VYSOKÉ UENÍ TECHNICKÉ V BRN BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY NÁVRH, SIMULACE A MENÍ AKTIVNÍCH FILTR S MODERNÍMI FUNKNÍMI BLOKY.

Transkript

1 VYSOKÉ UENÍ TECHNICKÉ V BRN BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKANÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV RADIOELEKTRONIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF RADIO ELECTRONICS NÁVRH, SIMULACE A MENÍ AKTIVNÍCH FILTR S MODERNÍMI FUNKNÍMI BLOKY. DESIGN, SIMULATION AND MEASUREMENT OF ACTIVE FILTERS WITH MODERN FUNCTIONAL BLOCKS. BAKALÁSKÁ PRÁCE BACHELOR S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Vojtch Melša prof. Ing. Lubomír Braník, CSc. BRNO,

2 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav radioelektroniky Bakalářská práce bakalářský studijní obor Elektronika a sdělovací technika Student: Vojtěch Melša ID: Ročník: Akademický rok: 9/ NÁZEV TÉMATU: Návrh, simulace a měření aktivních filtrů s moderními funkčními bloky POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ: Seznamte se s metodami návrhu, simulace a měření aktivních filtrů s moderními funkčními bloky. Navrhněte univerzální přeladitelný filtr typu DP, HP, PP a PZ zadaných parametrů. Proveďte simulaci jeho vlastností pomocí programu PSPICE. Navržené zapojení univerzálního aktivního filtru realizujte ve formě laboratorníhio přípravku. Proveďte měření jeho kmitočtových charakteristik a výsledky srovnejte s výsledky simulací v programu PSPICE. DOPORUČENÁ LITERATURA: [] HÁJEK, K., SEDLÁČEK, J. Kmitočtové filtry. Praha: BEN - technická literatura,. ] GHAUSI, M. S., LAKER, K. R. Modern Filter Design. Active RC and Switched Capacitor, Atlanta: Noble Publishing,. Termín zadání: 8.. Termín odevzdání: 8.5. Vedoucí práce: prof. Ing. Lubomír Brančík, CSc. prof. Dr. Ing. Zbyněk Raida Předseda oborové rady UPOZORNĚNÍ: Autor bakalářské práce nesmí při vytváření bakalářské práce porušit autorská práva třetích osob, zejména nesmí zasahovat nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a musí si být plně vědom následků porušení ustanovení a následujících autorského zákona č. / Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č.4/9 Sb.

3 LICENNÍ SMLOUVA POSKYTOVANÁ K VÝKONU PRÁVA UŽÍT ŠKOLNÍ DÍLO uzavená mezi smluvními stranami:. Pan/paní (dále jen autor ) Jméno a píjmení: Vojtch Melša Bytem: Lubná 8, Lubná, 59 Narozen/a (datum a místo): 5. Záí 98 v Police. Vysoké uení technické v Brn a Fakulta elektrotechniky a komunikaních technologií se sídlem Údolní 5, Brno, jejímž jménem jedná na základ písemného povení dkanem fakulty: prof. Dr. Ing. Zbynk Raida, pedseda rady oboru Elektronika a sdlovací technika (dále jen nabyvatel ) l. Specifikace školního díla. Pedmtem této smlouvy je vysokoškolská kvalifikaní práce (VŠKP): disertaní práce diplomová práce bakaláská práce jiná práce, jejíž druh je specifikován jako... (dále jen VŠKP nebo dílo) Název VŠKP: Vedoucí/ školitel VŠKP: Ústav: Datum obhajoby VŠKP: Návrh, simulace a mení aktivních filtr s moderními funkními bloky prof. Ing. Lubomír Braník, CSc. Ústav radioelektroniky VŠKP odevzdal autor nabyvateli * : v tištné form poet exemplá: v elektronické form poet exemplá:. Autor prohlašuje, že vytvoil samostatnou vlastní tvrí inností dílo shora popsané a specifikované. Autor dále prohlašuje, že pi zpracovávání díla se sám nedostal do rozporu s autorským zákonem a pedpisy souvisejícími a že je dílo dílem pvodním.. Dílo je chránno jako dílo dle autorského zákona v platném znní. 4. Autor potvrzuje, že listinná a elektronická verze díla je identická. * hodící se zaškrtnte

