Курсовая работа: Исследование фильтра Чебышева

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

 = 1 Ф;   = 1Ф;   = 1 Ф;   = 1 Ф;  = 1 Ф;  = 1 Ф;  = 1 Ф;

 = Ом;     =  Ом;

 = Ом;    = Ом;

 = Ом;    = Ом;

 = Ом;

2.2   Выбор значения масштабного коэффициента для первых звеньев ФВЧ и ФНЧ

При выборе величины масштабного коэффициента первого звена ФНЧ руководствуются следующими критериями:

*получение входного сопротивления фильтра более 20 кОм:

 ≥ 40000 – для звена второго порядка;  ≥ 60000 – для звена третьего порядка.

получение значений сопротивлений резисторов менее 1Мом, что обеспечит приемлемые шумовые свойства схемы:  ≤ .

  К10-43, у которых наибольшее номинальное значение емкости равно 44,2 НФ, можно принять  ≤ 44,2 Ф, тогда  ≥ .

Выбираем величину масштабного коэффициента первого звена ФНЧ исходя из условий:  ≥ 40000;  ≤  ;

  ≥   ≥   ≥ ,694108•

.

Принимаем  = 274•.

Здесь желательно было бы выбрать величину масштабного коэффициента несколько большего значения, но не нарушая требований №2. Это будет соответствовать меньшему денормированному значению емкости, чем 44,2 НФ, а значит, конденсатор будет меньших размеров.

При выборе величины масштабного коэффициента первого звена ФВЧ  обычно руководствуются следующими критериями:

1.  Получение входного сопротивления фильтра более 20кОм:

 ≥ 20•• (+ ) – для звена второго порядка;

 ≥ 20•• (+ ) – для звена третьего порядка;

2.  ≤ 1•) – для звена второго порядка;

≤ 1•) – для звена третьего порядка;

3.  При использовании конденсаторов типа К10-43:

 ≤ 44,2• Ф; поэтому  ≥  ≥ 22,624434 •

Выбираем величину масштабного коэффициента первого звена ФВЧ исходя из условий:

 ≥ 20• • (+ ) ≥ 9155,362165•.

≤ 1•) ≤ 157204,4384•.

3 ≥  ≥ 22,624434 •

Принимаем  =  9155,362165•  = 9,155362165•.

2.3   Выбор значения масштабного коэффициента для других звеньев ФНЧ и ФВЧ

Выбираем величину масштабного коэффициента 2 и 3 звеньев ФНЧ, исходя из условий №2 и №3 предыдущего подраздела:

1.  ≤ ;  ≤ .

2.     

3.     

Принимаем  =210* ;  =590* .

Выбираем величину масштабного коэффициента 2 и 3 звеньев ФВЧ, исходя из условий №2 и №3 предыдущего подраздела:

1.  ≤ 1***) ≤ 1**2*3,14*4,651162**0,1993 ≤

≤ 5821,412964*;

≤ 1***)≤1**2*3,14*4,651162**0,04584 ≤

≤ 1338,954191.

2.   ≥  ≥ 22,624434 *

 ≥  ≥ 22,624434 * .

Принимаем  =2100*; = 511*.

2.4.  Деноминирование значений элементов схемы ФНЧ и ФВЧ

фильтр частота печатный модуль

Деноминированные значения параметров элементов схемы ФНЧ имеют следующие значения:

Расчетные значения сопротивлений резисторов:

= 1* = 1* 

= 1*= 1* 

= 1* = 1* 

= 1*

Расчетные значения емкостей конденсаторов:

 =  =   0,434*;

 =  =  0,227*;

 =  =   0,017*;

 =  =   437,6*;

 =  =   10,982*;

 =  =   436,415*;

 =  =   0,899*.

Деноминированные значения параметров элементов схемы ФВЧ имеют следующие значения:

Расчетные значения емкостей конденсаторов:

 =  0,109*;

 =   0,109*;

 =   0,109*;

 =   *;

 =    *;

 =   1,956*;

 =   1,956*.

Расчетные значения сопротивлений резисторов:

 =  =  30,45;

 =  =  58,23 ;

 =  =  781,22;

 =  =  9,05*;

 =  =  360,73*;

 =  =  786,26;

 =  =  381,64*.

3. Разработка дополнительных вопросов проектирования

3.1 Составление полной расчетной схемы фильтра

Полная расчетная схема составляется в соответствии с результатами расчетов элементов схем ФВЧ и ФНЧ. При этом учитывается, что для создания полосового фильтра (ПФ), фильтры высоких и низких частот следует соединять последовательно. Как показала инженерная практика, для получения хорошего диапазона фильтра, целесообразно первым поместить ФВЧ для подавления низкочастотных составляющих сигнала и помех на выходе ФНЧ.

