Вход на сайт Навигация по сайту Любить и уважать Бонус-счастливчики
|
Содержимое файла "Kursak2popytka.doc" (без форматирования) Міністерство освіти і науки України ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ Інститут радіоелектроніки і телекомунікацій Кафедра радіотехнічних систем ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА до курсової роботи з дисципліни Основи комп’ютерного проектування та моделювання радіоелектронних засобів Варіант 501118 Розробив студент гр. РТ-081 _______________ (підпис) ___ ____________ 2010 р. Керівник роботи доц. каф. РТС _______________ О.В. Троянський (підпис) ___ ____________ 2010 р. Одеса 2010 ЗАВДАННЯ НА КУРСОВУ РОБОТУ ДЛЯ ВАРІАНТА №494065 Спроектувати активний RC-фільтр нижніх частот на основі операційних підсилювачів, що має вихідні параметри: коефіцієнт підсилення (значення передавальної функції на нульовій частоті) ; частота зрізу фільтра ; нерівномірність коефіцієнта передачі фільтра в смузі пропускання не більше ation.DSMT4HYPER14HYPER15, дБ; рівень придушення сигналу ззовні смуги пропускання для частот не менше , дБ; відхилення амплітудно-частотної характеристики ФНЧ від номінальної за рахунок розкиду параметрів елементів схеми не перевищує , дБ. Значення параметрів , , , , , вибираються з таблиці 1.1 відповідно до номера паспорта студента. Таблиця 1.1. , дБ , дБ , дБ , дБ , кГц Номер паспорта 5 0 1 1 1 8 Значення 6 0.8 0.6 27 1.6 4.5 ЗМІСТ 1 Синтез передавальної функції фільтра нижніх частот ……………………………... 4 1.1 Постановка задачі і опис методики її розв’язання ……………………………... 4 1.2 Синтез передавальної функції ФНЧ на основі апроксимації Батерворта ……. 5 1.3 Синтез передавальної функції ФНЧ на основі апроксимації Чебишова ……... 7 2 Синтез принципової схеми фільтра нижніх частот ………………………………… 10 2.1 Постановка задачі і опис методики її розв’язання ……………………………... 10 2.2 Синтез принципової схеми ФНЧ Батерворта та розрахунок його АЧХ ……… 10 2.3 Синтез принципової схеми ФНЧ Чебишова та розрахунок його АЧХ ……….. 17 3 Аналіз чутливості синтезованих фільтрів нижніх частот ………………………….. 22 3.1 Постановка задачі і опис методики її розв’язання ……………………………... 22 3.2 Аналіз чутливості АЧХ фільтрів ………………………………………………... 23 3.3 Розрахунок вимог до допусків параметрів елементів ФНЧ …………………… 25 3.4 Моделювання відхилень АЧХ за методом Монте-Карло ……………………... 26 3.5 Порівняльний аналіз двох варіантів ФНЧ з погляду чутливості ……………… 28 4 Аналіз перехідних процесів у фільтрах нижніх частот …………………………….. 29 4.1 Постановка задачі і опис методики її розв’язання ……………………………... 29 4.2 Побудова перехідних характеристик фільтрів за допомогою Circuit Maker …. 30 4.3 Порівняльний аналіз перехідних характеристик фільтрів …………………….. 32 5 Висновки ………………………………………………………………………………. 33 6 Список використаних джерел ………………………………………………………... 35 1 СИНТЕЗ ПЕРЕДАВАЛЬНОЇ ФУНКЦІЇ ФІЛЬТРА НИЖНІХ ЧАСТОТ 1.1 Постановка задачі і опис методики її розв’язання У даному розділі розглянутий синтез фільтрів нижніх частот (ФНЧ), призначення яких з мінімальним ослабленням передавати коливання, частоти яких не перевершують заданої граничної частоти, яка називається частотою зрізу фільтра. В той же час коливання з більш високими частотами повинні істотно пригнічуватися. Для ФНЧ з частотою зрізу ідеальна амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) має вигляд, показаний на рис. 1, де – комплексний коефіцієнт передачі по напрузі. (1.1) Рис. 1 – Ідеальна АЧХ При цьому на форму фазочастотної характеристики ніяких обмежень не накладається. Такий підхід називається синтезом фільтра за заданою амплітудно-частотною характеристикою. Ідеальна АЧХ (рис. 4.1) відповідно до теореми Вінера фізично нереалізовувана [2, c. 193]. Тому ідеальну АЧХ апроксимують такою функцією, яку можна реалізувати. У радіотехніці найбільше поширення набули два способи апроксимації: Батерворта і Чебишова. 