4 lánek Udlení licenního oprávnní. Autor touto smlouvou poskytuje nabyvateli oprávnní (licenci) k výkonu práva uvedené dílo nevýdlen užít, archivovat a zpístupnit ke studijním, výukovým a výzkumným úelm vetn poizovaní výpis, opis a rozmnoženin.. Licence je poskytována celosvtov, pro celou dobu trvání autorských a majetkových práv k dílu.. Autor souhlasí se zveejnním díla v databázi pístupné v mezinárodní síti ihned po uzavení této smlouvy rok po uzavení této smlouvy roky po uzavení této smlouvy 5 let po uzavení této smlouvy let po uzavení této smlouvy (z dvodu utajení v nm obsažených informací) 4. Nevýdlené zveej ování díla nabyvatelem v souladu s ustanovením 4b zákona. / 998 Sb., v platném znní, nevyžaduje licenci a nabyvatel je k nmu povinen a oprávnn ze zákona. lánek Závrená ustanovení. Smlouva je sepsána ve tech vyhotoveních s platností originálu, piemž po jednom vyhotovení obdrží autor a nabyvatel, další vyhotovení je vloženo do VŠKP.. Vztahy mezi smluvními stranami vzniklé a neupravené touto smlouvou se ídí autorským zákonem, obanským zákoníkem, vysokoškolským zákonem, zákonem o archivnictví, v platném znní a pop. dalšími právními pedpisy.. Licenní smlouva byla uzavena na základ svobodné a pravé vle smluvních stran, s plným porozumním jejímu textu i dsledkm, nikoliv v tísni a za nápadn nevýhodných podmínek. 4. Licenní smlouva nabývá platnosti a úinnosti dnem jejího podpisu obma smluvními stranami. V Brn dne: 8. kvtna.. Nabyvatel Autor

5 ABSTRAKT Tato práce je zamena na možnosti zapojení elektronických filtr s moderními funkními bloky. Následn jsou vybrány nejvhodnjší zapojení a jejich vlastnosti jsou odsimulovány v programu Pspice. Ze vzájemného porovnání výsledk simulace, možností pelaovaní, potu funkcí, složitosti zapojení a v první ad podle komern dostupných použitých integrovaných obvod je vybráno zapojení k realizaci ve form laboratorního pípravku. Jeho zmené charakteristiky jsou pak porovnány s výsledky simulace. KLÍOVÁ SLOVA Filtry, proudové konvejory, transkonduktory ABSTRACT This work concentrates on the possibilities of how to connect electric filters with functional blocks. Then we choose the best possible connections and their characteristics are simulated in the Pspice program. From the comparison of the results of simulation, possibilities of tuning, quantity of functions, complicacy of connections and mainly by commercially available integrated circuits is chosen the connection which is realized in a laboratory preparation form. Its measured characteristics are compared with results of simulation KEYWORDS Filters, current conveyors, transconductors

6 MELŠA, V. Návrh, simulace a mení aktivních filtr s moderními funkními bloky. Brno: Vysoké uení technické v Brn, Fakulta elektrotechniky a komunikaních technologií. Ústav radioelektroniky,. 8 s., s. píloh. Bakaláská práce. Vedoucí práce: prof. ing. Lubomír Braník, CSc.

7 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že svou bakaláskou práci na téma Návrh, simulace a mení aktivních filtr s moderními funkními bloky jsem vypracoval samostatn pod vedením vedoucího bakaláské práce a s použitím odborné literatury a dalších informaních zdroj, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené bakaláské práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvoením této bakaláské práce jsem neporušil autorská práva tetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným zpsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si pln vdom následk porušení ustanovení a následujících autorského zákona. / Sb., vetn možných trestnprávních dsledk vyplývajících z ustanovení 5 trestního zákona. 4/9 Sb. V Brn dne 8. kvtna... podpis autora PODKOVÁNÍ Dkuji vedoucímu bakaláské práce Prof. Ing. Lubomíru Braníkovi, CSc. za úinnou metodickou, pedagogickou a odbornou pomoc a další cenné rady pi zpracování mé bakaláské práce. V Brn dne 8. kvtna... podpis autora

8 OBSAH OBSAH... ix SEZNAM OBRÁZK... xi SEZNAM TABULEK... xii ÚVOD.... ZÁKLADNÍ FILTRANÍ OBVODY..... Úel a použití filtr..... Typy filtr.... FILTRY S MODERNÍMI FUNKNÍMI BLOKY Proudové konvejory Základní popis proudového konvejoru Jednoduchý makromodel CCII Proudový konvejor AD Základní popis AD Technické parametry obvodu AD Proudový konvejor EL Základní popis EL8.... UNIVERZÁLNÍ PELADITELNÝ FILTR S AD Blokové schéma zapojení (AD844) Penosové funkce (AD844) Schéma zapojení v programu Pspice (AD844) Simulace v programu Pspice (AD844) Odetené hodnoty ze simulace (AD844) Schéma zapojení v programu Pspice (AD844) s ídícím obvodem EL Simulace v programu Pspice (AD844) s ídícím obvodem EL Odetené hodnoty ze simulace (AD844) s EL PÍKLAD ZAPOJENÍ UNIVERZÁLNÍHO FILTRU S JINÝMI MODERNÍMI FUNKNÍMI BLOKY Blokové schéma zapojení s transkonduktory Penosové funkce v zapojení s transkonduktory Schéma zapojení v programu Pspise s obvodem LT Simulace v Pspice a obvodem LT KONSTRUKCE FILTRU V ZAPOJENÍ S AD Schéma zapojení v programu Eagle Plošný spoj Seznam souástek... 8 ix

