Разработка дополнительных вопросов проектирования

Реферат.

В данном курсовом проекте требуется рассчитать заграждающий фильтр для измерителя нелинейных искажений методом полос шума. Работа включает в себя:

1. Расчетную часть.

2. Разработку схемы электрической принципиальной.

Первая часть подразумевает расчет фильтра. Вторая часть включает в себя расчет номиналов резисторов и конденсаторов, выбор операционных усилителей, выбор номиналов ЭРИ с учетом типовых рядов.

Содержание

1. Эскизное проектирование фильтра

1.1 Структурная схема измерительной установки

1.2 Выбор типа аппроксимации фильтра и схемы его реализации

1.3 Ориентировочный выбор типа ОУ

1.4 Исходные данные для проектирования

1.5 Расчет параметров ИНУН

1.6 Расчет порядка фильтра

1.7 Расчет количества ячеек фильтра

1.8 Базовая расчетная схема фильтра

2. Расчет параметров и определение режимов схемы фильтра

2.1 Определение нормированных параметров элементов схемы ФНЧ

2.2 Определение нормированных параметров схемы ФВЧ

2.3 Выбор значения масштабного коэффициента для первых звеньев ФНЧ и ФВЧ

2.4 Выбор значения масштабного коэффициента для других звеньев ФНЧ и ФВЧ

2.5 Денормирование значений элементов схемы ФНЧ и ФВЧ

3. Разработка дополнительных вопросов проектирования

3.1 Полная расчетная схема фильтра

3.2 Выбор типов прецизионных резисторов и конденсаторов, разъемов, элементов схемы типового включения ОУ, антигенерационных элементов

3.3 Описание конструкции фильтра

4. Список использованных источников

Приложение:

Схема электрическая принципиальная

Спецификация

Чертеж печатной платы.

1. Эскизное проектирование фильтра.

1.1. Структурная схема измерительной установки.

Принцип действия измерительной установки (рис.1) 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), 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 – К_ш (К_ш1, К_ш2, К_ш3, К_ш4, К_ш5).

Измерения проводятся в 5-ти полосах, перекрывающих весь звуковой диапазон (см. рис.2).

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

Эти фильтры образуются сочетанием фильтров низких частот (ФНЧ) и фильтров высоких частот (ФВЧ). Параллельное соединение ФВЧ и ФНЧ позволяет получить задерживающий фильтр.

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

Полоса пропускания задерживающего фильтра будет простираться от частоты

= ⁄2,32 = 215,5 Гц до частоты

=2,32 = 2,32 *500 = 1160 Гц.

1.2. Выбор типа аппроксимации фильтра и схемы его реализации.

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. Коэффициент передачи фильтра Чебышева имеет вид:

К_дБ = -10 lg(1+ε²· ), где:

ε² – дополнительный коэффициент, характеризующий степень постоянства модуля относительного коэффициента передачи в полосе пропускания фильтра;

- нормированный полином Чебышева степени n.

Полином обеспечивает равноволновое приближение в полосе пропускания и монотонное уменьшение К_дБ (ω) при удалении от частоты среза ω_с.

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 сопротивление, 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.

Для реализации фильтров используем схему Саллена и Ки. На рис.4 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, которые и используются для составления базовой схемы фильтра.

1.3. Ориентировочный выбор типа ОУ.

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

Таблица 1.

Электрические параметры ОУ КР140УД26А.

Iпот	Rвх	Uсм	ΔUсм⁄Δt	ΔIвх	ΔIвх⁄Δt	Кy,u	Uвых.макс	Iвых. макс.	±Uп	V uвых	F1
мА	МОм	мВ	МкВ⁄°С	мА	мА⁄°С	тыс.	В	мА	В	В⁄мкс	МГц
4,7	0,5	0,03	0,3	35	0,2	1000	12	4	15	11	20

1.4. Исходные данные для проектирования.

Проанализируем исходные данные для создания фильтра:

- неравномерность характеристики фильтра в полосе пропускания - λ_дБ = 1 дБ;

- величина модуля относительного коэффициента передачи на частоте Ω_з : К_{з дБ} = -57 дБ;

- граничная частота между переходной областью и полосой задерживания: Ω_з = 2;

- центральная частота полосового фильтра и граничные частоты ФНЧ и ФВЧ: f₀ = 500 Гц;

= ⁄2,32 = 215,5 Гц; =2,32 = 2,32 *500 = 1160 Гц;

- параметры ОУ:

= 10⁶; = 0,5 МОм; = 200 Ом.

