Układy elektroniczne i technika pomiarowa/Moduł 5: Różnice pomiędzy wersjami

Z Studia Informatyczne
Przejdź do nawigacjiPrzejdź do wyszukiwania
Nie podano opisu zmian
Nie podano opisu zmian
Linia 395: Linia 395:


<math>|T(jx)|=\frac{|1-x^2\omega_0^2LC|}{\sqrt { x^2\omega^2_g R^2C^2+(1-x^2\omega_g^2 LC)^2}}=\frac{|1-x^2|}{\sqrt{x^2+(1-x^2)^2}}</math>
<math>|T(jx)|=\frac{|1-x^2\omega_0^2LC|}{\sqrt { x^2\omega^2_g R^2C^2+(1-x^2\omega_g^2 LC)^2}}=\frac{|1-x^2|}{\sqrt{x^2+(1-x^2)^2}}</math>
|}
----


{| border="0" cellpadding="4" width="100%"
|width="500px" valign="top"|[[Grafika:UETP_M5_Slajd23.png|thumb|500px]]
|valign="top"| 5.58
Charakterystycznym parametrem filtrów pasmowych i rezonansowych jest pasmo przenoszenia B i dobroć filtru Q, definiowana jako:
Charakterystycznym parametrem filtrów pasmowych i rezonansowych jest pasmo przenoszenia B i dobroć filtru Q, definiowana jako:
<math>Q=\frac{f_0}{B}</math> , gdzie f0 częstotliwość rezonansowa lub częstotliwość środkowa filtru.
<math>Q=\frac{f_0}{B}</math> , gdzie f0 częstotliwość rezonansowa lub częstotliwość środkowa filtru.
Linia 409: Linia 404:


{| border="0" cellpadding="4" width="100%"
{| border="0" cellpadding="4" width="100%"
|width="500px" valign="top"|[[Grafika:UETP_M5_Slajd24.png|thumb|500px]]
|width="500px" valign="top"|[[Grafika:UETP_M5_Slajd23.png|thumb|500px]]
|valign="top"|'''Filtry aktywne'''
|valign="top"|'''Filtry aktywne'''


Linia 423: Linia 418:
• łatwe i niezależne strojenie parametrów filtru (częstotliwość, wzmocnienie, dobroć)
• łatwe i niezależne strojenie parametrów filtru (częstotliwość, wzmocnienie, dobroć)


• możliwość budowy filtrów uniwersalnych.
• możliwość budowy filtrów uniwersalnych.


|}
|}
Linia 429: Linia 424:


{| border="0" cellpadding="4" width="100%"
{| border="0" cellpadding="4" width="100%"
|width="500px" valign="top"|[[Grafika:UETP_M5_Slajd25.png|thumb|500px]]
|width="500px" valign="top"|[[Grafika:UETP_M5_Slajd24.png|thumb|500px]]
|valign="top"|'''Filtry dolnoprzepustowe i górnoprzepustowe I rzędu'''
|valign="top"|'''Filtry dolnoprzepustowe i górnoprzepustowe I rzędu'''


Linia 461: Linia 456:


{| border="0" cellpadding="4" width="100%"
{| border="0" cellpadding="4" width="100%"
|width="500px" valign="top"|[[Grafika:UETP_M5_Slajd26.png|thumb|500px]]
|width="500px" valign="top"|[[Grafika:UETP_M5_Slajd25.png|thumb|500px]]
|valign="top"|'''Filtr górnoprzepustowy'''
|valign="top"|'''Filtr górnoprzepustowy'''


Linia 517: Linia 512:


<math>\frac{C_2}{C_1}>\frac{4b_1(1-k_u_0)}{a_1^2}</math>
<math>\frac{C_2}{C_1}>\frac{4b_1(1-k_u_0)}{a_1^2}</math>
|}
----
{| border="0" cellpadding="4" width="100%"
|width="500px" valign="top"|[[Grafika:UETP_M5_Slajd26.png|thumb|500px]]
|valign="top"|





Wersja z 12:40, 24 paź 2006


W niniejszym wykładzie będą zaprezentowane podstawowe rodzaje filtrów stosowanych w układach elektronicznych. Omówione zostaną właściwości prostych filtry pasywne typu RC, RL i RLC oraz niektórych rodzajów filtrów aktywnych, które w swojej strukturze zawierają wzmacniacze operacyjne.