9 5.4. Rozmry desky laboratorního pípravku ZMENÉ CHARAKTERISTIKY A HODNOTY FILTRU S AD NÁHLED NA HOTOVÝ PÍPRAVEK... 4 ZÁVR... LITERATURA... SEZNAM SYMBOL, VELIIN A ZKRATEK... 8 x

10 SEZNAM OBRÁZK Obr. : Modulové charakteristiky rzných filtr []... Obr. : Proudový konvejor CCII a) schematická znaka, b) matice U a I... 4 Obr. : Makromodel CCII []... 5 Obr. 4: Proudový konvejor AD844 []... 5 Obr. 5: Proudový konvejor EL8 []... Obr. : Zapojení filtru (AD844) []... 8 Obr. : Schéma zapojení filtru (AD844) v programu Pspice... Obr. 8: Schéma zapojení filtru (AD844) v programu Pspice - Fázovací lánek... Obr. 9: Modulové frekvenní charakteristiky filtru (AD844)... Obr. : Modulová a fázová kmitotová charakteristika fázovacího lánku (AD844)... Obr. : Peladní filtru (AD844) - dolní propust... Obr. : Peladní filtru (AD844) - horní propust... Obr. : Peladní filtru (AD844) - pásmová propust... Obr. 4: Peladní filtru (AD844) - pásmová zádrž... Obr. 5: Peladní filtru (AD844) - fázovací lánek... 4 Obr. : Schéma zapojení filtru (AD844) v programu Pspice s EL Obr. : Schéma zapojení filtru (AD844) v programu Pspice s EL8 - Fázovací lánek... 5 Obr. 8: Peladní filtru (AD844) s EL8 dolní propust... Obr. 9: Peladní filtru (AD844) s EL8 horní propust... Obr. : Peladní filtru (AD844) s EL8 pásmová propust... Obr. : Peladní filtru (AD844) s EL8 pásmová zádrž... Obr. : Peladní filtru (AD844) s EL8 fázovací lánek (modul)... 8 Obr. : Peladní filtru (AD844) s EL8 fázovací lánek (fáze)... 8 Obr. 4: Zapojení univerzálního filtru s obvodem LT8 [4]... Obr. 5: Konfigurace filtru s obvodem LT8 pro pásmovou zádrž [4]... Obr. : Schéma zapojení filtru s obvodem LT 8 v programu Pspice (dolní propust)... Obr. : Dolní propust filtru (LT 8)... Obr. 8: Horní propust filtru (LT 8)... Obr. 9: Pásmová propust filtru (LT 8)... 4 Obr. : Pásmová zádrž filtru (LT 8)... 4 Obr. : Peladní filtru (LT 8) - dolní propust... 5 Obr. : Schéma zapojení filtru (AD844) s EL8 v programu Eagle... Obr. : Strana z pohledu souástek - TOP... Obr. 4: Strana z pohledu spoj - BUTTOM... Obr. 5: Osazení souástek... Obr. : Nákres pípravku... 9 Obr. : Zmené hodnoty (AD844) - dolní propust... Obr. 8: Zmené hodnoty (AD844) - horní propust... Obr. 9: Zmené hodnoty (AD844) - pásmová propust... Obr. 4: Zmené hodnoty (AD844) - pásmová zádrž... Obr. 4: Zené hodnoty (AD844) - fázovací lánek (modul)... Obr. 4: Zmené hodnoty (AD844) - fázovací lánek (fáze)... Obr. 4: Vrchní strana... 4 Obr. 44: Spodní strana... 4 Obr. 45: Boní pohled... 5 Obr. 4: elní pohled... 5 Obr. 4: Plošný spoj... 5 xi

11 SEZNAM TABULEK Tabulka : Technické parametry obvodu AD844 [5]... Tabulka : Hodnoty souástek (AD844) []... 8 Tabulka : Mezní frekvence jednotlivých filtr (AD844)... 4 Tabulka 4: Mezní frekvence jednotlivých filtr (AD844) s EL Tabulka 5: Hodnoty souástek (LT 8) [4]... Tabulka : Seznam souástek... 8 Tabulka : Mezní frekvence jednotlivých filtr (AD844) namené hodnoty... xii

