Високочестотен филтър Butterworth

Харковски национален университет по радиоелектроника

Катедра REU

КУРСОВА РАБОТА

РАЗРЕШИТЕЛНА И ОБЯСНИТЕЛНА ЗАПИСКА

BUTTERWORTH HIGH PASS ФИЛТЪР

Проектирайте високочестотен филтър (HPF) с апроксимация на амплитудно-честотната характеристика (AFC) чрез полинома на Butterworth, определете необходимия ред на филтъра, ако са зададени параметрите на AFC (фиг. 1): K0 = 26dB

филтър

Фигура 1 - Шаблон HPF на Butterworth.

Осигурете малка чувствителност към отклонения в оценките на елементите.

Споразумение и обяснителна бележка: 26 стр., 11 фиг., 6 табл.

Цел на работата: синтез на активна високочестотна RC филтърна верига и изчисляване на нейните компоненти.

Метод на изследване: апроксимация на честотната характеристика на филтъра чрез полинома на Бътъруърт.

Приблизителната трансферна функция се реализира с помощта на активен филтър. Филтърът е изграден чрез каскадни независими връзки. Активните филтри използват неинвертиращи усилватели с ограничено усилване, които се изпълняват с помощта на операционни усилватели.

Резултатите от работата могат да се използват за синтезиране на филтри за радиотехника и битово оборудване.

1. Преглед на подобни схеми

2. Избор и обосновка на филтърната схема

3. Модел на топологичен филтър и функция за пренос на напрежение

3.1 Прилагане на нормализация на HPF

3.2 Определяне на необходимия ред на филтъра

3.3 Дефиниция на полинома на Бътъруърт

3.4 Обратен преход от нормализиран към проектиран HPF

3.5 Преход от предавателна функция към верига

3.6 Преход от предавателна функция към верига

3.7 Избор на активна HPF верига от трети ред

4. Изчисляванеелементи на веригата

5. Техника за настройка на разработения филтър

Списък на използваната литература

Доскоро резултатите от сравняването на цифрови и аналогови устройства в радиооборудването и техническите средства за телекомуникации не можеха да предизвикат чувство на недоволство. Цифровите възли, реализирани с широкото използване на интегрални схеми (ИС), се различават благоприятно по своята конструктивна и технологична пълнота. По-различно беше положението с възлите за аналогова обработка на сигнали, които например в телекомуникациите представляваха 40-60% от обема и масата на комуникационното оборудване. Обемисти, съдържащи голям брой ненадеждни и отнемащи време елементи за навиване, те изглеждаха толкова депресиращи на фона на големи интегрални схеми, че породиха мнение сред редица експерти за необходимостта от „пълна цифровизация“ на електронното оборудване.

Последното обаче, както всяка друга крайност, не доведе (и не можа) да доведе до резултати, адекватни на очакваните. Истината, както във всички други случаи, беше някъде по средата. В редица случаи оборудването, изградено на базата на функционални аналогови блокове, чиято елементна база е адекватна на възможностите и ограниченията на микроелектрониката, се оказва по-ефективно.

Адекватността в този случай може да бъде осигурена чрез прехода към активни RC вериги, чиято елементарна основа не включва индуктори и трансформатори, които по принцип не се изпълняват с помощта на микроелектроника.

Валидността на такъв преход в момента се определя, от една страна, от постиженията на теорията на активните RC вериги, а от друга страна, от успеха на микроелектрониката, която предостави на разработчиците висококачествени линейни интегрални схеми, включително интегрални работни схеми.усилватели (операционни усилватели). Тези операционни усилватели, имащи голяма функционалност, значително обогатиха аналоговата схема. Това беше особено очевидно в схемата на активните филтри.

До 60-те години за реализиране на филтри се използват предимно пасивни елементи, т.е. индуктори, кондензатори и резистори. Основният проблем при внедряването на такива филтри е размерът на индукторите (при ниски честоти те стават твърде обемисти). С развитието на интегрираните операционни усилватели през 60-те години се появи нова посока в проектирането на активни филтри, базирани на операционни усилватели. Активните филтри използват резистори, кондензатори и операционни усилватели (активни компоненти), но нямат индуктори. В бъдеще активните филтри почти напълно замениха пасивните. В момента пасивните филтри се използват само при високи честоти (над 1 MHz), извън честотния диапазон на най-широко използваните операционни усилватели. Но дори в много високочестотни устройства, като радиопредаватели и приемници, традиционните RLC филтри се заменят с кварцови и повърхностни акустични вълнови филтри.