Podstawowym zadaniem filtrów jest wytłumienie, z punktu widzenia zastosowania danego układu elektronicznego, niepożądanych częstotliwości występujących w sygnale sterującym. Układy filtrów dzieli się, przyjmując odpowiednie kryteria, na różne grupy. Jednym z najistotniejszych jest podział ze względu na pasmo częstotliwości, które jest tłumione przez filtr. Wyróżniamy tu filtry:

  • dolnoprzepustowe,
  • górnoprzepustowe,
  • pasmowoprzepustowe, w tym szerokopasmowe i wąskopasmowe (selektywne)
  • pasmowo zaporowe, które tłumią sygnały w określonym paśmie częstotliwości.

Inne kryteria jakie bierze się pod uwagę w klasyfikacji filtrów to np. kształt charakterystyk częstotliwościowych: amplitudowej i fazowej, rodzaj zastosowanych elementów, technologia wykonania. Ważną cechą filtru jest jego rząd. Stosuje się filtry I, II i wyższych rzędów. Im wyższy rząd filtru tym bardziej strome zbocza na krańcach pasma przenoszenia i tym bardziej idealna (prostokątna) charakterystyka częstotliwościowa (amplitudowa). Ważnym kryterium podziału filtrów wynika z rodzaju sygnałów jakie są przetwarzane. Wyróżnia my tu filtry analogowe, które są przedmiotem niniejszego wykładu i filtry cyfrowe.


Układy pasywne

Filtry pasywne to układy, które w swojej strukturze zawierają elementy pasywne: rezystory, kondensatory i dławiki indukcyjne. Zaleta takich układów jest to, że mogą przenosić duże moce, a zatem mogą być stosowane w urządzeniach energoelektronicznych (np. w układach prostowników, falowników itp.). ponadto mają prostą konstrukcję i nie wymagają dodatkowych źródeł zasilania. W technice sygnałowej dla wielkich częstotliwości wymiary geometryczne oraz indukcyjności dławików są bardzo małe i dlatego często w tej sytuacji wykorzystuje się do konstrukcji filtru istniejące w układzie rzeczywistym indukcyjności montażowe


Filtr dolnoprzepustowy

Dwie wersje filtru RC i RL przedstawiono na slajdzie. Właściwości obu układów w dziedzinie częstotliwości i czasu są identyczne. Opis w dziedzinie częstotliwości Załóżmy, że w filtrze RC iloczyn RC, a w filtrze RL iloraz L/R jest równy τ=T. Stałą τ nazywamy stałą czasową obwodu RC lub RL. Transmitancję widmową filtru można opisać zależnością:

u2(jω)u1(jω)=T(jω)11+jωT

Moduł transmitancji widmowej i faza sygnału wyjściowego względem wejściowego po znormalizowaniu pulsacji przebiegu względem pulsacji granicznej ωg jest równy:


|T(jx)|=11+x2ωg2T2=11+x2

φ=arctg(xωgT)=arctg

gdzie:

x=ωωg(0<x<)


Charakterystyki częstotliwościowe modułu (amplitudową) i przesunięcia fazowego (fazową) przedstawiono na rysunku. Pulsacja graniczna ωg lub częstotliwość graniczna fg filtru to taka wartość ω lub f, przy której moduł zmniejsza się w stosunku do tego jaki jest przy niskich częstotliwościach o 3dB, tzn. jest równy 12 .

Z zależności 5.2 wynika, że

ωg=1T

lub

fg=12πT

Przesunięcie fazowe dla tej częstotliwości jest równe ϖ=π4 Charakterystyka amplitudowa opada z prędkością 20 dB / dekadę. Jeżeli wymagana jest większa prędkość opadania charakterystyki można połączyć kaskadowo n filtrów dolnoprzepustowych. Wypadkowa transmitancja widmowa będzie w tym wypadku równa iloczynowi transmitancji poszczególnych filtrów, a liczba n będzie mówiła o rzędzie filtru.



