерения. Все эти методы можно разбить на 5 основных групп: одного тона, двух тонов, с дискретным спектром, со сплошным спектром, с рабочим сигналом. Каждая из этих групп имеет еще свои разновидности, отличающиеся по способу регистрации и по выделению продуктов нелинейных искажений.

Вообще, методы измерения нелинейных искажений в трактах звукопередачи отличаются большим разнообразием.  Широкое распространение получил метод гармоник как наиболее простой при экспериментах и удобный для расчетов. Менее распространены другие методы: разностного тона, модулированного тона, взаимной модуляции (интермодуляции).

Для перечисленных методов существуют свои области применения. При этом каждый из них использует специальные сигналы, обеспечивающие наибольшую эффективность обнаружения продуктов искажений.

Заметность нелинейных искажений реального сигнала связана с тем, насколько часто, если рассматривать процесс во времени, или с какой вероятностью, если применить к нему статистическую меру, его мгновенные значения попадают в область существенной нелинейности тракта звукопередачи. Многим, наверное, приходилось наблюдать, как при уменьшении уровня сигнала в перегруженном канале исчезает хриплость звучания. Она тем меньше, чем реже выбросы сигнала попадают в область перегрузки.

В данной работе подробно рассматривается полосовой фильтр Чебышева, входящий в состав установки для измерений нелинейных искажений методом полос шума.

Фильтры с характеристикой Чебышева обладают сравнительно более высоким отношением затраты/эффективность.

1.  Эскизное проектирование устройства

1.1  Разработка структурной схемы

Принцип действия измерительной установки заключается в оценке нелинейных искажений, возникающих на выходе исследуемого канала звукопередачи в результате воздействия на систему шумовой полосы.

Измерительный сигнал в виде полосы нормального белого шума формируется с помощью полосового фильтра (ПФ) из широкой полосы белого шума, создаваемой шумовым генератором. В результате нелинейности испытуемого устройства спектр шума на его выходе обогащается продуктами нелинейных искажений, большая часть которых лежит вне полосы частот входного сигнала. Эти продукты выделяются с помощью заграждающего фильтра (ЗФ) и их действующее значение измеряется с помощью вольтметра шумового сигнала. Измеренная величина делится на действующее значение сигнала на входе ЗФ (при этом учитывается коэффициент передачи ЗФ в полосе пропускания).

Результат деления, выраженный в процентах, принимается за меру нелинейности испытуемого устройства - (.

Измерения проводятся в пяти полосах, перекрывающих весь звуковой диапазон (Рисунок 2).

Средние частоты ПФ и ЗФ: 31,5Гц, 125Гц, 500Гц,  2кГц, 8кГц.

Эти фильтры образуются сочетанием фильтров низких частот (ФНЧ) и фильтров высоких частот (ФВЧ). Делается это для того, чтобы одни и те же фильтры можно было использовать для организации соседних полос. Последовательное соединение ФНЧ и ФВЧ позволяет получить ПФ, а параллельное – ЗФ.

Рисунок 1 – Структурная схема установки для измерения нелинейных искажений методом полос шума.

Рисунок 2 – Распределение частот по полосам.

На рисунке 3 представлены АЧХ ФНЧ и ФВЧ, образующих ПФ и ЗФ. С помощью этих характеристик можно определить частоты среза  фильтров ФЧ и ФНЧ для организации ПФ и ЗФ.

Полоса пропускания полосового фильтра будет простираться от частоты = до частоты =.

Рисунок 3 – Распределение частот среза в «четверке» фильтров.

1.2  Выбор типа аппроксимации частотной характеристики

При одинаковом количестве схемных элементов использование полинома Чебышева формирует максимально возможную крутизну спада частотной характеристики в переходной области по сравнению с фильтрами Баттерворта и др. Поэтому остановимся на фильтрах Чебышева, получивших исключительно широкое применение при синтезе активных фильтров.

Коэффициент передачи фильтра Чебышева имеет вид:

= -10log (1+(Ω)),

Где  - дополнительный коэффициент, характеризующий степень постоянства модуля относительно коэффициента передачи в полосе пропускания фильтра; (Ω) - нормированный полином Чебышева степени n.

Полином (Ω) обеспечивает равноволновое приближение к полосе пропускания и монотонное уменьшение  при удалении от частоты среза .

1.3  Выбор схемы реализации звеньев фильтра

Распространенным видом реализации активных фильтров являются схемы, выполненные на основе интегральных операционных усилителей (ОУ) в сочетании с резисторами и конденсаторами в качестве пассивных элементов.