12 ÚVOD Hlavní náplní této práce je zamení se na elektronické filtry s moderními funkními bloky. Nejprve budeme seznámeni se základními filtraními obvody. Budou nám ukázány všechny typy filtr, píklady jejich použití a základní principy jejich funkce. Dalším tématem budou moderní funkní bloky, které se používají pro konstrukci filtr. Práce bude zamena pedevším na proudové konvejory, které pracují v proudovém módu a dokážou zpracovávat mnohem širší frekvenní pásmo než bžné operaní zesilovae. V programu Pspice budou provedeny simulace zapojení filtru s tmito moderními prvky a bude popsán konkrétní použitý proudový konvejor. Také bude provedena simulace i jiných zapojení s jinými funkními bloky a výsledky budou porovnány se zapojením s proudovými konvejory. Nakonec budou porovnány výhody i nevýhody každého zapojení a bude vybráno vhodné zapojení pro konstrukci. Filtr bude zkonstruován ve form laboratorního pípravku a jeho zmené charakteristiky porovnány s výsledky simulace.

13 . ZÁKLADNÍ FILTRANÍ OBVODY.. Úel a použití filtr Kmitotové filtry jsou pevážn lineární dvojbrany, které propustí jen nkteré harmonické složky spektra signálu v uritém pásmu kmitot. Toto pásmo se nazývá propustné pásmo. Ostatní harmonické složky mimo toto propustné pásmo jsou siln utlumeny tzv. nepropustné pásmo. Kmitotové filtry se používají v ad rzných obvod a systém. Pro usmr ovae, kde je zapotebí oddlit stejnosmrnou složku a potlait všechny stídavé složky, se používá filtr typu dolní propust. V pijímaích se pro výbr uritého signálu vysílae používá pásmová propust a naopak pro odstranní nežádoucího kmitotu (nap. síového kmitotu 5Hz) se používá pásmová zádrž. V poslední dob se v souvislosti s novými mikroelektronickými technologiemi rozvíjejí aktivní filtry RC s novými aktivními prvky a funkními bloky. Dále je snaha odstranit resp. nahradit induktory syntetickými prvky. Jsou totiž píliš objemné, drahé a velmi tžko integrovatelné souástky. [].. Typy filtr Filtry lze rozdlit podle následujících zpsob: Podle penášeného kmitotového spektra (obr. ): - dolní propust, - horní propust, - pásmová propust, - pásmová zádrž, - všepropustný (fázovací) dvojbran, Podle použitých prvk: - pasivní filtry RC (resp. RLC), - pasivní filtry LC, - aktivní filtry RC, se standardními operaními zesilovai, se zvláštními typy operaních zesilova, s ideálními zesilovai naptí, - filtry RC s funkními bloky, s impedanními invertory a gyrátory, s impedanními konvertory, s proudovými konvejery, aktivní filtr R, - filtry se syntetickými prvky, - filtry s spínanými kapacitory, - filtry s povrchovou vlnou, - filtry s piezoelektrickými rezonátory, - a další. []

14 Obr. : Modulové charakteristiky rzných filtr [] a) dolní propust, b) horní propust, c) pásmová propust, d) pásmová zádrž

15 . FILTRY S MODERNÍMI FUNKNÍMI BLOKY.. Proudové konvejory Proudový konvejor (CC) je universální analogové zaízení urené pro používání v rzných obvodových zapojení, které realizují mnoho analogových signálových funkcí. Jedná se o analogový obvod, který se v mnoha smrech podobá klasickému napovému zesilovai, ale pedstavující alternativní metody implementování analogových systém, které jsou obvykle budovány s napovými zesilovai. Jejich aplikaní spektrum pokrývá všechny možné aplikace s napovými zesilovai a ješt mnohem víc. CC je tedy zaízení, které se v dnešní dob zaíná stále víc a víc uplat ovat díky svým dosahovaným vlastnostem, které jsou oproti klasickému napovému OZ znan lepší. []... Základní popis proudového konvejoru Na obr. je základní schematická znaka proudového konvejoru druhé generace (dále jen CCII) spolu s maticí naptí a proud popisující jeho chování. Obr. : Proudový konvejor CCII a) schematická znaka, b) matice U a I Po roznásobení matice získáme tyto základní vztahy mezi branovými veliinami: Proudové konvejery lze ješt rozdlit na CCII+ a CCII-, pro které platí: ) CCII+: I x = I z ) CCII-: I x = -I z Další vlastností CCII je vysoká impedance na vstupu Y a Z a malá impedance na vstupu X. Naptí na nízkoimpedanním vstupu X je sledováno z vysokoimpedanního vstupu Y, zatímco proud z nízkoimpedanního vstupu X je konvejován (zrcadlen) na vysokoimpedanní výstup Z. [] 4

16 ... Jednoduchý makromodel CCII Jednoduchý makromodel obsahuje pouze ideální napový sledova mezi svorkami Y a X, vnitní odpor R x, ideální zdroj proudu I z ízeného proudem I x a výstupní impedanci Z T složenou z odporu R T a kapacity C T, která uruje transientní kmitoet penosové funkce. [] Obr. : Makromodel CCII [] Pro tento makromodel platí: (kde ).. Proudový konvejor AD Základní popis AD844 Proudový konvejor AD844 má oproti klasickému proudovému konvejoru na výstupu ješt napový sledova. Obr. 4: Proudový konvejor AD844 [] Vztahy mezi branovými veliinami pak vypadají takto: 5