Opis w dziedzinie czasu

Opis w dziedzinie czasu polega na badaniu odpowiedzi układu na wymuszenie standardowe. Najczęściej stosuje się wymuszenie w postaci skoku jednostkowego. Na slajdzie przedstawiono odpowiedź układów RC i RL przy załączeniu i wyłączeniu napięcia wejściowego. W przypadku złączenia napięcie wyjściowe zmienia się wykładniczo zgodnie z zależnością:

u2(t)=UM(1etτ)


Właściwości filtru dolnoprzepustowego

Jeżeli sygnał sterujący u1 nie zawiera składowej stałej, a jego pulsacja spełnia warunek ω>>ωg to filtr dolnoprzepustowy działa jak układ całkujący. Jeżeli sygnał sterujący u1 oprócz składowej przemiennej zawiera składową stałą,

u1(t)1τ0tup(δ)dδ+U0


Pierwszy składnik sumy reprezentuje tętnienia, a drugi składową stałą. Jeżeli stała czasowa jest bardzo duża składnik reprezentujący tętnienia można pominąć i napięcie wyjściowe jest równe w tym wypadku składowej stałej. Jedną z wielkości charakteryzujących filtr dolnoprzepustowy jest czas narastania tr. Podaje on, w jakim czasie napięcie wyjściowe filtru wzrośnie od 10% do 90% wartości ustalonej po zadaniu na wejściu układu skoku jednostkowego.

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\tauln”): {\displaystyle t_r=t_{90%}-t_{10%}=\tau(ln0,9-ln0,1)=\tauln9\approx2,2\tau}

Przy częstotliwości granicznej czas tr jest równy w przybliżeniu:

tr13fg

Związek ten obowiązuje także dla filtrów dolnoprzepustowych wyższych rzędów. Jeżeli czasy narastania poszczególnych filtrów składowych są różne to wypadkowy czas narastania jest średnią geometryczną poszczególnych czasów.

tri=0ntri2

Częstotliwość graniczna takiego filtru jest równa

fg1i=1n1fgi2

Kiedy połączymy kaskadowo n jednakowych filtrów

fgfgin


Filtr górnoprzepustowy

Opis w dziedzinie częstotliwości

Transmitancja widmowa układu ma postać:


u2(jω)u1(jω)=T(jω)=jωT1+jωT

Moduł transmitancji widmowej i faza sygnału wyjściowego względem wejściowego po znormalizowaniu pulsacji przebiegu względem pulsacji granicznej ωd jest równy:

|T(jx)|=11+1x2ωd2T2=11+1x2

φ=arctg1xωdT=arctg1x

gdzie

x=ωωd(0<x<)



Charakterystyki częstotliwościowe przedstawiono na rysunku.

Pulsacja i częstotliwość graniczna są równe:


ωd=1T

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\piT”): {\displaystyle f_d=frac{1}{2\piT}}

Przesunięcie fazowe przy tej częstotliwości jest równe fracπ4 . Szybkość wznoszenia się charakterystyki 20 dB / dekadę.


Opis w dziedzinie czasu

Na slajdzie przedstawiono odpowiedź układów RC i RL przy załączeniu i wyłączeniu napięcia wejściowego. W przypadku złączenia napięcie wyjściowe zmienia się wykładniczo zgodnie z zależnością:

u2(t)UMetτa przy wyłączeniu

u2(t)UMetτ

Podobnie jak w układzie filtru dolnoprzepustowego wartość ustalona u2 = 0 V jest osiągana asymptotycznie. Miarą czasu dojścia do stanu ustalonego jest stała czasowa τ. Często zakładamy, że po czasie 5τ jest już stan ustalony. W tym wypadku różnica pomiędzy wartością ustaloną i rzeczywista stanowi mniej niż 1% wartości ustalonej.