1.5. Расчет параметров ИНУН.

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

= (1+ ) = 0,5 · 10⁶ (1+10⁶) = 0,5 · 10¹² Ом.

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

= = = 2 · 10^-4 Ом.

1.6. Расчет порядка фильтра.

Проведем расчет порядка фильтров ФНЧ и ФВЧ.

Дополнительный коэффициент: ε² = (10^0,1·λдБ-1) = (10^0,1·1дБ-1) = (10^0,1-1) = (1,259-1) = 0,259.

Кз = 10^{0,05 · КздБ} = 10^0,05·(-57) = 10^-2,85 = 0,0014135.

Значение полинома: T_n = = = 1403,53.

Степень полинома (порядок фильтра):

N ≥ ≥ ≥ ≥ 6,05

Знак ≥ предполагает округление n до большего целого числа, что обеспечит получение переходной области несколько уже заданной. Выбираем n=7.

1.7. Расчет количества ячеек фильтра.

Рассчитаем количество звеньев, необходимое для реализации ФНЧ и ФВЧ. Для фильтра 7 порядка: N = = 3

Фильтр 7-го порядка будет содержать первую ячейку третьего порядка и последующие ячейки второго порядка.

1.8. Базовая расчетная схема фильтра.

Структурная схема заграждающего фильтра, по которой в дальнейшем будут соединяться фильтры, приведена на рис.5. Базовая расчетная схема фильтра представляет собой параллельно соединенные фильтры. Для устранения взаимного влияния выходных цепей фильтров используется суммирующий усилитель на основе ОУ. Усилитель имеет регулируемый коэффициент усиления ( ) для компенсации затухания, вносимого процессом суммирования. Тип ОУ выбираю такой же, как для самих фильтров.

Рис.5

Структурная схема заграждающего фильтра.

Базовая расчетная схема заграждающего фильтра.

Рис.6

2. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМОВ СХЕМЫ ФИЛЬТРА.

2.1. Определение нормированных параметров элементов схемы ФНЧ .

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

= ;

=

;

= 7,973 Ф;

= 4,483 Ф;

= 0,4698 = 4,698 · 10^-1Ф;

= 6,446 Ф;

= 0,2429 = 2,429 · 10^-1 Ф;

= 18,07 Ф;

= 5,778·10^-2 Ф.

2.2. Определение нормированных параметров элементов схемы ФВЧ.

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

= = 1 Ф;

;

;

= = 0,125 Ом;

= = 0,223 Ом;

= = 2,129 Ом;

= = 0,155 Ом;

= = 4,117 Ом;

= = 0,055 Ом;

= = 17,307 Ом.

2.3. Выбор значения масштабного коэффициента для первых звеньев ФВЧ и ФНЧ.

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

1. Получение входного сопротивления фильтра более 20 кОм:

≥60000 – для звена 3-го порядка;

2. Получение значений сопротивлений резисторов менее 1МОм, что обеспечит приемлемые шумовые свойства схемы: ≤10⁶;

3. При использовании прецизионных конденсаторов типа К10-43, у которых наибольшее номинальное значение емкости равно 44,2 НФ, можно принять:

≤44,2·10^-9 Ф, тогда ≥ .

Выбираем величину масштабного коэффициента первого звена ФНЧ исходя из условий:

1. ≥60000; 2. ≤10⁶; 3. ≥ ≥ ≥ 133289,8.

Принимаем = 134000.

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

1. Получение входного сопротивления фильтра более 20 кОм:

≥ 20 · 10³ · 2π · ( + ) – для звена 3-го порядка.

2. ≤ 1·10⁶·2π · - для звена 3-го порядка.

3. При использовании конденсаторов типа К10-43

≤ 44,2·10^-9 Ф, поэтому ≥ ≥ 22,6 · 10⁶.

Выбираем величину масштабного коэффициента первого звена ФВЧ исходя из условий:

1. ≥ 20 · 10³ · 2π · ( + ) ≥ 20 · 10³ · 2 · 3,14 · 1160 (1+1+1) ≥ 437,088 · 10⁶.

