МИНИСТЕРСТВО КУЛЬТУРЫРОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КИНО И ТЕЛЕВИДЕНИЯ»
------------------------------------------------------------------------------------------------------
Факультет аудиовизуальной техники
Кафедра технической электроники
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
ПО ДИСЦИПЛИНЕ «СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ»
студента гр. _______________________________________________________________
(Номер) (Фамилия, имя, отчество полностью)
на тему «Установка для измерения нелинейных искажений методом полос шума: полосовой фильтр для измерений в полосе № 4 ».
Проект допущен к защите
Руководитель ___________________________________________/_________________
(Должность) (Дата) (Подпись) (Ф.И.О.)
Студент ________ ____________________________________________________
(Дата) (Подпись)
Санкт-Петербург
201__
ФАКК ФГОУ ВПО «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
КИНО И ТЕЛЕВИДЕНИЯ»
Кафедра технической электроники
ЗАДАНИЕ
на курсовой проект по дисциплине
«Схемотехника аналоговых электронных устройств»
Студенту Звереву С. И. группы (шифр) 7346
Дата выдачи задания 23.11.09 г.
Срок сдачи проекта на проверку сессия 5 го курса
Срок защиты сессия 5 го курса
Тема проекта Установка для измерения нелинейных искажений методом полос шума: полосовой фильтр для измерений в полосе № 4
Исходные данные: λ дБ = 1 дБ; Q3 = 1,42; К3,дБ = – 60 дБ; f0 = 2000 Гц
Перечень графического материала, представляемого к защите:
- электрическая принципиальная схема устройства
- схема расположения элементов на печатной плате
Пояснительная записка должна содержать следующие составные части и элементы:
Титульный лист
Бланк с заданием на проектирование
Реферат
Содержание
Введение
1 Эскизное проектирование устройства
2 Расчет режимов и определение параметров схемы устройства
3 Разработка дополнительных вопросов проектирования
Заключение
Список использованных источников
Приложения
Рекомендуемая литература:
1.Тихонова Л.С. Схемотехника аналоговых электронных устройств. Алгоритм проектирования активных фильтров Чебышева. - СПб.: Изд. СПбГУКиТ, 2003.-44 с.
2. Журавлев В.М., Поляков СБ., Храмов А.Я. Усилительные устройства. Проектирование усилителей звукового диапазона частот. Часть 3. Оформление технической документации к курсовому проекту и разработка дополнительных вопросов проектирования усилителей.
Методические указания по курсовому проектированию для студентов заочного отделения специальности 0615 "Звукотехника", ЛИКИ, 1986. - 55 с.
Задание выдал Тихонова Л.С.
Реферат
В данном курсовом проекте требуется рассчитать заграждающий фильтр для измерителя нелинейных искажений методом полос шума: полосовой фильтр для измерений в полосе №4. Работа включает в себя:
1. Расчетную часть.
2. Разработку схемы электрической принципиальной.
Первая часть подразумевает расчёт фильтра. Вторая часть включает в себя расчёт номиналов резисторов и конденсаторов, выбор операционных усилителей, выбор номиналов ЭРИ с учётом типовых рядов.
Пояснительная записка содержит 32 страницы и 7 рисунков.