Właściwości filtru górnoprzepustowego

Jeżeli na wejście jest zadany sygnał prostokątny o pulsacji ω>>ωd to po czasie równym połowie okresu na wyjściu układu filtru nie będzie wartości ustalonej napięcia i przebieg będzie podobny do przebiegu sygnału wejściowego, ale nie będzie zawierał składowej stałej. Dlatego filtr górnoprzepustowy, a szczególnie układ RC jest stosowany jako układ sprzęgający (np. w sprzężeniach międzystopniowych wzmacniaczy mcz.). Jeżeli sygnał wejściowy ma pulsację ω<<ωd to można przyjąć, że u2<<u1. W tym wypadku układ ma właściwości różniczkujące.

u2=τdu1dt

Częstotliwość graniczna filtru górnoprzepustowego n-tego rzędu jest równa:

fd=i=1nfdi2

lub dla kaskadowego połączenia n identycznych filtrów I rzędu

fd=fdin


Filtr pasmowoprzepustowy RC

Łącząc kaskadowo filtr górnoprzepustowy i dolnoprzepustowy otrzymuje się filtr pasmowoprzepustowy. Przykład takiego filtru przedstawiono na rysunku. Transmitancja widmowa takiego układu jest równa:

u2(jω)u1(jω)=T(jω)=jωT1+3jωTω2T2

gdzie

T=τ=RC

Moduł transmitancji widmowej i faza sygnału wyjściowego względem wejściowego, po znormalizowaniu pulsacji przebiegu względem pulsacji rezonansowej ω0, jest równy


|T(jx)|=19+(1xω0Txω0T)2=19+(frac1xx)2

φ=arctg1x2ω02T23xω0T=arctg1x23x

gdzie

x=ωω0

Pulsacja i częstotliwość rezonansowa są równe:

ω0=1RC

f0=12πRC


Charakterystyki amplitudowa i fazowa filtru pasmowoprzepustowego są przedstawione na slajdzie.

Dla częstotliwości rezonansowej moduł transmitancji jest największy i równy 13 , a przesunięcie fazowe jest równe zeru.


Filtr pasmowozaporowy z mostkiem Wiena –Robinsona. W ogólnym przypadku transmitancja widmowa tego układu jest równa:

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\omegaT”): {\displaystyle \frac{u_2(j\omega)}{u_1(j\omega)}=T(j\omega)=\frac{\eta (1-\omega^2T^2)+j\omegaT(3\eta -1)}{1+3j\omega T-\omega^2T^2}}

gdzie

T=τ=RC

η=R2R1+R2



Przy założeniu, że współczynnik podziału dzielnika napięcia jest równy η=frac13

moduł transmitancji widmowej i faza sygnału wyjściowego względem wejściowego, po znormalizowaniu pulsacji przebiegu względem pulsacji rezonansowej ω0, jest równy:

|T(jx)|=|1x2ω02T2|39x2ω02T2+(1x2ω02T2)2=|1x2|39x2+(1x2)2

φ=arctg3xω0Tx2ω02T21=arctg3xx21,x1

gdzie

x=ωω0(0<x<)

Pulsacja i częstotliwość rezonansowa są równe:

ω0=1RC

f012πRC


Charakterystyki amplitudowa i fazowa filtru pasmowozaporowego z mostkiem Wiena-Robinsona są przedstawione na slajdzie. Dla częstotliwości rezonansowej moduł amplitudy jest najmniejszy i równy zeru, a faza jest nie określona

Filtr pasmowozaporowy w układzie TT.

Charakterystyki częstotliwościowe można wyznaczyć stosując prawo Kirchhoffa dla węzłów A, B i C przy nieobciążonym układzie. Dla węzła A jest


Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\omegaC”): {\displaystyle \frac{U_1-U_A}{R}+\frac{U_C-U_A}{R}-U_A\cdot 2j\omegaC=0}

Dla węzła B jest

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\omegaC”): {\displaystyle (U_1-U_B)\cdot j\omegaC+(U_C-U_B)\cdot j\omega C-\frac{2U_B}{R}=0}

Dla węzła C jest

(UBUC)jωC+UAUCR=0



Eliminując z tego układu równań napięcia UA i UB oraz przyjmując, że U2=UC transmitancja widmowa układu jest opisana zależnością:

u2(jω)u1(jω)=T(jω)=1ω2T21+4jωTω2T2

Moduł transmitancji widmowej i faza sygnału wyjściowego względem wejściowego, po znormalizowaniu pulsacji przebiegu względem pulsacji rezonansowej ω0, jest równy:

Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle |T(jx)|=\frac{|1-x^2\omega^2_0T^2|}{\sqrt{16x@\omega^2_0T^2+(1-x^2\omega^2_0T^2)^2}}=\frac{|1-x^2|}{\sqrt{16x^2+(1-x^2)^2}}}

φ=arctg4xω0Tx2ω02T21=arctg4xx21,x/ne1

gdzie


x=ωω0(0<x<)

Pulsacja i częstotliwość rezonansowa są równe:

ω0=1RC

f0=12πRC



Charakterystyki amplitudowa i fazowa filtru pasmowozaporowego z układem TT są podobne do charakterystyk filtru z mostkiem Wiena-Robinsona. Dla częstotliwości rezonansowej moduł amplitudy jest najmniejszy i równy zeru, a faza jest nieokreślona.