На рисунке 7 представлена полная расчетная схема полосового фильтра с указанием значений параметров элементов схемы, полученных в результате расчетов. На основании этой схемы после включения в неё дополнительных элементов будет разработан чертёж электрической принципиальной схемы фильтра.

Рисунок 7   Полная расчетная схема полосового фильтра.

3.2  Разработка электрической принципиальной схемы

Разработка электрической принципиальной схемы является наиболее важным моментом работы. Принципиальная электрическая схема блока полосового фильтра определяет полный состав его элементов и связи между ними и даёт детальное представление о работе фильтров. На схеме изображаются все электрические элементы, связи между ними, а также элементы, которыми заканчиваются входные и выходные цепи. Основанием для составления электрической принципиальной схемы служит полная расчетная схема полосового фильтра (рисунок 7).

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

При достаточно точном подборе величин сопротивлений и емкостей пассивных элементов фильтра по расчетным данным (1%) настройка звеньев не требуется, поэтому стандартные номиналы выбраны из ряда Е96, соответствующие допустимым отклонениям ± 1%. Для обеспечения температурной стабильности устройства используются прецизионные резисторы с низким ТКС и конденсаторы с ТКЕ-МПО.

В качестве постоянных резисторов выбраны резисторы типа С2-29В-0,25 – металлодиэлектрические прецизионные изолированные, для навесного монтажа. Диапазон ТКС ±(5..300) 1/ºС. Уровень шумов 0,5; 1; 5 мкВ/В. Ряд Е192. Предназначены для работы в высокоточных электрических цепях постоянного, переменного и импульсного токов.

Помимо основных элементов, приведенных в основной схеме фильтра, дополнительно введены подстроечные резисторы сопротивлением 10 кОм, предусматривающие компенсацию напряжения смещения в соответствии с типовой схемой включения операционного усилителя КР140УД26А. Выбраны подстроечные резисторы типа СП4-3 – объемные композиционные однооборотные без упора оси. Номинальная мощность 0,125 Вт. Допустимое отклонение сопротивления ± 20%. Предназначены для работы в цепях постоянного, импульсного и переменного токов с предельным напряжением до 150 В. Резисторы имеют линейную функциональную характеристику «А» и предназначены для печатного монтажа.

Конденсаторы типа К10-43 – керамические изолированные. Номинальное напряжение 50 В. Допустимое отклонение емкости = 1% ТКЕ – МПО. Предназначены для работы в цепях постоянного и переменного токов и в импульсных режимах.

Конденсаторы фильтра емкостью 0,1 мкФ и антигенерационные конденсаторы емкостью 0,1 мкФ К73-17 – металлизированные пленочные с органическим диэлектриком. Номинальное напряжение 250 В. Допустимое отклонение емкости ± 5%. Предназначены для работы в качестве встроенных элементов внутреннего монтажа аппаратуры.

3.4   Выбор и технические характеристики ОУ

Прецизионный малошумящий ОУ повышенного быстродействия.

Технические параметры позиции КР 140 УД26А            Таблица 2

Рисунок 8 – Корпус КР 140 УД26.

Рисунок 9 – Наглядное изображение КР 140 УД26.

При балансировке схемы с помощью потенциометра (рисунок 10), номиналом R1 = 10кОм ± 20%, температурный коэффициент напряжения смещения не изменяется.

Рисунок 10 – Схема внешней балансировки КР 140 УД26.

3.5  Разработка схемы соединений элементов печатного модуля фильтра

Под печатной платой понимают соединение из изоляционного основания и структурных металлических слоев, которое служит для электромонтажа элементов и узлов, а также в большинстве случаев – для их механического закрепления.

Выбор конструкции печатной платы является важным фактором, определяющим механические характеристики при использовании устройства в целом.

         По субтрактивной технологии рисунок печатных плат получается травлением медной фольги по защитному изображению в фоторезисте или по металлорезисту, осажденному на поверхность гальванически сформированных проводников в рельефе фоторезиста на фольгированных диэлектриках. В данной работе наглядный чертеж выполняется при помощи графического редактора P-CAD в соответствии с полной расчетной схемой фильтра (рисунок 10).

3.6 Описание конструкции фильтра

Полосовой фильтр, работающий в составе установки для измерения нелинейных искажений, оформляется в виде самостоятельного блока и конструктивно располагается в едином корпусе с источником питания и другими функциональными блоками измерительной установки.