1.2 Синтез передавальної функції ФНЧ на основі апроксимації Батерворта Один з можливих способів апроксимації ідеальної частотної характеристики ФНЧ побудований на використовуванні коефіцієнта передачі потужності : D Equation.DSMT4HYPER14HYPER15, (1.2) де – безрозмірна нормована частота. Коефіцієнт передачі потужності є квадратом модуля комплексного коефіцієнта передачі за напругою, тобто: (1.3) Фільтр нижніх частот (1.2) називають фільтром Батерворта, або фільтром з максимально-плоскою частотною характеристикою. Ціле число DSMT4HYPER14HYPER15 називається порядком фільтру. При будь-кому фільтр з коефіцієнтом передачі потужності (1.2) може бути реалізований [2]. Знайдемо порядок фільтру Батерворта з частотою зрізу , який на частоті Equation.DSMT4HYPER14HYPER15 забезпечував би ослаблення сигналу не менше ніж по відношенню до рівня при . (1.4) Сформульована умова визначає порядок фільтра як найближче більше ціле число до кореня рівняння: (1.5) Найближче більше ціле число : n = 6 Для синтезу структури ланцюга необхідно від коефіцієнта передачі потужності, заданого у формі (1.2), перейти до передавальної функції . З цією метою введемо нормовану комплексну змінну і запишемо (1.2) так [2]: (1.6) З (1.6) видно, що функція HYPER14HYPER15 на площині комплексної змінної має полюсів, які є коренями рівняння: (1.7) Всі ці корені лежать на колі одиничного радіуса з центром у початку координат. При полюси коефіцієнта потужності знаходяться з рівняння , тобто маємо коренів: Тепер скористаємося тим, що полюси коефіцієнта передачі потужності мають квадрантну симетрії, тобто їх число і конфігурація розташування в обох напівплощинах однакові. Це дозволяє вважати, що тільки ті полюси, які розташовані в лівій напівплощині, відповідають фільтру, що синтезується. Їх дзеркальні копії в правій напівплощині відповідають функції і відкидаються. Отже будемо мати: Отже передавальна функція фільтра Батерворта Equation.DSMT4HYPER14HYPER15 для буде мати наступний вигляд: 1.3 Синтез передавальної функції ФНЧ на основі апроксимації Чебишова Широке вживання знаходить також і другий спосіб апроксимації АЧХ ідеального ФНЧ, що одержав назву чебишовської апроксимації. Коефіцієнт передачі потужності такого ФНЧ задається формулою: , (1.8) де – коефіцієнт нерівномірності характеристики в смузі пропускання; – багаточлен Чебишова -го порядку, визначуваний виразом [2]: (1.9) Знайдемо коефіцієнт нерівномірності для значень у децибелах: (1.10) Виходячи із заданих рівнів нерівномірності та придушення , порядок фільтра Чебишова можна визначити з рівняння: , (1.11) де – придушення в децибелах на нормованій частоті . Отже, з рівняння (1.11) знайдемо порядок фільтру Чебишева: (1.12) Для знаходження передавальної функції чебишовського ФНЧ необхідно визначити полюси .DSMT4HYPER14HYPER15 коефіцієнта передачі потужності, які є коренями рівняння: (1.13) Для знаходження коренів (1.13) згідно з [2] спочатку обчислюють допоміжний параметр : (1.14) Тепер знайдемо полюси передавальної