Filtry pasywne II rzędu zawierają w swojej strukturze elementy RLC, które w zależności od konfiguracji połączeń tworzą filtr:

• dolnoprzepustowy • pasmowoprzepustowy • zaporowy • górnoprzepustowy

Tego typu filtry nazywamy filtrami rezonansowymi.


Odpowiednie schematy ideowe filtru dolnoprzepustowego i filtru górnoprzepustowego przedstawiono na slajdzie 21. Transmitancje widmowe tych filtrów są opisane zależnościami:

- filtr dolnoprzepustowy

u2(jω)u1(jω)=T(jω)=11+jωRCω2LC

- filtr górnoprzepustowy

u2(jω)u1(jω)=T(jω)=ω2LC1+jωRCω2LC

Ponieważ w mianownikach obu wyrażeń operator jω występuje w drugiej potędze, (jωjω=ω2) mówimy, że filtry są II rzędu. Znormalizowany moduł transmitancji widmowej są odpowiednio równe

- filtr dolnoprzepustowy

|T(jx)|=1x2ωg2R2C2+(1x2ωg2LC)2=1x2+(1x2)2

- filtr górnoprzepustowy

|T(jx)|=x2ωd2LCx2ωg2R2C2+(1x2ωg2LC)2=x2x2+(1x2)2



Odpowiednie schematy ideowe filtru zaporowego i filtru pasmowoprzepustowego przedstawiono na slajdzie 22. W tym wypadku znormalizowany moduł transmitancji widmowej i przesunięcie fazowe są odpowiednio równe:

- filtr pasmowoprzepustowy

|T(jx)|=xω0RCx2ωg2R2C2+(1x2ωg2LC)2=xx2+(1x2)2

- filtr pasmowozaporowy

|T(jx)|=|1x2ω02LC|x2ωg2R2C2+(1x2ωg2LC)2=|1x2|x2+(1x2)2

Charakterystycznym parametrem filtrów pasmowych i rezonansowych jest pasmo przenoszenia B i dobroć filtru Q, definiowana jako: Q=f0B , gdzie f0 częstotliwość rezonansowa lub częstotliwość środkowa filtru. Pasmo przenoszenia wyznacza się przyjmując, że na krańcach pasma, dla częstotliwości dolnej i częstotliwości górnej, moduł transmitancji widmowej różni się od wartości jaką ma przy częstotliwości środkowej lub rezonansowej o ±3 dB.


Filtry aktywne

W zakresie małych częstotliwości realizacja filtrów rezonansowych stwarza wiele trudności. Ponieważ wartości indukcyjności dławików w obwodach filtrów są duże, zatem ich wykonanie jest trudne, a to w efekcie prowadzi do tego, że ich właściwości elektryczne nie są zadawalające. Dlatego, aby uniknąć tej sytuacji do typowych układów pasywnych z elementami RC dołącza się dodatkowy element aktywny. Takie układy nazywamy filtrami aktywnymi. Tego typu układy, w których rolę elementu aktywnego obecnie najczęściej pełni wzmacniacz operacyjny, są produkowane także w postaci gotowych układów scalonych. Filtry aktywne są filtrami sygnałowymi. Celem ich stosowania jest wydzielenie z sygnału roboczego sygnału użytecznego przy jednoczesnym stłumieniu zakłóceń. Podobnie jak w układach pasywnych filtr aktywny jest opisany transmitancją widmowa, z której można wyznaczyć charakterystyki częstotliwościowe układu oraz odpowiednie pulsacje lub częstotliwości (graniczne: dolną i górną, środkową lub rezonansową) oraz dla filtrów pasmowych pasmo częstotliwości przepuszczanych lub tłumionych i dobroć filtru. Cechy filtrów aktywnych

• możliwość wzmacniania sygnałów użytecznych

• możliwość realizacji filtrów selektywnych o częstotliwości środkowej (rezonansowej) rzędu 0,01 Hz i bardzo dużych dobrociach Q

• brak wpływu obciążenia na charakterystyki filtru

• łatwe i niezależne strojenie parametrów filtru (częstotliwość, wzmocnienie, dobroć)

• możliwość budowy filtrów uniwersalnych.


