Teorie elektronických obvodů (MTEO)

Transkript

1 Teorie elektronických obvodů (MTEO) Laboratorní úloha číslo 10 návod k měření Filtr čtvrtého řádu Seznamte se s principem filtru FLF realizace a jeho obvodovými komponenty. Vypočtěte řídicí proud všech použitých OTA. Tab. 1: Tabulka hodnot řídicích proudů všech použitých OTA. I SET1 [ A] I SET2 [ A] I SET3 [ A] I SET4 [ A] Najděte souběhové poměry pro určení vztahu g m jednotlivých OTA. Tab. 2: Souběhové poměry pro určení vztahu mezi g m jednotlivých OTA. g m2 = k 1 g m1 k 1 = g m3 = k 2 g m1 k 2 = g m4 = k 3 g m1 k 3 = Vypočtěte skutečnou (přesnou) velikost rezistorů R m2, R m2 a R m3 připojených do řídicích vstupů OTA, pokud bude R m1 = 15k. Tab. 3: Tabulka přesných hodnot rezistorů R m2, R m3 a R m4 do řídicích vstupů OTA podle souběhu. R m1 = R m2 = R m3 = R m4 = Dále vypočtěte řídicí napětí U SET pro předchozí výsledky, přičemž uvažujte f C = 10kHz. Předpokládané řídicí napětí je U SET = V

2 Změřte všechny dostupné modulové kmitočtové charakteristiky, a to pro hodnotu f C = 10kHz. Jedná se o horní, dolní a pásmovou propust a pásmovou zádrž Na vyznačené svorky připojte stabilizovaný napájecí zdroj TESLA s pevným symetrickým napětím ±15V a na svorky označené jako U SET regulovatelný zdroj DIAMETRAL paralelně s voltmetrem. Pokud se spokojíte s méně přesným údajem voltmetru ve zdroji, můžete využít multimetr jako ampérmetr pro měření I SET do vstupu U SET. V tomto případě zobrazuje multimetr součet proudů I SET jednotlivých OTA. Na vstup připojte generátor AGILENT 33220A, dále první kanál milivoltmetru INSTEK GVT-427B a rovněž první kanál digitálního osciloskopu HP54603B. Vstupní napětí nastavte na 1V ef. Na výstup měřené přenosové funkce připojte druhý kanál milivoltmetru INSTEK GVT-427B a druhý kanál digitálního osciloskopu. Vypočtená hodnota U SET v předchozím bodě zadání poslouží jako orientační hodnota, v jejímž okolí najdeme přesné U SET pro f C = 10kHz (což je rovněž kmitočet budicího generátoru). Střední kmitočet f C lze nejlépe naladit na 10kHz pomocí pásmové zádrže, kdy hledáme minimum přenosu, tedy minimum výstupního napětí. Změříme modulové kmitočtové charakteristiky všech přenosových funkcí, a to přímo v db. S výhodou lze využít faktu, že při 1V ef na vstupu je přenos přímo roven hodnotě na výstupu (výchylka + rozsah). Zjištěné hodnoty vepíšeme do níže uvedené tabulky a vyneseme je do jednoho grafu. Nutno podotknout, že díky nedodržení přesných hodnot R m není pokles o 3dB u dolní a horní propusti přesně na f C (jak je u Butterworthovy aproximace zvykem). Zde hrají nezanedbatelnou roli také parazitní vlastnosti aktivních prvků. Typickým problémem více-smyčkové struktury v napěťovém režimu je vznik parazitního pólu na stovkách khz v důsledku parazitních vazeb (přes plovoucí rezistory a vstupní kapacity operačního zesilovače). Tab. 4: Frekvenční charakteristiky. f K PP K DP K HP K PZ f K PP K DP K HP K PZ khz db db db db khz db db db db Kmitočet pro pokles o 3dB u horní propusti a pásmové zádrže je f DP = khz f PZ = khz

3 Obr. 1: Graf modulových frekvenčních charakteristik, (nezapomeňte na popis jednotlivých os). Změřte ladicí charakteristiku f C = f(u SET ) nebo f -3dB = f(u SET ) pro řídicí napětí U SET v širokém rozsahu. Zakreslete několik libovolných modulových kmitočtových charakteristik pro různé hodnoty napětí U SET. Měňte řídicí napětí U SET, případně sledujte I SET a zaznamenejte odpovídající změnu význačného kmitočtu f C. Tento kmitočet se opět nejsnáze nalezne jako minimum přenosu pásmové zádrže. Vyneste některou z požadovaných závislostí a do jednoho grafu načrtněte několik charakteristik Vámi zvoleného typu přenosové funkce. Zde postačí pro každou křivku pět bodů grafu. Zdokumentujte a stručně diskutujte možnost ladění. Tab. 5: Tabulka hodnot pro ladicí charakteristiku filtru typu. U SET [V] I SET [ A] f C f -3dB [Hz]

4 Obr. 2: Graf modulových frekvenčních charakteristik filtru typu, (nezapomeňte na popis jednotlivých os). Obr. 3: Graf modulových frekvenčních charakteristik filtru typu, (nezapomeňte na popis jednotlivých os).

5 V propustném pásmu všech přenosových funkcí změřte hrubou závislost výstupního napětí na vstupním napětí. Určete, od jakých hodnot amplitudy vstupního napětí začínají jednotlivé filtry omezovat či jinak zkreslovat výstupní napětí. Filtr opět nalaďte na f C = 10kHz, nastavte tento kmitočet také na generátoru a měňte amplitudu vstupního budicího napětí podle předepsané tabulky. Vstupně-výstupní charakteristiku závislost vyneste graficky a určete, jaké nejvyšší napětí na vstupu je ještě přípustné (filtr pracuje stále v lineární oblasti). Vlastní měření provádějte milivoltmetrem INSTEK GVT-427B, přičemž výstupní napětí rovněž neustále sledujte na osciloskopu. Nezapomeňte, že implicitně je na generátoru nastaven očekávaná zátěž pouze 50 a údaj na displeji je poloviční. Tab. 6: Tabulka hodnot pro vstupně-výstupní charakteristiku filtru typu. U INP [V] U OUT [V] Obr. 4: Graf linearity vstupně výstupní charakteristiky filtru typu, (nezapomeňte na popis jednotlivých os). Lineární oblast filtru zvoleného typu filtru končí při vstupním napětí převyšujícím hodnotu U INP = V

6 Určete strmost modulových kmitočtových charakteristik podle Bodeho asymptot a zhodnoťte, zda filtr splňuje požadavky tolerančního kanálu. Nejvýhodnější je provést měření u pásmové propusti. U horní a dolní propusti je to obtížnější díky reálným vlastnostem aktivních prvků, kdy je útlum konečný. Nezapomeňte, že filtr lze ladit a tím korigovat možné mírné vybočení. Strmost filtru typu je přibližně S= db