функції фільтру Батерворта того ж порядку і з тією ж частотою зрізу і виділимо лише ті, що знаходяться в лівій частині одиночного кола: Отже, знайдемо абсциси полюсів передавальної функції чебишовського фільтру: D Equation.DSMT4HYPER14HYPER15 Тепер знайдемо ординати полюсів передавальної функції чебишовського фільтру: Запишемо знайдені полюси: Отже, передавальна функція фільтра Чебишова для буде мати наступний вигляд: 2 СИНТЕЗ ПРИНЦИПОВОЇ СХЕМИ ФІЛЬТРА НИЖНІХ ЧАСТОТ 2.1 Постановка задачі і опис методики її розв’язання Остаточний етап синтезу фільтра полягає в побудові його електричної принципової схеми. Для цього може бути використаний підхід на основі так званого структурного синтезу, коли ланцюг з передавальною функцією утворюється шляхом послідовного (каскадного) вмикання деякого числа ланок з передавальними функціями , – число ланок (рис. 2.1). Рис. 2.1 – Послідовне з’єднання ланок Для структури на рис. 2 має місце: (2.1) Отже, передавальні функції , повинні бути такими, щоб їх перемноження давало необхідну передавальну функцію або, іншими словами, щоб вони могли реалізувати полюси функції , які були визначені раніше на етапі апроксимації. 2.2 Синтез принципової схеми ФНЧ Батерворта та розрахунок його АЧХ Передавальна функція ФНЧ будь-якого порядку може бути реалізована на основі ланок порядку не вище за другий. Оскільки, у нас є парним числом, то передавальну функцію можна реалізувати за допомогою послідовного з’єднання ation.DSMT4HYPER14HYPER15 фільтрів другого порядку. Запишемо коефіцієнт передачі фільтра: (2.2) Всі ланки фільтра можна реалізувати за допомогою активних ФHЧ другого порядку на основі операційних підсилювачів. Активну ланку другого порядку можна одержати, з’єднавши інвертуючий вхід операційного підсилювача з виходом за допомогою двопетлевого ланцюга зворотнього зв’язку (рис. 2.2). Рис. 2.2 – Структура схеми ФНЧ другого порядку Для схеми, зображеної на рис. 2.2, в [2, с. 354] одержано вираз для передавальної функції в припущенні, що операційний підсилювач є ідеальним: , (2.3) де , – операторні провідності, які реалізуються за допомогою пасивних двополюсників типу і . У випадку резистора операторна провідність буде , а для конденсатора . Таким чином, задача синтезу активного ланцюга з двопетлевим зворотним зв’язком зводиться до підбору провідностей пасивних елементів, які забезпечують заданий вид передавальної функції, а отже, і амплітудно-частотної характеристики. Передавальна функція ФНЧ другого порядку в загальному випадку повинна мати такий вигляд: , (2.4) де , , , – деякі постійні величини. Параметр tion.DSMT4HYPER14HYPER15 пов’язаний з параметром виразом: (2.5) Отже, параметр , який називають коефіцієнтом підсилення за постійним струмом, визначає передавальну функцію на нульовій частоті вхідного сигналу. Порівнюючи (2.3) і (2.4), бачимо, що для реалізації передавальної функції вигляду (2.4) необхідне, щоб елементи , D Equation.DSMT4HYPER14HYPER15, були резисторами, а елементи і – конденсаторами. При цьому передавальна функція (2.3) набуває вигляду: (2.6) Полюси передавальної функції (2.6) знаходяться за формулою: (2.7) До цього виразу ще слід додати відношення, необхідне для забезпечення заданого значення параметра HYPER15. Як випливає з (2.5) і (2.6), це відношення має вигляд: (2.8) Отже, синтезувавши електричні принципові схеми всіх ланок 2-го порядку, одержимо схему ФНЧ шостого порядку. Для переходу до ненормованих