2. ≤ 1·10⁶·2π · ≤ 1·10⁶·2 · 3,14· 1160 · 1 ≤ 7284,8 · 10⁶.

3. ≥ ≥ 22,6 · 10⁶.

Принимаем = 437,09 · 10⁶.

2.4. Выбор значения масштабного коэффициента для других звеньев ФНЧ и ФВЧ.

Выбираем величину масштабного коэффициента 2 и 3 звеньев ФНЧ и ФВЧ исходя из условий №2 и №3 предыдущего раздела:

1. ≤ 10⁶; ≤ 10⁶.

2. ≥ ≥ ≥ 107756,6

3. ≥ ≥ ≥ 302072,8

Принимаем 108000; = 303000.

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

1. ≤ 10⁶·2π · ≤ 10⁶·2 · 3,14 · 1160 · 1 ≤ 72,85 · 10⁶.

2.

≤ 10⁶·2π · ≤ 10⁶·2 · 3,14 · 1160 · 1 ≤ 72,85 · 10⁶.

3. ≥ 22,6 · 10⁶.

≥ 22,6 · 10⁶.

Принимаем: = 22,6 · 10⁶; = 22,6 · 10⁶.

2.5. Денормирование значений элементов схемы ФНЧ и ФВЧ.

Денормированные значения параметров элементов схемы ФНЧ имеют следующие значения:

Расчетные значения сопротивлений резисторов:

= 1 · = 1 · 134000 = 134000;

= 1 · = 1 · 134000 = 134000;

= 1 · = 1 · 134000 = 134000;

= 1 · = 1 · 108000 = 108000;

= 1 · = 1 · 108000 = 108000;

= 1 · = 1 · 303000 = 303000;

= 1 · = 1 · 303000 = 303000.

Расчетные значения емкостей конденсаторов:

= = = 44 · 10^-9 Ф;

= = = 24,72 · 10^-9 Ф;

= = = 2,59 · 10^-9 Ф;

= = = 44 · 10^-9 Ф;

= = = 1,66 · 10^-9 Ф;

= = = = 44 · 10^-9 Ф;

= = = 140,9 · 10^-12 Ф.

Денормированные значения параметров элементов схемы ФВЧ имеют следующие значения:

Расчетные значения емкостей конденсаторов:

= = = 2,29 · 10^-9 Ф;

= = = 2,29 · 10^-9 Ф;

= = = 2,29 · 10^-9 Ф;

= = = 44,28 · 10^-9 Ф;

= = = 44,28 · 10^-9 Ф;

= = = 44,28 · 10^-9 Ф;

= = = 44,28 · 10^-9 Ф.

Расчетные значения сопротивлений резистора:

= = = 60·10³ Ом;

= = = 60·10³ Ом;

= = = 60·10³ Ом;

= = = 3,1·10³ Ом;

= = = 3,1·10³ Ом;

= = = 3,1·10³ Ом;

= = = 3,1·10³ Ом.

Разработка дополнительных вопросов проектирования.

3.1. Полная расчетная схема фильтра.

Полная расчетная схема фильтра приведена в приложении.

3.2. Выбор типов прецизионных резисторов и конденсаторов, разъемов, элементов схемы типового включения ОУ, антигенерационных элементов.

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, соответствующего допустимым отклонениям ±1%. Для обеспечения температурной стабильности используются прецизионные резисторы с низким ТКС и конденсаторы ТКЕ-МПО.

В качестве постоянных резисторов выбраны резисторы типа С2-29В-0,25 – металлодиэлектрические прецизионные изолированные, для навесного монтажа. Диапазон ТКС ± (5…300)10^-6 1⁄°С. Уровень шумов: 0,5; 1; 5 мкВ⁄В. Ряд Е192. Предназначены для работы в высокоточных электрических цепях постоянного, переменного и импульсного токов.

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 в импульсных режимах.

Конденсаторы фильтра емкостью 0,1 мкФ и антигенерационные конденсаторы емкостью 0,1 мкФ типа К73-17 – металлизированные пленочные с органическим диэлектриком. Номинальное напряжение 250В. Допустимое отклонение емкости ± 5%. Предназначены для работы в качестве встроенных элементов внутреннего монтажа аппаратуры (в кожухе комплектного изделия) в цепях постоянного, переменного и импульсного токов.