17 ... Technické parametry obvodu AD844 Integrovaný obvod AD844 je k dispozici ve tech pouzdrech. V -pin SOIC (R) pouzdru se jedná o AD844J, které je ureno pro komerní rozmezí teplot a dále pak AD844A a AD844B v 8-pin cerdip (Q) pouzdru, které jsou ureny pro prmyslový rozsah teplot. [5] Tabulka : Technické parametry obvodu AD844 [5] Podmínky AD844J AD844A AD844B Rozmezí teplot C až + C -4 C až +85 C -4 C až +85 C Pracovní rozsah ±4.5V až ±8V ±4.5V až ±8V ±4.5V až ±8V Celkové harmonické zkreslení f= khz Vrms.5%.5%.5% Klidový proud.5ma až.5ma.5ma až.5ma.5ma až.5ma Absolutní maximální hodnoty [5]: Napájecí naptí U S.. ±8V Výkonový rozptyl.w Diferenní vstupní naptí V Invertující vstupní proud nepetržitý... 5mA pechodný... ma Rozsah skladovacích teplot (Q) C až +5 C (N,R).. -5 C až +5 C Rozsah teploty pívod... + C ESD rozsah V.. Proudový konvejor EL8... Základní popis EL8 Jedná se o negativní proudový konvejor CCII-, jehož proudový penos B má záporné znaménko. Platí tedy vztah I x = -I z. Proudový penos lze v jistém rozsahu mnit externím ídícím naptím Ug = (V, V). Obr. 5: Proudový konvejor EL8 []

18 Je-li napový vstup pipojen na zem, jeví se daný obvod mezi vstupním pinem I in a výstupním pinem I out jako reálný odpor, který lze mnit naptím Ug. Absolutní maximální hodnoty []: Napájecí naptí mezi U S + a U S - +V Vstupní naptí U in ±U S ídící naptí U G... -V až V Vstupní proud I in.. ± 5mA Provozní teplota... až 5 Frekvenní rozsah 5MHz

19 . UNIVERZÁLNÍ PELADITELNÝ FILTR S AD844.. Blokové schéma zapojení (AD844) Zapojení na obr. využívá ty CFOA (Current-feedback operational amplifer) typu AD844, z nichž dva jsou zapojeny jako invertující integrátory a dva jako speciáln navržené sumátory. Toto zapojení umož uje odebírat všechny tyi typy filtr naráz (pepína v poloze BS). Jedná se o typ filtru dolní propust (DP) v uzlu oznaeném V, horní propust (HP) v uzlu VO, pásmová propust (PP) v uzlu VO a pásmová zádrž (PZ) v uzlu V4. Pokud bude pepína v poloze AP, získáme na výstupu V4 fázovací lánek. Pelaovat lze tento filtr zmnou velikosti odporu rezistor R a R. Pi zmn odpor musí být zachován vzájemný pomr jejich hodnot. [] Obr. : Zapojení filtru (AD844) [] Hodnoty souástek : Tabulka : Hodnoty souástek (AD844) [] Název r až r R R C C Hodnota k k k nf nf 8

20 .. Penosové funkce (AD844) Penosová funkce dolní propust: " $ #! ' & $ % ' ( $ * * ' ) ' $ $ $ +, ' ) ' $ $ $ Penosová funkce horní propust: - $! " & # (. % & ' ) ' ( $ * * +, ' ) ' $ $ $ Penosová funkce pásmová propust: )! " $ % ' & ) ( $ ' $ * * +, ' ) ' $ $ $ Penosová funkce pásmová zádrž: / " $ *# $! % & ' )(& $ ' * ) ( ' ' $ $ $ $ * * +, ' ) ' $ $ $ Penosová funkce fázovací lánek:! " & $ & #. (*# $ ( % & ' ) ' (& $ * $ * * ' ) ' $ $ ( $ +, ' ) ' $ $ $ 9