полюсів необхідно нормовані полюси, які були знайдені в пункті 1.2 курсової роботи, домножити на значення частоти зрізу , тобто: (2.9) Запишемо значення ненормованих полюсів : (2.10) Знайдемо параметри першої ланки. Нехай , . З умови (2.8) випливає, що , а , і отже . Прирівнюючи реальні частини виразів (2.7) і (2.10), одержуємо формулу для визначення ємності конденсатора : (2.11) Щоб знайти ємність конденсатора , слід прирівняти уявні частини виразів (2.7) і (2.10): (2.12) Знайдемо параметри другої ланки. Нехай , . З умови (2.8) випливає, що , а , і отже . Прирівнюючи реальні частини виразів (2.7) і (2.10), одержуємо формулу для визначення ємності конденсатора : (2.13) Щоб знайти ємність конденсатора , слід прирівняти уявні частини виразів (2.7) і (2.10): (2.14) Знайдемо параметри третьої ланки. Нехай , . З умови (2.8) випливає, що , а , і отже . Прирівнюючи реальні частини виразів (2.7) і (2.10), одержуємо формулу для визначення ємності конденсатора : (2.15) Щоб знайти ємність конденсатора , слід прирівняти уявні частини виразів (2.7) і (2.10): (2.16) Синтезуємо принципову схему ФНЧ Батерворта (рис. 2.3). Рис. 2.3 – Принципова схема ФНЧ Батерворта За допомогою Circuit Maker 6 Pro побудуємо АЧХ цього фільтру (рис. 2.4). Рис. 2.4 – АЧХ ФНЧ Батерворта 2.3 Синтез принципової схеми ФНЧ Чебишова та розрахунок його АЧХ Оскільки, у нас є непарним числом, то передавальну функцію можна реалізувати за допомогою послідовного з’єднання фільтрів другого порядку. Запишемо коефіцієнт передачі фільтра: (2.19) Всі ланки фільтра можна реалізувати за допомогою активних ФHЧ другого порядку на основі операційних підсилювачів. Активну ланку другого порядку можна одержати, з’єднавши інвертуючий вхід операційного підсилювача з виходом за допомогою двопетлевого ланцюга зворотнього зв’язку (рис. 2.2). Отже, синтезувавши електричні принципові схеми всіх ланок 2-го порядку, одержимо схему ФНЧ п’ятого порядку. Для переходу до ненормованих полюсів необхідно нормовані полюси, які були знайдені в пункті 1.3 курсової роботи, домножити на значення частоти зрізу , тобто: (2.20) Запишемо значення ненормованих полюсів : (2.21) Знайдемо параметри першої ланки. Нехай , . З умови (2.8) випливає, що , а , і отже . Прирівнюючи реальні частини виразів (2.7) і (2.21), одержуємо формулу для визначення ємності конденсатора : (2.22) Щоб знайти ємність конденсатора , слід прирівняти уявні частини виразів (2.7) і (2.21): (2.23) Знайдемо параметри другої ланки. Нехай , . З умови (2.8) випливає, що , а , і отже . Прирівнюючи реальні частини виразів (2.7) і (2.21), одержуємо формулу для визначення ємності конденсатора : (2.24) Щоб знайти ємність конденсатора , слід прирівняти уявні частини виразів (2.7) і (2.21): (2.25) Знайдемо параметри третьої ланки. Нехай , . З умови (2.8) випливає, що , а , і отже , . Прирівнюючи реальні частини виразів (2.7) і (2.21), одержуємо формулу для визначення ємності конденсатора : (2.26) Щоб знайти ємність конденсатора , слід прирівняти уявні частини виразів (2.7) і (2.21): (2.27) Синтезуємо принципову схему ФНЧ Чебишова (рис. 2.5). Рис. 2.5 – Принципова схема ФНЧ Чебишова За допомогою Circuit Maker 6 Pro побудуємо АЧХ цього фільтру (рис. 2.6). Рис. 2.6 – АЧХ ФНЧ Чебишова Деяке неспівпадання отриманих результатів з початковими можна пояснити тим, що під час визначення порядку фільтрів потрібно було округлити його до більшого цілого числа, також були округлені знайдені номінали елементів. Тому й всі частоти зсунулися вправо. Якщо потрібна ідеальна АЧХ тоді краще використати фільтр Батерворта, бо як бачимо (рис. 2.4) до частоти зрізу коефіцієнт передачі майже не міняється і становить заданий, а АЧХ фільтру Чебишова має викиди. Але якщо треба отримати необхідний рівень згасання, за умови обмеженої кількості елементів, тоді краще використати фільтр Чебишова. 