Приложения:
- Электрическая принципиальная схема;
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………………5
1. ЭСКИЗНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФИЛЬТРА……………………………….……...7
1.1. Структурная схема измерительной установки……………………………... 7
1.2. Выбор типа аппроксимации фильтра и схемы его реализации……………11
1.3. Ориентировочный выбор типа ОУ……………………………………………13
1.4. Исходные данные для проектирования……………………………………….14
1.5. Расчёт параметров ИНУН……………………………………………….……15
1.6. Расчёт порядка фильтра………………………………………………………..16
1.7. Расчёт количества ячеек фильтра…………………………………………….17
1.8. Базовая расчётная схема фильтра…………………………………………….18
2. РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМОВ СХЕМЫФИЛЬТРА……………………………………………………………………………….20
2.1. Определение нормированных параметров элементов схемы ФНЧ и ФВЧ………………………………………………………………………………….20
2.2. Выбор значения масштабного коэффициента для первых звеньев ФНЧ и ФВЧ…………………………………………………………………………………21
2.3. Выбор значения масштабного коэффициента для других звеньев ФНЧ и ФВЧ…………………………………………………………………………………23
2.4. Денормирование значений элементов схемы ФВЧ и ФНЧ…………………………………………………………………………………24
3. РАЗРАБОТКА ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ВОПРОСОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ………………………………………………………………….27
3.1. Полная расчётная схема фильтра………………………………………………..27
3.2. Выбор типов прецизионных резисторов и конденсаторов, разъёмов, элементов схемы типового включения ОУ, антигенерационных элементов…………………………………………………………………………..29
3.3. Описание конструкции фильтра…………………………………………………30
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………..31
ПРИЛОЖЕНИЯ.
ВВЕДЕНИЕ
Из-за широкого внедрения в электронику интегральных схем, многие схемотехнические решения, применяющиеся ранее повсеместно, претерпели коренной пересмотр. В значительной степени это коснулось теории и практики построения частотно – избирательных фильтров. Было выяснено, что создать катушку индуктивности в микроэлектронном исполнении практически невозможно. Выполненная же обычным способом катушка обладает рядом существенных недостатков.
- большие габариты, масса;
- потери, приводящие к отклонению расчётных характеристик от реальных;
- большая рассеиваемая мощность;
- нелинейные искажения, связанные с насыщением сердечника.
Эти причины вызвали стремление исключить катушки из фильтров. Но фильтр, выполненный только на пассивных R и С элементах, имеет большие собственные потери и характеризуется низкими избирательными свойствами. Поэтому для получения качественного фильтра пассивную RC – цепь применяют в сочетании с компенсирующим потери активным прибором. Таким прибором в настоящее время, как правило, является операционный усилитель.
Фильтр, представляющий собой сочетание пассивных RC – цепей и усилительного активного прибора, называют активным фильтром или ARC – фильтром.
К преимуществу активных фильтров, в первую очередь, следует отнести способность усиливать сигнал, лежащий в их полосе пропускания.
В отличие от пассивных, ARC – фильтры обеспечивают более качественное разделение полос пропускания и затухания. В них сравнительно просто можно регулировать неравномерность частотной характеристики, не предъявляя жёстких требований к согласованию нагрузки с фильтром. Все эти преимущества активных фильтров обеспечили им самое широкое применение, особенно в диапазоне низких частот. Они используются в системах связи с частотным разделением каналов, в телефонии, в устройствах записи и воспроизведении звука, в технике низкочастотного приёма и анализа, анализаторах спектра и многих других устройств.
Являясь, по сути, избирательными усилителями, не имея в своём составе катушек индуктивности, они могут выполняться в виде интегральных схем. Вместе с тем, активным фильтрам свойственны и недостатки, которые ограничивают область их применения:
- невозможность использования в силовых цепях, например, в качестве фильтров выпрямителей;
- необходимость источника питания;
- ограниченный частотный диапазон, определяемый собственными частотными свойствами активного элемента (прибора).
Активные фильтры можно классифицировать по различным признакам: полосе пропускаемых частот, типу аппроксимирующей функции, типу активного прибора, назначению и др.
По полосе пропускаемых частот ARC – фильтры, как и пассивные, делятся на 4 класса: нижних частот, верхних частот, полосовые и заграждающие (режекторные).
При практической реализации фильтры с имитированными индуктивностями оказываются значительно более дорогими, по сравнению с фильтрами на основе ОУ, т.к. требуют прецизионных параметров элементов схемы и более тщательной настройки. Поэтому фильтры на ОУ получили более широкое распространение.
Наибольшее применение находят фильтры Баттерворта и Чебышева.
1 
ЭСКИЗНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФИЛЬТРА
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.
Структурная схема установки для измерения нелинейных
искажений методом полос шума.
Измерительный сигнал в виде полосы нормального белого шума формируется с помощью полосового фильтра (ПФ) из широкой полосы белого шума, 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 считывается коэффициент передачи ЗФ в полосе пропускания).