21 .. Schéma zapojení v programu Pspice (AD844) r k r -5V k Vac Vdc in V r k 5V AD844/AD - U5 V 5V + 4 V- 5V OUT V+ N N C 5 8 HP R k r k AD844/AD - U + -5V 4 V- 5V OUT V+ N N C 5 8 C n PP R k AD844/AD - U + -5V 4 V- 5V OUT V+ N N C 5 8 DP C n r5 k r4 k -5V AD844/AD - C 5 OUT + U8 5V 4 V- V+ N N 8 PZ r k V 5V -5V Obr. : Schéma zapojení filtru (AD844) v programu Pspice r k r -5V k Vac Vdc in V r k 5V AD844/AD - U5 V 5V + 4 V- 5V OUT V+ N N C 5 8 HP R k r k AD844/AD - U + -5V 4 V- 5V OUT V+ N N C 5 8 C n PP R k AD844/AD - U + -5V 4 V- 5V OUT V+ N N C 5 8 DP C n r5 k r4 k -5V AD844/AD - C 5 OUT + U8 5V 4 V- V+ N N 8 PZ r k V 5V -5V Obr. 8: Schéma zapojení filtru (AD844) v programu Pspice - Fázovací lánek

22 .4. Simulace v programu Pspice (AD844) Obr. 9: Modulové frekvenní charakteristiky filtru (AD844) Obr. : Modulová a fázová kmitotová charakteristika fázovacího lánku (AD844)

23 Obr. : Peladní filtru (AD844)- dolní propust Obr. : Peladní filtru (AD844)- horní propust

24 Obr. : Peladní filtru (AD844)- pásmová propust Obr. 4: Peladní filtru (AD844) - pásmová zádrž

25 Obr. 5: Peladní filtru (AD844) - fázovací lánek.5. Odetené hodnoty ze simulace (AD844) Tabulka : Mezní frekvence jednotlivých filtr (AD844) Hodnoty rezistor DP HP PP PZ F R [k] R [k] f mez [khz] f mez [khz] f mez [khz] f st [khz] f mez [khz] f mez [khz] f st [khz] f mez [khz] f mez [khz],,4 45, 45,4 4,4 4,8,5 5,9 45,, 49, 98, 4, 5, 98,,8 5, 4, 45,9, 5 9,5 4,,,,9,5,88 5,8,, 4,,,4,,, 8,4,5 Sklon modulových frekvenních charakteristik je -4dB/dek, nebo se jedná o filtr druhého ádu. Frekvenní pásmo filtru je 8,MHz. 4

26 . Schéma zapojení v programu Pspice (AD844) s ídícím obvodem EL8 Obvod EL8 je proudový zesilova s napov ízeným zesílením. V daném zapojení se obvod chová jako rezistor, jehož hodnota je nastavována naptím zdroje V4. Dva obvody EL8 nahrazují rezistory R a R z pvodního zapojení a jejich vzájemný pomr pi pelaování zajišuje napový dli tvoený rezistory r a r. Rozsah ídícího naptí na vstupu obvodu, pi kterém nedochází ke zkreslení prbh, je necelý V. Pípravek je konstruován pro automatizované mení s rozsahem ídícího naptí až V, a proto je na vstupu zaazen dli tvoený rezistory r8, r9. r -5V k r Vac Vdc 5V in V r k AD844/AD - U5 + 4 V- 5V OUT V+ N N C 5 8 HP r AD844/AD - U + -5V 4 V- 5V OUT V+ N N C 5 8 C n PP k AD844/AD - U + -5V 4 V- 5V OUT V+ N N C 5 8 DP C n r5 r4 k AD844/AD - + U8-5V 4 V- C 5 OUT V+ N N 5V 8 PZ r k V 5V V 5V V4 V r8 5.k r9 k U9 k -5V 5V -5V r k U VGAIN IIN VIN V- V+ IOUT E GND 4 r k VGAIN IIN VIN V- V+ IOUT E GND 4 5V k EL8/EL -5V EL8/EL Obr. : Schéma zapojení filtru (AD844) v programu Pspice s EL r -5V k r Vac Vdc 5V in V r k AD844/AD - U5 + 4 V- 5V OUT V+ N N C 5 8 HP r AD844/AD - U + -5V 4 V- 5V OUT V+ N N C 5 8 C n PP k AD844/AD - U + -5V 4 V- 5V OUT V+ N N C 5 8 DP C n r5 r4 k AD844/AD - + U8-5V 4 V- C 5 OUT V+ N N 5V 8 PZ r k V 5V V 5V V4 V r8 5.k r9 k U9 k -5V 5V -5V r k U VGAIN IIN VIN V- V+ IOUT E GND 4 r k VGAIN IIN VIN V- V+ IOUT E GND 4 5V k EL8/EL -5V EL8/EL Obr. : Schéma zapojení filtru (AD844) v programu Pspice s EL8 - Fázovací lánek

27 . Simulace v programu Pspice (AD844) s ídícím obvodem EL8 Obr. 8: Peladní filtru (AD844) s EL8 dolní propust Obr. 9: Peladní filtru (AD844) s EL8 horní propust

28 Obr. : Peladní filtru (AD844) s EL8 pásmová propust Obr. : Peladní filtru (AD844) s EL8 pásmová zádrž

29 Obr. : Peladní filtru (AD844) s EL8 fázovací lánek (modul) Obr. : Peladní filtru (AD844) s EL8 fázovací lánek (fáze) 8

