Разработка эквивалентных и принципиальных схем электрического фильтра и усилителя напряжения (стр. 2 из 5)
Кр Кр Кр Кр1 1 1 1
П ПЗ ПП ПЗ ПЗ П П ПЗ ПП ПЗ ПП
0,5 0,5 0,5 0,5
0 f2f3f 0 f3 f2f3нf2н f0f2вf3в f2н f3н f0f3вf2в
а) ФНЧ б) ФВЧ в) ПФ г) РФ
Рис. 2
а, дБ а, дБ а, дБ а, дБ40 40 40 40
агар агар агар агар агар агар
20 20 20 20
Dа Dа Dа Dа
0 f2 f3 0 f3 f2 0 f3нf2н f0f2вf3в 0 f2н f3н f0f3вf2в
а) ФНЧ б) ФВЧ в) ПФ г) РФ
Рис. 3На рис. 2 и рис. 3 обозначено:
ПП, ПЗ - полоса пропускания и полоса задерживания, соответственно;
f2 (f2Н, f2В) - граничная частота полосы пропускания фильтра;
f3 (f3Н, f3В) - граничная частота полосы задерживания фильтра;
f0 - средняя частота фильтра (для ПФ и РФ);
Кр - модуль коэффициента передачи полной мощности;
Dа – ослабление фильтра в полосе пропускания, (не более);
агар- ослабление фильтра в полосе задерживания, (не менее);
Кроме того, для электрических фильтров приняты обозначения:
(f2В - f2Н) = 2Δfпп - полоса пропускания;
(f3В - f3Н) = 2Δfп3 - полоса задерживания;
f3 / f2 = Кпр - коэффициент прямоугольности ФНЧ, ФВЧ;
2Δfп3 / 2Δfпп = Кпр - коэффициент прямоугольности ПФ, РФ.
На рисунках 4 а, б, в, г, для примера, показаны схемы простых фильтров «Г-типа»:
Рис. 4
На рисунке 4, естественно, не показаны “резисторы внешних цепей”, с которыми согласован по мощности фильтр. Принцип “фильтрации” заключается в следующем. В полосе пропускания, вблизи резонансных частот, фильтр согласован с внешними “цепями” и в нагрузку передается максимальная мощность. В полосе задерживания согласование ухудшается, ослабление увеличивается.
Реальный электрический фильтр может быть выполнен на различных радиокомпонентах: “катушках и конденсаторах”, “волноводах”, “акустоэлектронных”. В принципе, можно пользоваться справочниками по расчету фильтров на вполне определенных радиокомпонентах. Однако более универсальным является следующий метод: вначале разрабатывается эквивалентная схема на идеальных LC-элементах, а затем в любые реальные, т.е. получается схема электрическая принципиальная наиболее прост перерасчет “конденсаторам и катушкам индуктивности”, т.к. “вид” схемы не меняется.
Но и при таком “универсальном подходе” возможны следующие способы синтеза эквивалентной схемы:
а) синтез в согласованном режиме из одинаковых Г-образных звеньев (синтез по “характеристическим” параметрам, синтез фильтр типа “К”) [1].
Достоинство этого способа: простые расчетные формулы; рассчитанное ослабление в полосе пропускания (
) считается равным нулю.Недостаток: в реальных фильтров согласования во всей полосе пропускания получить невозможно и
0 (достигает трех децибел).б) полиномиальный синтез (синтез по рабочим параметрам, синтез “по справочникам ФНЧ”. “Предлагается” схема ФНЧ, учитывающая несогласования. ФНЧ легко пересчитываются в ФВЧ, в ПФ, в РФ.
Недостаток: необходимость использования справочников или специальных программных средств [2].
в) синтез по импульсным или переходным характеристикам применяется при синтезе цифровых фильтров.
Учитывая заданные требования в курсовой работе, общий объем работы, выберем для последующего синтеза метод синтеза по характеристическим параметрам.
1.3 Общие принципы проектирования усилителя напряжения
Аналоговый усилитель напряжения может быть разработан на интегральных микросхемах различного типа, на полевых транзисторах, на биполярных транзисторах (корпусных или бескорпусных). Учитывая небольшое значение требуемого коэффициента усиления по напряжению достаточно одного каскада усиления.
