Лабораторная работа № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЛЬТРОВ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

Цель работы: изучение анализа амплитудно-частотных характеристик, анализа шума и временного анализа программы PSpice, построение переходной характеристики электрической цепи.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ.

Для выполнения настоящей работы необходимо изучить анализ амплитудно-частотных характеристик (AC sweep), анализ шума (Noise analysis) программы PSpice, а так же построение переходной характеристики электрической цепи. В настоящем пособии это пункты:

1.2.4. Анализ амплитудно-частотных характеристик (AC sweep) и анализ шума (стр.26 – 35).

1.2.3. Построение переходной характеристики (стр.22 – 26).

ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ

Провести моделирование активного фильтра на операционном усилителе:

- построить АЧХ фильтра,

- распределение шума фильтра по частотам

- построить переходную характеристику

Варианты схем фильтров для исследования указывает преподаватель. Варианты схем показаны на рис.39.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

3.1. Нарисовать схему фильтра в Shematics.

Операционные усилители (ОУ) находятся в библиотеке EVAL (для PSpice 8.0), их название (поле Name) совпадает с маркой микросхемы, в поле описания Description среди прочих слов всегда присутствует opamp.

Питание ОУ - двухполярное. У ОУ есть два вывода для питания: V - и V +. На эти два входа должно быть подано - 12 В и +12 В соответственно. Для этого на схеме необходимо поставить два источника постоянного напряжения (VDC) и соединить их верхние выводы к входам питания ОУ, а нижние выводы к "земле". Задать напряжение у одного источника – 12 В, у другого +12В.

К входу необходимо соединить источник сигнала. Для построения АЧХ и переходной характеристики удобно использовать один и тот же источник VPULSE. При построении АЧХ PSpice будет считать его как синусоидальный, при построении переходной характеристики (при временном анализе) он будет считаться импульсным.

Построить АЧХ фильтра

Задать анализ АЧХ (AC Sweep). Параметры источника входного сигнала следует задать согласно требованиям анализа АЧХ к схеме (нужно задать параметр АС, см. стр.26-27). При использовании источника сигнала VPULSE необходимо также задать параметры V 1 и V 2. Хотя эти параметры не участвуют при расчете АЧХ, однако, PSpice требует их наличие. Можно задать V 1 = 0; V 2 = 1. Параметры анализа (начальную и конечную частоту) следует задать такими, чтобы построить полную частотную характеристику.

Построить АЧХ фильтра на выходе схемы. По АЧХ в зависимости от ее вида определить нижнюю, верхнюю, центральную частоту, полосу пропускания, а также коэффициент передачи.

Коэффициент передачи определяется по максимуму на оси Y АЧХ. Нижняя и верхняя граничные частоты определяются как координата X точки, находящейся на уровне 0,707 от максимума по оси Y.

В отчете следует нарисовать график АЧХ, указать какие были заданы параметры для ее получения и параметры, полученные из графика АЧХ.

Построить шумовую характеристику фильтра

Анализ шума задается в дополнение к анализу АЧХ. Необходимо построить распределение среднеквадратичного значение шума на выходе схемы в том диапазоне частот, в котором построена АЧХ. Задание на моделирование устанавливается согласно описанию анализа шума (стр.30 – 36).

При построении шумовой характеристики следует помнить, что в одной координатной оси АЧХ и шумовую характеристику увидеть нельзя из-за их разного масштаба. Поэтому, если Вы для построения АЧХ ставили маркер напряжения (Voltage/Level Marker) на выход схемы, его необходимо удалить.

Построить переходную характеристику

Построение переходной характеристики (ПХ) проводится согласно методике, изложенной в 1.2.3. (стр.22 – 26) настоящего пособия. При построении ПХ необходимо задать параметры источника входного сигнала V 1, V 2, TD, TR, TF, PW, PER. После этого проводится временной анализ.

По переходной характеристике определить постоянную времени цепи t. Для ее нахождения необходимо найти по графику временной отрезок от начала переходного процесса до времени, за которое сигнал достигнет уровня 0,63 от |Umax| (|Umax| - максимальное значение напряжения по модулю) для ПХ вида 20b (см. рис 7) или 0,37 от |Umax| для ПХ вида 20d (учтите, что Ваша ПХ может быть инвертирована). Для ПХ вида 20f постоянная времени t определяется по огибающей на уровне 0,37 от ее максимального значения.

В отчете необходимо привести расчет параметров входного сигнала, график ПХ и определенную по графику постоянную времени t. Сделать вывод как изменилась форма сигнала на выходе фильтра по отношению к входному сигналу.

ВАРИАНТЫ СХЕМ ФИЛЬТРОВ

1 вариант