Filtry dolnoprzepustowe i górnoprzepustowe I rzędu

Schemat filtrów dolnoprzepustowych przedstawiono na slajdzie. Transmitancja widmowa układu powtarzającego ma postać

u2(jω)u1(jω)=T(jω)R1+R2R211+jωT

gdzie

T=τ=RC

a układu odwracającego

u2(jω)u1(jω)=T(jω)R2R111+jωT

gdzie

T=τ=R2C

Pulsacja i częstotliwość graniczna są równe

ωg=1T

fg=12πT


Charakterystyki częstotliwościowe są takie jak dla filtru pasywnego, przy czym charakterystyka amplitudowa jest przesunięta w pionie o wartość odpowiadającą ustawionemu w układzie wzmocnieniu (w skali dB).


Filtr górnoprzepustowy

Transmitancja widmowa jest opisana zależnością:

u2(jω)u1(jω)=T(jω)R2R1jωT1+jωT

gdzie

T=τ=R1C1

Jak wynika z zależności 5.62 zmiana rezystora R2 powoduje zmianę wzmocnienia układu przy czym zmiana ta nie ma wpływu na częstotliwość graniczną filtru, która zależy wyłącznie od wartości elementów R1 i C1. Odpowiednio pulsacja i częstotliwość graniczna dolna opisane są wzorami:

ωg=1T

fg=12πT


Filtry dolnoprzepustowy i górnoprzepustowy II rzędu

Aktywny filtr dolnoprzepustowy z wielokrotnym ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Schemat ideowy filtru przedstawiono na rysunku. Znormalizowana względem ωg transmitancja widmowa tego układu opisana jest zależnością:

T(jx)=R2R11+jxωgC1(R2+R3+R2R3R1)x2ωg2C1C2R2R3

gdzie

x=ωωg(0<x<)

Podana transmitancja widmowa układu jest prawdziwa, jeżeli założymy, że wzmacniacz operacyjny jest idealny. Warunek ten może być spełniony kiedy zastosujemy do realizacji układu szybki wzmacniacz operacyjny. Przy projektowaniu najczęściej zakłada się, że znane są wartości pojemności kondensatorów, a oblicza się rezystancje. W przypadku ogólnym transmitancję widmową dla dowolnego filtru dolnoprzepustowego II rzędu można zapisać w postaci:

T(jx)=ku01+jxa1x2b1

Współczynniki ku0 ustala wzmocnienie układu dla składowej stałej i jest przyjmowany dowolnie w zależności od potrzeb. Współczynniki a1 oraz b1 są dodatnie i mają określone stałe wartości, które zostały stabelaryzowane w zależności od rodzaju realizowanego filtru. Do najpopularniejszych należą filtry:

• z tłumieniem krytycznym

• Bessela

• Butterwortha

• Czejbyszewa

W zależności od rodzaju filtru odpowiednio wybrane wartości współczynników a1, b1 umożliwiają realizację odpowiedniego kształtu charakterystyki amplitudowej filtru. Np. realizując filtr z tłumieniem krytycznym należy przyjąć następujące wartości współczynników: a1=1,2872,b1=0,4142 Omawiany tutaj filtr dolnoprzepustowy z wielokrotnym ujemnym sprzężeniem zwrotnym dla składowej stałej odwraca fazę sygnału (ku0 < 0), a zatem można wnioskować, że podobnie dzieje się dla sygnałów w zakresie małych częstotliwości. Obliczone rezystancje R1,R2,R3 przy zadanych wartościach pojemności kondensatorów są rzeczywiste (dodatnie), gdy jest spełniony warunek

C2C1>4b1(1ku0)a12