Электрическая принципиальная схема фильтра, перечень элементов и схема расположения элементов на двухсторонней печатной плате из фольгированного стеклотекстолита приведены в приложениях. Чертежи выполнены с помощью систем автоматизированного  проектирования ACCEL EDA 15.0.

Крепление печатного модуля к шасси осуществляется винтами, для чего в плате предусмотрены отверстия.

Связь с источником питания и другими частями установки осуществляется через разъем Х1, вынесенный за пределы печатного модуля и установленный на шасси устройства. Печатный узел и разъем соединены проводниками методом пайки.

Заключение

Полосовой фильтр, работающий в составе установки для измерения нелинейных искажений, оформляется в виде самостоятельного блока и конструктивно располагается в едином корпусе с источником питания и другими функциональными блоками измерительной установки.

Разработанный фильтр является одним из наиболее важных функциональных элементов установки для измерения нелинейных искажений методом полос шума и в её составе может применяться для испытаний (при контроле) звуковой технологической аппаратуры на киностудиях, кинокопировальных фабриках, в кинотеатрах, а также при разработке звуковой аппаратуры, исследованиях и выпуске её заводами-изготовителями.

Список использованных источников:

1)  Бесчетнова Л.В., Кузьмин Ю.И., Малинин С.И.  Схемотехника аналоговых электронных устройств: Письменные лекции. – СПб.: СЗТУ, 2001

2)  Граф Р.Ф., Шиитс В.И. Энциклопедия электронных схем. Том 7.Часть 1. - М.: ДМК, 2000. - 299с.

3)  Журавлев В.М., Поляков С.Б., Храмов А.Я. Усилительные устройства. Проектирование усилителей звукового диапазона частот. Часть 3. Оформление технической документации к курсовому проекту и разработка дополнительных вопросов проектирования усилителей. Методические указания по курсовому проектированию для студентов заочного отделения специальности 0615 «Звукотехника», ЛИКИ, 1986. – 55с.

4)  Маклюков М.И. Инженерный синтез активных RC-фильтров низких частот.  – М.: Энергия, 1971. – 184с.

5)  Малахов В.П. Схемотехника аналоговых устройств. - Одесса: АстроПринт, 2000. – 212с.

6)  Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схематехника аналоговых электронных устройств. - М.: Горячая линия – Телеком, 2001. – 322с.

7)  Разевиг В.Д. Проектирование печатных плат в P-CAD 2001. – М.: СОЛОН-Р, 2001. – 560с.

8)  Сапаров В.Е., Максимов Н.А. Системы стандартов в электросвязи и радиоэлектронике: Учебное пособие для вузов. – М.: Радио и Связь, 1985. – 248с.

9)  Сырицо А. Журнал Радио. №4. – М.: 1999.

10)  Тарабрин Б.В. Справочник Интегральные микросхемы. - М.: Радио и связь, 1983. - 536с.

11)  Тихонова Л.С. Схемотехника аналоговых электронных устройств. Алгоритм проектирования активных фильтров Чебышева.  - СПб.: Изд. СПбГУКиТ, 2003. – 44с.

12)  Тихонова Л.С., Бородаевская Н.В. Аппаратно-программное обеспечение мультимедийных ПК. Системы автоматизированного проектирования Micro-Cap 6.0  и ACCEL  EDA 15.0; функциональные возможности и применение для схемотехнического моделирования и разработки печатных плат: Учебное пособие. – СПб.: Изд. СПбГУКиТ, 2003.

13)  Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники (том 1,2). – М.: Мир, 1998.

14)  Шитов А. В., Белкин Б. Г. Статистические характеристики сигналов, представляющих натуральные звучания, и их применение при исследовании электроакустических систем. - Труды НИКФИ, вып. 56, 1976.

15)  Шкритек П. Справочное пособие по звуковой схемотехнике. Методы расчета, способы измерений, разработка схем, цифровая обработка звуковых сигналов. -  М.: Мир, 1991. - 446с.

Приложения

Если в устройстве отсутствует прямая пропорциональность между мгновенными значениями входного и выходного сигналов, то возникающие искажения называются нелинейными. Нелинейные искажения возникают из-за нелинейности амплитудных характеристик электронных ламп, транзисторов, диодов, катушек индуктивности с ферромагнитными сердечниками, элементов устройств. Нелинейные искажения характеризуются гармоническими и случайными (статистическими) комбинационными составляющими, появляющимися в спектре выходного сигнала. Различают частотно-независимые и частотно-зависимые нелинейные искажения. Если характеристика передачи звена одинакова на всех частотах, то искажение называют частотно-независимыми. При различии характеристики передач на различных частотах искажения называют частотно-зависимыми.