3 АНАЛІЗ ЧУТЛИВОСТІ СИНТЕЗОВАНИХ ФІЛЬТРІВ НИЖНІХ ЧАСТОТ 3.1 Постановка задачі і опис методики її розв’язання Чутливість – це величина зміни вихідного параметра в залежності від зміни вхідних або внутрішніх параметрів . Вхідна чутливість визначає мінімальний рівень вхідного сигналу, при якому пристрій виконує свою роботу. Внутрішня чутливість показує залежність зміни вихідного параметра від зміни вхідного параметра. Одною з головних задач розрахунку схем є визначення допуску на елементи, виходячи із заданого діапазона зміни АЧХ. Допуск на елемент залежить від діапазона відхилення вихідного параметра та від чутливості схеми до зміни внутрішнього параметра. Чутливість характеризується абсолютним та відносним коефіцієнтом чутливості. Абсолютний коефіцієнт – це відношення приросту вихідного параметру до приросту параметру, що викликав цей приріст і визначається за формулою: (3.1) Більше інформації дає відносний коефіцієнт чутливості : (3.2) Ми будемо користуватися напіввідносним коефіцієнтом чутливості : (3.3) Він показує на скільки децибелів зміниться вихідна величина при зміні параметру на 1%. 3.2 Аналіз чутливості АЧХ фільтрів Для виміру коефіцієнту чутливості використовують метод малих прирощень. Змінюючи значення параметрів елементів на , за графіком АЧХ ФНЧ Батерворта (рис. 2.4) вимірюємо найбільше прирощення і за (3.3) знаходимо напіввідносний коефіцієнт чутливості для кожного з елементів ФНЧ Батерворта: (3.4) Результати зведемо у таблицю 3.1. Таблиця 3.1. Елемент 0,834 0,0834 0,891 0,0891 1,238 0,1238 0,806 0,0806 0,600 0,0600 0,809 0,0809 0,755 0,0755 0,511 0,0511 0,600 0,0600 1,146 0,1146 1,413 0,1413 0,976 0,0976 0,285 0,0285 0,844 0,0844 0,256 0,0256 Змінюючи значення параметрів елементів на , за графіком АЧХ ФНЧ Чебишова (рис. 2.6) вимірюємо найбільше прирощення і за (3.3) знаходимо напіввідносний коефіцієнт чутливості для кожного з елементів ФНЧ Чебишова: (3.5) Результати зведемо у таблицю 3.2. Таблиця 3.2. Елемент 0,800 0,0800 0,760 0,0760 0,832 0,0832 2,867 0,2867 0,807 0,0807 2,098 0,2098 1,100 0,1100 0,689 0,0689 0,449 0,0449 0,576 0,0576 0,864 0,0864 0,429 0,0429 3,000 0,3000 1,267 0,1267 0,843 0,0843 3.3 Розрахунок вимог до допусків параметрів елементів ФНЧ Якщо задано допустиме відхилення амплітудно-частотної характеристики ФНЧ від номінальної за рахунок розкиду параметрів елементів схеми , то можна знайти допуски параметрів елементів ФНЧ за формулою: (3.6) Знайдемо процентний допуск параметрів елементів ФНЧ Батерворта за формулою (3.6) і результати зведемо у таблицю 3.3. Таблиця 3.3. Елемент 0,0834 9,592 0,0891 8,979 0,1238 6,462 0,0806 9,926 0,0600 13,333 0,0809 9,889 0,0755 10,596 0,0511 15,656 0,0600 13,333 0,1146 6,980 0,1413 5,662 0,0976 8,197 0,0285 28,070 0,0844 9,479 0,0256 31,250 Знайдемо процентний допуск параметрів елементів ФНЧ Чебишова за формулою (3.6) і результати зведемо у таблицю 3.4. Таблиця 3.4. Елемент 0,0800 10,000 0,0760 10,526 0,0832 9,615 0,2867 2,790 0,0807 9,913 0,2098 3,813 0,1100 7,273 0,0689 11,611 0,0449 17,817 0,0576 