Выберем вариант с корпусным биполярным транзистором, как более дешевый. Учтем также, что можно применить только схему “с общим эмиттером”, без дополнительных усложнений, т.к. она обеспечивает и требуемое усиление, и согласование, в соответствии с величинами сопротивлений, указанным в задании. Схема “с общим коллектором” не усиливает напряжение, а схема “с общей базой” имеет маленькое входное сопротивление (десятки “Ом”), что не соответствует заданию.
1.4 Общие принципы и анализ спектра сложного периодического сигнала
Во всех вариантах задания, входной сигнал теоретически бесконечные импульсы различной формы (четные, нечетные, с постоянной составляющей или без нее). В реальных условиях “не бесконечные во времени”, но “достаточно протяженные” последовательности, встречаются часто. Анализ подобных последовательностей заключается в замене их – аналитическим выражением в виде некоторого “алгебраического” ряда с более простыми функциями. В аналоговой радиотехнике наибольшее применение для таких целей нашел “гармонический” ряд Фурье. Именно разложение в такой ряд в радиотехнике и принято называть спектром периодического сигнала. Рисунки амплитуд и начальных фаз отдельных “гармоник” ряда называют амплитудным и фазовым спектром.
Разложение в ряд Фурье будет рассмотрено в разделе 4.
1.5 Общие принципы анализа прохождения входного сигнала через радиотехнические устройства
а) После определения составляющих бесконечного спектра входного сигнала, целесообразно провести сравнение, например, амплитуд первой и четвертой-пятой из них, меньше 0,1
0,2 доли от амплитуды первой, то “расчетный” спектр ограничивается, пренебрегая гармониками с небольшими амплитудами;б) Анализируется
фильтра для гармоник, оставшихся в “расчетном” спектре и определяются амплитуды в спектре сигнала на выходе фильтра. Можно принять, что фильтр не дает дополнительного фазового сдвига;в) На входе усилителя целесообразно включить разделительный конденсатор, чтобы “постоянная составляющая”, если она имеется в сигнале, прошедшем через фильтр, не изменила режим по постоянному току усилителя. Ввиду малых по амплитуде переменных сигналов усилитель будем считать линейным для переменных сигналов (с постоянным
). Кроме того, будем учитывать, что схема “ОЭ” дает дополнительный фазовый сдвиг 
.1.6 Замечание
Так как при расчетах различного вида будут встречаться различные “округления”, считаем, что разрешена погрешность в расчетах
10% на любом этапе расчета.2. РАЗРАБОТКА СХЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ФИЛЬТРА.
2.1 Основные положения теории
Итак, в разделе 1 был выбран метод синтеза в согласованном режиме из одинаковых звеньев “Г-типа”, LC-схемы которых показаны на рисунке 3.
Условные обозначения:
f2 – граничная частота полосы пропускания;
f3 – граничная частота полосы задерживания;
Кпр=f3/f2 -коэффициент прямоугольности;
, не менее – гарантированное ослабление в ПЗ; , не более – минимальное ослабление в ПП;Rг= Rвхф=Rвыхф=Rн – значения сопротивлений для согласованного режима.
Расчетные формулы для ФНЧ, например, из [1]:
(1) 
(2) 
(3) 
(4) 
(5)Последнее выражения справедливы только для построения графика в полосе задерживания и в переходной полосе. В полосе пропускания, по этому методу, считается
, т.е. требования задания в рассчитанной эквивалентной схеме выполняются. Подключать звенья (одно к другому) можно “любыми клеммами”.Если из ФНЧ требуется получить ПФ, и из ФВЧ – РФ, то отдельные “ветви” ФВЧ и ФВЧ преобразуются добавлением добавочных элементов к виду “рисунков 3 в,г”. Дополнительные элементы ветвей определяются по формуле:
, где 
- средняя частота ПФ или РФ.2.2 Синтез эквивалентной схемы
В данном варианте задания, имеем ФНЧ обладающий следующими характеристиками:
f2 = 180 кГц;
f3 = 60 кГц;
Кпр = 1/3;
а гар = 22 дБ:
∆a= 2,2 дБ;
Rг=Rн=Rф=1 кОм.
Требования к расчёту и звено фильтра представлены на рисунке 5 а, б.
 | ||
 | ||
 | ||
 | ||
а) б)