Расчет и моделирование электронных схем

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 06 Декабря 2012 в 14:40, контрольная работа

Описание работы

Фильтр нижних частот является схемой, которая без изменений передает сигналы нижних частот, а на высоких частотах обеспечивает затухание сигналов и запаздывание их по фазе относительно входных сигналов. На рис. 2.1 изображена схема простого -фильтра нижних частот.

Файлы: 1 файл

RC-цепи.doc

— 352.00 Кб (Скачать файл)
  1. Расчет и моделирование электронных схем

 

  1. Пассивные
    - цепи

 

-цепи в схемотехнике имеют  большое значение. Они применяются  весьма часто, поэтому опишем  подробно их функции.

 

    1. Фильтр нижних частот

Фильтр нижних частот является схемой, которая без изменений передает сигналы нижних частот, а на высоких частотах обеспечивает затухание сигналов и запаздывание их по фазе относительно входных сигналов. На рис. 2.1 изображена схема простого -фильтра нижних частот.

 

Рис. 2.1. Фильтр нижних частот

 

 

Описание  в частотной области

Для расчета частотной  характеристики схемы применим формулу  отношения напряжений, представленных в комплексной форме.

Комплексный коэффициент  передачи для фильтра нижних частот (рис. 2.1) запишется в виде:

.

Поскольку , то

.

С учетом , и имеем

,
.

Обе зависимости представлены на рис.2.2.

Положив , находим .

Таким образом, частота  среза равна  , а фазовый сдвиг на этой частоте составляет .

 

Рис. 2.2. Диаграмма Боде для фильтра нижних частот

 

Как видно на рис. 2.2, аплитудно-частотную  характеристику наиболее просто составить из двух асимптот:

1) дБ на нижних частотах .

2) На высоких частотах согласно формуле. , т.е. коэффициент усиления обратно пропорционален частоте. При увеличении частоты в 10 раз коэффициент усиления уменьшается в 10 раз, т.е. он уменьшается на 20 дБ на декаду или на 6 дБ на октаву.

3) дБ при .

 

Описание  во временной области

Для анализа схемы  во временной области подадим  на вход этой системы импульс напряжения (рис.2.3). Чтобы рассчитать выходное напряжение, применим правило узлов к ненагруженному выходу. Тогда для схемы, изображенной на рис. 2.1, запишем

,

.

С учетом получим дифференциальное уравнение

Оно имеет следующее  решение:

 

; .   (*)

Как видно из рис. 2.3, к  установившимся значениям  и кривые будут приближаться асимптотически. Поэтому в качестве меры времени установления выходного напряжения принята постоянная времени . Она показывает время, в течение которого процесс достигает значения, отличающегося от установившегося на часть величины скачка напряжения на входе. Из формулы (*) видно, что постоянная времени равна .

 

Рис. 2.3. Реакция фильтра  нижних частот на скачок напряжения

 

    1. Фильтр верхних частот

Фильтр верхних частот – это схема, которая передает без изменений сигнала высоких  частот, а на низких частотах обеспечивает затухание сигналов и опережение их по фазе относительно входных сигналов. Схема простого -фильтра верхних частот приведена на рис. 2.5.

 

Рис. 2.5. Простой фильтр верхних  частот.

 

Амплитудно-частотные  и фазо-частотные характеристики опять получим из формулы для соотношения напряжений:

.

Отсюда находим

 и 
.

Обе кривые представлены на рис. 2.6.

 

Рис. 2.6. Диаграмма Боде для фильтра верхних частот

 

Выражение для частоты среза совпадает с соответствующим выражением для фильтра низких частот:

.

Фазовый сдвиг на этой частоте составляет . Как для фильтра нижних частот, наиболее просто составить амплитудно-частотную характеристику в двойном логарифмическом масштабе с помощью асимптот:

1) дБ на высоких частотах .

2) На низких частотах  согласно формуле , т.е. коэффициент усиления пропорционален частоте. Наклон асимптот равняется +20 дБ на декаду или на 6 дБ на октаву.

3) При  , как и для фильтра нижних частот, дБ.

При расчете реакции  на импульс напряжения применим для  нагруженного выхода второй закон Кирхгофа:

,

.

При получим дифференциальное уравнение

Его решение имеет  вид

Таким образом, постоянная времени, как и для фильтра нижних частот, равна .

 

    1. Пассивный полосовой 
      -фильтр

Путем последовательного  соединения фильтров верхних и нижних частот получают полосовой фильтр. Его входное напряжение равно  нулю на высоких и нижних частотах. Одна из возможных схем представлена на рис. 2.10.

 

Рис. 2.10. Пассивный полосовой RC-фильтр.

 

Рассчитаем выходное напряжение и фазовый сдвиг на средних частотах. Формула для  ненагруженного делителя напряжения в  комплексной форме имеет вид

,

,

.

Подставив , получим

.

Отсюда найдем модуль и фазовый сдвиг

,
.

Выходное напряжение максимально при  . Следователь, резонансная частота

.

Введенная ранее величина представляет собой нормируемую частоту

Фазовый сдвиг на резонансной  частоте равен нулю, коэффициент  усиления . На рис.2.11 приведены графики зависимости и от частоты

 

Рис. 2.11. Диаграмма Боле пассивного полосового RC-фильтра

 

    1. Мост Вина-Робинсона

Если полосовой фильтр на рис. 2.10. дополнить сопротивлениями  и , показанными на рис. 2.12., то получится мост Вина-Робинсона. Омический делитель напряжения обеспечивает частотно-независимое напряжение, равное . При этом на резонансной частоте выходное напряжение равно нулю. В отличие от полосового фильтра амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления на резонансной частоте имеет минимум.

 

Рис. 2.12. Мост Вина-Робинсона

 

Схема применима для  подавления сигналов в определенной частотной области. Для определения выходного используем выражение:

.

Отсюда следует, что

.

Модуль и фазовый  сдвиг определяются как

,

,
.

Графики зависимости  и от частоты представлены на рис. 2.13.

 

Рис. 2.13. Диаграмма Боде моста Вина-Робинсона

 

    1. Двойной Т-образный фильтр

Двойной Т-образный фильтр (рис. 2.14) обладает частотной характеристикой, идентичной характеристике моста Вина-Робинсона.

 

Рис. 2.14. Двойной Т-образный фильтр

 

Он тоже пригоден для  подавления определенной частотной  области. В отличие от моста Вина-Робинсона выходное напряжение снимается относительно общей точки. Для высоких и низких частот . Сигналы высоких частот будут полностью передаваться через два конденсатора , а сигналы низких частот – через резисторы .

Для расчета частотной  характеристики используем правило  узлов для точек 1, 2 и 3 (рис. 2.14); при  ненагруженном выходе получим

Узел 1: ,

Узел 2: ,

Узел 3: .

После исключения и и нормирования будем иметь

.

Модуль и фазовый  сдвиг равны

,

.

Графики зависимости  и от частоты изображены на рис. 2.15.

 

Рис. 2.15. Диаграмма Боде двойного Т- образного фильтра


Информация о работе Расчет и моделирование электронных схем