13,889 0,0864 9,259 0,0429 1,865 0,3000 2,667 0,1267 6,314 0,0843 9,490 3.4 Моделювання відхилень АЧХ за методом Монте Карло За допомогою функції Monte Carlo пакета Circuit Maker перевіримо правильність розрахунків процентних допусків параметрів елементів для ФНЧ Батерворта (рис. 3.1). Рис. 3.1 – Результат функції Monte Carlo ФНЧ Батерворта За допомогою функції Monte Carlo пакета Circuit Maker перевіримо правильність розрахунків процентних допусків параметрів елементів для ФНЧ Чебишова (рис. 3.2). Рис. 3.2 – Результат функції Monte Carlo ФНЧ Чебишова Оскільки відхилення АЧХ від номінальної для обох фільтрів менше за , то процентні допуски елементів розраховані вірно. 3.5 Порівняльний аналіз двох варіантів ФНЧ з погляду чутливості Аналізуючи таблицю 3.3 та таблицю 3.4 на основі процентних допусків елементів схем, можна сказати, що фільтр Чебишова в порівнянні з фільтром Батерворта більш чутливіший до зміни елементів. Це можна пояснити тим, що ФНЧ Батерворта містить в собі більше елементів і зміна будь-якого з цих елементів не так впливає на зміну АЧХ, ніж зміна цих же елементів ФНЧ Чебишова. ФНЧ Чебишова має більш крутішу характеристику, а це означає, що при зміні параметрів елементів, АЧХ буде відхилятися також крутіше, ніж у ФНЧ Батерворта. Максимальний коефіцієнт чутливості для ФНЧ Батерворта становить , тоді як для ФНЧ Чебишова становить . Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Арк. 3 РТС 3.082.000 ПЗ Розроб. Согомонян Г.С. Перевір. Троянський О.В. Реценз. Н. Контр. Затверд. Пояснювальна записка Літ. Аркушів 35 ІРТ РТ–081 К Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Арк. РТС 3.081.000 ПЗ 4 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Арк. РТС 3.081.000 ПЗ 5 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Арк. РТС 3.082.000 ПЗ РТС 3.082.000 ПЗ РТС 3.082.000 ПЗ Арк. Дата Підпис № докум. Арк. Змн. Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Арк. РТС 3.082.000 ПЗ Арк. Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Арк. РТС 3.082.000 ПЗ Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Арк. РТС 3.082.000 ПЗ Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Арк. РТС 3.082.000 ПЗ 12 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Арк. РТС 3.082.000 ПЗ Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Арк. РТС 3.082.000 ПЗ 14 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Арк. РТС 3.082.000 ПЗ РТС 3.082.000 ПЗ Арк. Дата Підпис № докум. Арк. Змн. 17 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Арк. РТС 3.082.000 ПЗ 18 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Арк. РТС 3.082.000 ПЗ 19 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Арк. РТС 3.082.000 ПЗ Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Арк. РТС 3.082.000 ПЗ Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Арк. РТС 3.082.000 ПЗ 22 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Арк. РТС 3.082.000 ПЗ Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Арк. РТС 3.082.000 ПЗ РТС 3.082.000 ПЗ Арк. Дата Підпис № докум. Арк. Змн. Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Арк. РТС 3.082.000 ПЗ 26 РТС 3.082.000 ПЗ Арк. Дата Підпис № докум. Арк. Змн. 27 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Арк. РТС 3.082.000 ПЗ Дата Підпис № докум. Арк. Змн. |
Посетителей: 2, из них зарегестрированных: 0, гостей: 2 Зарегистрированные пользователи: Подробно | Страница сгенерирована за 0.0727 сек. |