30 .8 Odetené hodnoty ze simulace (AD844) s EL8 Tabulka 4: Mezní frekvence jednotlivých filtr (AD844) s EL8 ídící naptí Ug [V] DP HP PP PZ F f mez f mez f mez f st f mez f mez f st f mez f mez [khz] [khz] [khz] [khz] [khz] [khz] [khz] [khz] [khz],,5,,,4,4,98,4 5,5,4,, 5,9,8, 5,,9,99 55,8,,,4,8 4,9 44, 4,5 4, 4,9 558,55 5,98 4,5 54,4 4,4 5,5,8 4,8,9 9,9 44,9 Sklon modulových frekvenních charakteristik je opt -4dB/dek. Frekvenní pásmo filtru je 4,MHz a je tedy menší než v pedešlém pípad. 9

31 4. PÍKLAD ZAPOJENÍ UNIVERZÁLNÍHO FILTRU S JINÝMI MODERNÍMI FUNKNÍMI BLOKY 4.. Blokové schéma zapojení s transkonduktory Zapojení universálního filtru s transkonduktory na obr. má jediný výstup a ti vstupy, jejichž vhodnou volbou lze docílit tech základních penosových funkcí (dolní propust, horní propust a pásmová propust). Vstupy, na které není pipojen signál, jsou pipojeny na zem. Pipojením invertoru ke vstupu dolní nebo horní propusti lze docílit i pásmové zádrže jak je zobrazeno na obr.. [4] Obr. 4: Zapojení univerzálního filtru s obvodem LT8 [4] Obr. 5: Konfigurace filtru s obvodem LT8 pro pásmovou zádrž [4]

32 4.. Penosové funkce v zapojení s transkonduktory Penosová funkce dolní propust: 45 $ ) +, 45 % Penosová funkce pásmová propust: 55 $ $ ) +, 55 % Penosová funkce horní propust: 85 $ ) +, 85 % Penosová funkce pásmová zádrž: 5 $ ) * $ ) 5 % $ ) % * $ ) +, % Jmenovatel penosové funkce: % *9 ) ) *9 $ $ *9 *9 : * ) * ) $ * $ ) * $ ) +, ) $ ) $ )

33 4.. Schéma zapojení v programu Pspise s obvodem LT8-5V -5V -5V -5V LT8/LT 4 V- - ISET OUT IOUT 5 LT8/LT 4 LT8/LT 4 LT8/LT 4 V- V- V iset ISET iset ISET iset 5 ISET iset4 OUT OUT OUT IOUT + GAIN 8 R + GAIN 8 R + GAIN 8 R + GAIN 8 U V+ k U V+ k U V+ k U4 V+ C C C 5V 4p 5V 4p 5V 4p 5V IOUT IOUT R4 k out C4 4p Vac Vdc V 5V 5Vdc V iset iset iset iset4 R5 k R k R.8k R8.k 5Vdc V -Vdc V4-5V Obr. : Schéma zapojení filtru s obvodem LT 8 v programu Pspice (dolní propust) Hodnoty souástek: Tabulka 5: Hodnoty souástek (LT 8) [4] Název C až C4 R až R4 R5 R R R8 Hodnota 4pF k k k.8 k. k

34 4.4. Simulace v Pspice a obvodem LT8 Obr. : Dolní propust filtru (LT 8) Obr. 8: Horní propust filtru (LT 8)

35 Obr. 9: Pásmová propust filtru (LT 8) Obr. : Pásmová zádrž filtru (LT 8) 4

36 Obr. : Peladní filtru (LT 8) - dolní propust Sklon frekvenních modulových charakteristik je -8dB/dek. Jedná se tedy o filtr 4.ádu. Frekvenní pásmo filtru je pes MHz a lze tento filtr pelaovat v rozsahu od 5kHz do MHz naptím v rozmezí od -V do 5V. 5

37 5. KONSTRUKCE FILTRU V ZAPOJENÍ S AD Schéma zapojení v programu Eagle Obr. : Schéma zapojení filtru (AD844) s EL8 v programu Eagle

38 5.. Plošný spoj Obr. : Strana z pohledu souástek - TOP Obr. 4: Strana z pohledu spoj - BUTTOM Obr. 5: Osazení souástek