Результат деления, выраженный в процентах, принимается за меру нелинейности испытуемого устройства – Кш (Кш1; Кш2; Кш3; Кш4; Кш5).
Измерения проводятся в 5-ти полосах, перекрывающих весь звуковой диапазон (см. рис. 2).
Средние частоты ПФ и ЗФ: 31,5Гц; 125Гц; 500Гц; 2кГц и 8кГц.
Эти фильтры образуются сочетанием фильтров низких частот (ФНЧ) и фильтров высоких частот (ФВЧ). Делается это для того, чтобы одни и те же фильтры можно было использовать для организации соседних полос. Последовательное соединение ФВЧ и ФНЧ позволяет получить ПФ, а параллельное – ЗФ.
На рис. 3 представлены АЧХ, ФНЧ и ФВЧ, образующих ПФ и ЗФ. С помощью этих характеристик можно определить частоты среза fC фильтров ФНЧ и ФВЧ для организации ПФ и ЗФ.
Полоса пропускания полосового фильтра будет простираться от частоты 
до частоты 
.
Распределение частот среза в «четверке» фильтров
1.2 
Выбор типа аппроксимации фильтра и схема 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. Поэтому остановимся на фильтрах Чебышева, получивших исключительно широкое применение при синтезе активных фильтров.
Коэффициент передачи фильтра Чебышева имеет вид:
,
где ε2 – дополнительный коэффициент, характеризующий степень постоянства модуля относительного коэффициента передачи в полосе пропускания фильтра;
Tn(Ω) – нормированный полином Чебышева степени n.
Полином Tn(Ω) обеспечивает равноволновое приближение в полосе пропускания и монотонное уменьшение КдБ(ω) при удалении от частоты среза ωС.
Распространенным видом реализации активных фильтров является 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 сопротивления, 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, предложенную ещё в 1955 году. 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.
Схема реализации отдельных звеньев фильтра
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 точные параметры и высокое быстродействие, помещен в дешевый пластмассовый DIP – корпус.
Электрические параметры ОУ КР140УД26А
Таблица 1
1.4 
Исходные данные для проектирования
Проанализируем исходные данные для создания фильтра:
- неравномерность характеристики фильтра в полосе пропускания:
λдБ = 1 дБ;
- величина модуля относительного коэффициента передачи на частоте ΩЗ:
К3,дБ = – 60 дБ;
- граничная частота между переходной областью и полосой задерживания:
ΩЗ = 1,42.
- центральная частота полосового фильтра и граничные частоты ФНЧ и ФВЧ:
- параметры ОУ КР140УД26А:
; 
; 
.
1.5 
Расчет параметров ИНУН
Входное сопротивление ОУ, охваченного 100% - ной отрицательной обратной связью –
.
Выходное сопротивление ОУ, охваченного 100% - ной отрицательной обратной связью –
.
1.6 Расчет порядка фильтра
Проведем расчет порядка фильтров ФНЧ и ФВЧ.
Дополнительный коэффициент –
.
Коэффициент передачи фильтра в полосе затухания –
.
Значение полинома –
.
Степень полинома (порядок фильтра) –
.
Выбираем n = 10.
1.7 Расчет количества ячеек фильтра
Рассчитаем количество звеньев, необходимое для реализации ФНЧ ФВЧ.
Для фильтра 10 порядка – 
.
1.8 
Базовая расчетная схема фильтра
Структурная схема полосового фильтра, по которой в дальнейшем будут соединяться фильтры, приведена на рис. 5.
Структурная схема полосового фильтра
|
|
Вх. Вых.
Рис. 5
Базовая расчетная схема фильтра представляет собой последовательно соединенные ячейки второго порядка (рис. 6). Расположение фильтра верхних частот на входе полосового фильтра обеспечит подавление помех в виде наводок и фона, что позволит получить низкий пороговый уровень измерений нелинейных искажений с помощью измерительной установки.
2 
РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМОВ СХЕМЫФИЛЬТРА