Использование таких положительных свойств ОУ, как наличие двух входов, позволяющих сочетать различные типы обратных связей, большой коэффициент усиления, большое входное и малое выходное сопротивления, обеспечивают возможность получения активного элемента фильтра в форме источника напряжения, управляемого напряжением (ИНУН). Активные фильтры высокого порядка на базе ИНУН легко настраиваются позвенно,  и при последующем каскадном соединении звеньев желаемый вид суммарной частотной характеристики обеспечивается без какой-либо дополнительной настройки.

Рисунок 4 – Схема реализации отдельных звеньев фильтра.

Для реализации фильтров используем схему Саллена и Ки, предложенную ещё в 1955 году. На рисунке представлена схема ячейки третьего порядка с нормированными значениями номиналов пассивных элементов. ОУ охвачен 100%-ной отрицательной обратной связью (ООС), т.е. имеет коэффициент передачи, равный единице. Такую ячейку можно представить как последовательное соединение звеньев первого и второго порядков. Исключение элементов, расположенных слева от пунктирной линии, позволяет перейти от структуры ячейки третьего порядка к структуре ячейки второго порядка.

1.4   Анализ исходных данных фильтра

Ознакомимся с исходными данными для разработки фильтра:

неравномерность характеристики фильтра в полосе пропускания:

 = 1Дб;

величина модуля относительного коэффициента передачи на частоте :

 = - 60 дБ;

граничная частота между переходной областью и полосой задерживания: 

 = 2;

центральная частота полосового фильтра и граничные частоты ФНЧ и ФВЧ:

 = 8000 Гц;     = = 4,651162кГц;=

параметры ОУ:

 = ;  = 05,МОм;     = 200 Ом.

1.5  Выбор типа ОУ

1.5.1   Ориентировочный выбор типа ОУ

Выбираем операционный усилитель типа КР140УД26А (см. Таблицу 1) – широкополосный, прецизионный ОУ, с низким уровнем шумов. Этот типономинал серии КР140 имеет хорошие точностные параметры и высокое быстродействие, помещен в дешевый пластмассовый DIP-корпус.

Электрические параметры ОУ КР140УД26А          Таблица 1

1.5.2  Расчет параметров ИНУН

Входное сопротивление ОУ, охваченного 100%-ной отрицательной обратной связью –

 = (1+) = 0,5•• (1+) = 0,5• Ом.

Выходное сопротивление ОУ, охваченного 100%-ной отрицательной обратной связью –

 =  =  = 2• Ом.

1.6   Определение порядка фильтра

Произведем расчет порядка фильтров ФВЧ и ФНЧ:

рассчитаем дополнительный коэффициент:

 = (

коэффициент передачи фильтра в полосе затухания:

 =  =  = ;

значение полинома:

 =  =  =  =  = 3862,165017.

1.7  Разработка базовой расчетной схемы фильтра

1.7.1  Определение числа звеньев

Степень полинома (порядок фильтра):

n ≥  ≥   ≥   ≥  ≥ 6,800291933;

выберем n = 7.

Количество звеньев, необходимое для реализации ФНЧ и ФВЧ:

 = ;

 = ;

для фильтра 7 порядка: N =  =  = 3.

1.7.2   Выбор структурной схемы фильтра

Структурная схема полосового фильтра, по которой в дальнейшем будут соединяться фильтры, приведена на рисунке 5. базовая расчетная схема фильтра представляет собой последовательно соединённые ячейки второго порядка (Рисунок 6). Расположение фильтра верхних частот на входе  полосового фильтра  обеспечивает подавление помех в виде наводок и фона, что позволит получить низкий пороговый уровень измерений нелинейных искажений с помощью измерительной установки.

Рисунок 5  Структурная схема полосового фильтра.

1.7.3    Составление базовой расчетной схемы фильтра

Структурная схема полосового фильтра, по которой в дальнейшем будут соединяться фильтры, приведена на рисунке 1. Базовая расчетная схема фильтра представляет собой последовательно соединённые ячейки второго порядка. Расположение фильтра верхних частот на входе  полосового фильтра  обеспечивает подавление помех в виде наводок и фона, что позволит получить низкий пороговый уровень измерений нелинейных искажений с помощью измерительной установки.

Рисунок 6  Базовая расчетная схема полосового фильтра.

2.  Расчет параметров и определение режимов схемы устройства

2.1   Определение нормированных параметров элементов схемы ФНЧ и ФВЧ

Элементы схемы ФНЧ в нормированном масштабе величин имеют следующие значения (согласно данным таблицы, приведенной в приложении):

 = 1 Ом;   = 1 Ом;   = 1 Ом;  = 1 Ом;  = 1 Ом;   = 1 Ом;   = 1 Ом;   = 10,29 Ф;   = 5,382 Ф;  = 0,4012 Ф;   = 7,941 Ф;  = 0,1993 Ф;   = 22,25 Ф;   = 0,04584 Ф;

Страницы: 1, 2