39 5.. Seznam souástek Tabulka : Seznam souástek Pol. Množství Název Typ Hodnota Rezistor R, R, R, R4, R5, R, R, R8, R9, R Metalizovaný k /,W Rezistor R Metalizovaný 5,k /,W Kondenzátor C, C Keramický nf / V 4 Kondenzátor C, C4, C5, C, C, C8, C9 C, C, C, C, C4 Keramický uf / V 5 4 IO, IO, IO, IO4 AD844 IO5, IO EL8 Patice obyejná SOKL 8 8 Pístrojová zdíka pro banánek SBZ GREEN 9 Pístrojová zdíka pro banánek SBZ RED Pístrojová zdíka pro banánek SBZ BLUE Pákový pepína P-B9B x5v/a Svorkovnice AK 5/-DS-5.-V-GREY 5 Svorkovnice AK 5/-DS-5.-V-GREY Kondenzátory C až C4 nejsou ve schématu ani na desce plošného spoje zakresleny, nebo byly do pípravku pidány až po jeho zhotovení. Kondenzátory jsou pipájeny k napájecím pinm všech integrovaných obvod proti zemi a zamezují tak nechtným oscilacím. 8

40 5.4. Rozmry desky laboratorního pípravku Obr. : Nákres pípravku 9

41 . ZMENÉ CHARAKTERISTIKY A HODNOTY FILTRU S AD844 Obr. : Zmené hodnoty (AD844) - dolní propust Obr. 8: Zmené hodnoty (AD844) - horní propust

42 Obr. 9: Zmené hodnoty (AD844) - pásmová propust Obr. 4: Zmené hodnoty (AD844) - pásmová zádrž

43 !! " Obr. 4: Zené hodnoty (AD844) - fázovací lánek (modul)!! " ] Obr. 4: Zmené hodnoty (AD844) - fázovací lánek (fáze)

44 Tabulka : Mezní frekvence jednotlivých filtr (AD844) namené hodnoty ídící naptí Ug [V] DP HP PP PZ F f mez f mez f mez f st f mez f mez f st f mez f mez [khz] [khz] [khz] [khz] [khz] [khz] [khz] [khz] [khz], 5 5 8, 45 5, Frekvenní pásmo filtru ze zmených charakteristik je MHz. Všechny frekvenní charakteristiky byly nameny pomocí osciloskopu Tektronix TDS. Jako zdroj vstupního signálu byl použit funkní generátor Agilent s frekvenním rozsahem MHz. Úrove vstupního signálu byla mv p-p. Pípravek byl napájen ze zdroje Agilent EA s napovým rozsahem ±5V/A pro napájení integrovaných obvod a dále s napovým rozsahem V/5A, který sloužil jako zdroj ídícího naptí.

45 . NÁHLED NA HOTOVÝ PÍPRAVEK Obr. 4: Vrchní strana Obr. 44: Spodní strana 4

46 Obr. 45: Boní pohled Obr. 4: elní pohled Obr. 4: Plošný spoj 5

47 ZÁVR I pesto, že zapojení s transkonduktory dokáže pracovat s mnohem vyššími kmitoty a má vtší strmost frekvenních modulových charakteristik, jeví se jako vhodnjší možnost pro realizaci laboratorního pípravku zapojení s proudovými konvejory. Hlavní výhodou tohoto zapojení je možnost odebírat jednotlivé typy filtr najednou z rzných uzl obvodu a dále také možnost rozšíení o funkci fázovacího lánku. Dále pak toto zapojení ani žádné jemu podobné nebylo pro laboratorní úely fyzicky zkonstruováno. Mezní kmitoty frekvenních charakteristik zmené na pípravku se obzvláš pi malém ídícím naptí neshodují s hodnotami získané ze simulací. U pásmové propusti byl zaznamenán pomrn malý penos za mezní frekvencí f mez, který je tsn nad hranicí -db. Pípravek je navržen pro automatizované mení v laboratoích pedmtu Analogové elektronické obvody a rozsah ídícího naptí je pizpsoben ízenému zdroji s rozsahem V.

48 LITERATURA [] DOSTÁ, T., AXMAN, V.: Elektronické filtry. VUT [] KYSELÍK, M.: Funkní bloky v proudovém módu. Semestrální práce, [] V. K. SINGH, A. K. SINGH, D. R. BHASKAR, R. SENANI: Novel mixed-mode universal biquad configuration. Electronic express 5 [4] ŠOTNER, R.: Univerzální filtr 4. ádu s transkonduktory. Elektrorevue, VUT 8 [5] ANALOG DEVICES: AD844 MHz, V/µs Monolithic Op Amp Data Sheet (REV. E) [] A. PENA-PÉREZ, E. TLELO-CUAUTLE, A. DÍAZ-MÉNDEZ, C. SÁNCHEZ-LÓPEZ: Diseño de un CFOA compatible con CMOS y su Aplicación en Filtros Analógicos. LATIN AMERICA [] INTERSIL: EL8 Data Sheet

49 SEZNAM SYMBOL, VELIIN A ZKRATEK Zkratka/Symbol Jednotka Popis C [F] Kondenzátor DP [-] Dolní propust F [-] Fázovací lánek HP [-] Horní propust PP [-] Pásmová propust PZ [-] Pásmová zádrž R [] Rezistor [-] Jednotka elektrického odporu 8