Сега в много случаи аналоговите филтри се заменят с цифрови. Работата на цифровите филтри се осигурява главно от софтуер, така че те са много по-гъвкави при използване в сравнение с аналоговите. С помощта на цифрови филтри е възможно да се реализират такива трансферни функции, които са много трудни за получаване чрез конвенционални методи. Цифровите филтри обаче все още не могат да заменят аналоговите филтри във всички ситуации, така че остава необходимостта от най-популярните аналогови филтри - активни RC филтри.

1. Преглед на подобни схеми

Филтрите са честотно селективни устройства, които позволяватили забавяне на сигнали, разположени в определени честотни ленти.

Филтрите могат да бъдат класифицирани според тяхната честотна характеристика:

1. Нискочестотни филтри (LPF) - пропускат всички трептения с честоти не по-високи от определена гранична честота и постоянна компонента.

2. Високочестотни филтри (LPF) - пропускат всички вибрации не по-ниски от определена гранична честота.

3. Лентово пропускащи филтри (BPF) - пропускат трептенията в определена честотна лента, която се определя от определено ниво на честотната характеристика.

4. Band-stop филтри (BPF) - забавят колебанията в определена честотна лента, която се определя от определено ниво на честотна характеристика.

5. Notch филтри (RF) - вид BPF, който има тясна лента на забавяне и се нарича още филтър за спирачка.

6. Фазови филтри (FF) - в идеалния случай имат постоянен коефициент на предаване при всички честоти и са предназначени да променят фазата на входните сигнали (по-специално за времезакъснението на сигналите).

високочестотен

Фигура 1.1 - Основните видове филтри

С активни RC филтри е невъзможно да се постигне идеалната форма на честотната характеристика под формата на правоъгълници, показани на Фиг. 1.1, със строго постоянно усилване в лентата на пропускане, безкрайно затихване в лентата на потискане и безкрайна стръмност на отклонението от лентата на пропускане към лентата на потискане. Дизайнът на активен филтър винаги е компромис между идеалната форма на характеристиката и сложността на нейното изпълнение. Това се нарича „проблем с приближението“. В много случаи изискванията за качество на филтриране позволяват да се работи с най-простите филтри от първи и втори ред. Някои схеми на такива филтри са представени по-долу. ДизайнФилтърът в този случай се свежда до избор на верига с най-подходящата конфигурация и след това изчисляване на стойностите на рейтингите на елементите за конкретни честоти.

Въпреки това има ситуации, при които изискванията за филтриране могат да бъдат много по-строги и може да са необходими схеми от по-висок порядък от първата и втората. Проектирането на филтри от висок ред е по-трудна задача, която е предмет на тази курсова работа.

По-долу са някои от основните схеми от първи втори ред с описание на предимствата и недостатъците на всяка от тях.

1. LPF-I и HPF-I на базата на неинвертиращ усилвател.

филтър

Фигура 1.2 - Филтри, базирани на неинвертиращ усилвател:

Предимствата на филтърните схеми включват главно лекотата на внедряване и настройка, недостатъците са ниската стръмност на честотните характеристики и не са много устойчиви на самовъзбуждане.

2. LPF-II и HPF-II с многоконтурна обратна връзка.

филтър

Фигура 1.3 - Филтри с многоконтурна обратна връзка:

а) LPF-II, б) HPF-II.

Таблица 2.1 - Предимства и недостатъци на LPF-II с многоконтурна обратна връзка

Можете да създадете нискочестотен филтър с

Сравнително ниска чувствителност към отклонения на стойността на елемента (почти винаги по-малко от 1)

Сравнително нисък входен импеданс

Лесно конфигурируем само с два параметъра

Голям набор от рейтинги на елементи, особено за големи

Таблица 2.2 - Предимства и недостатъци на HPF-II с многоконтурна обратна връзка