Ideální frekvenční charakteristiky filtrů podle bodu 1. až 4. v netypických lineárních souřadnicích jsou znázorněny na následujícím obrázku. U 1.



Podobné dokumenty
elektrické filtry Jiří Petržela filtry se spínanými kapacitory

Abychom se vyhnuli užití diferenčních sumátorů, je vhodné soustavu rovnic(5.77) upravit následujícím způsobem

elektrické filtry Jiří Petržela všepropustné fázovací články, kmitočtové korektory

filtry FIR zpracování signálů FIR & IIR Tomáš Novák

Teoretický úvod: [%] (1)

Výpočet základních analogových obvodů a návrh realizačních schémat

Praktické výpočty s komplexními čísly (především absolutní hodnota a fázový úhel) viz např. vstupní test ve skriptech.

Kompenzovaný vstupní dělič Analogový nízkofrekvenční milivoltmetr

Teorie elektronických obvodů (MTEO)

Signál v čase a jeho spektrum

Kapacita, indukčnost; kapacitor-kondenzátor, induktor-cívka

Experiment s FM přijímačem TDA7000

r Odvoď te přenosovou funkci obvodů na obr.2.16, je-li vstupem napě tí u 1 a výstupem napě tí u 2. Uvaž ujte R = 1Ω, L = 1H a C = 1F.

Návrh frekvenčního filtru

II. Nakreslete zapojení a popište funkci a význam součástí následujícího obvodu: Integrátor s OZ

OPERA Č NÍ ZESILOVA Č E

Obrázek č. 1 : Operační zesilovač v zapojení jako neinvertující zesilovač

Tel-30 Nabíjení kapacitoru konstantním proudem [V(C1), I(C1)] Start: Transient Tranzientní analýza ukazuje, jaké napětí vytvoří proud 5mA za 4ms na ka

Nízkofrekvenční (do 1 MHz) Vysokofrekvenční (stovky MHz až jednotky GHz) Generátory cm vln (až desítky GHz)

Studium tranzistorového zesilovače

teorie elektronických obvodů Jiří Petržela obvodové funkce

Fyzikální praktikum 3 Operační zesilovač

Při návrhu FIR filtru řešíme obvykle následující problémy:

Mějme obvod podle obrázku. Jaké napětí bude v bodech 1, 2, 3 (proti zemní svorce)? Jaké mezi uzly 1 a 2? Jaké mezi uzly 2 a 3?

Přednáška v rámci PhD. Studia

Při návrhu FIR filtru řešíme obvykle následující problémy:

elektrické filtry Jiří Petržela filtry se syntetickými bloky

Direct Digital Synthesis (DDS)

Operační zesilovač, jeho vlastnosti a využití:

PŘELAĎOVÁNÍ AKTIVNÍCH FILTRŮ POMOCÍ NAPĚŤOVĚ ŘÍZENÝCH ZESILOVAČŮ

(s výjimkou komparátoru v zapojení č. 5) se vyhněte saturaci výstupního napětí. Volte tedy

TDA7000. Cílem tohoto experimentu je zkonstruovat FM přijímač s integrovaným obvodem TDA7000 a

elektrické filtry Jiří Petržela aktivní filtry

- + C 2 A B V 1 V 2 - U cc

VY_32_INOVACE_ENI_3.ME_01_Děliče napětí frekvenčně nezávislé Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Dubno Ing.

Měřící přístroje a měření veličin

1. Navrhněte a prakticky realizujte pomocí odporových a kapacitních dekáda derivační obvod se zadanou časovou konstantu: τ 2 = 320µs

Přenos pasivního dvojbranu RC

TRANZISTOROVÝ ZESILOVAČ

Obr. 1 Činnost omezovače amplitudy

31SCS Speciální číslicové systémy Antialiasing

Základní zapojení s OZ. Vlastnosti a parametry operačních zesilovačů

SIGNÁLY A SOUSTAVY, SIGNÁLY A SYSTÉMY

Teorie úlohy: Operační zesilovač je elektronický obvod, který se využívá v měřící, výpočetní a regulační technice. Má napěťové zesílení alespoň A u

Oscilátory. Návod k přípravku pro laboratorní cvičení v předmětu EO.

SEMESTRÁLNÍ PRÁCE Z PŘEDMĚTU NÁVRH A ANALÝZA ELEKTRONICKÝCH OBVODŮ

Měřená veličina. Rušení vyzařováním: magnetická složka (9kHz 150kHz), magnetická a elektrická složka (150kHz 30MHz) Rušivé elektromagnetické pole

7. Určete frekvenční charakteristiku zasilovače v zapojení jako dolní propust. U 0 = R 2 U 1 (1)

ISŠ Nova Paka, Kumburska 846, Nova Paka Automatizace Dynamické vlastnosti členů členy a regulátory

PŘEDNÁŠKA 1 - OBSAH. Přednáška 1 - Obsah

Zesilovače. Ing. M. Bešta

Grafické zobrazení frekvenčních závislostí

1.1 Pokyny pro měření

Základy elektrotechniky 2 (21ZEL2) Přednáška 1

MATURITNÍ ZKOUŠKA Z ELEKTROTECHNICKÝCH MĚŘENÍ

Měření na nízkofrekvenčním zesilovači. Schéma zapojení:

A7B31ZZS 10. PŘEDNÁŠKA Návrh filtrů 1. prosince 2014

Pokud není uvedeno jinak, uvedený materiál je z vlastních zdrojů autora

Kategorie M. Test. U všech výpočtů uvádějte použité vztahy včetně dosazení! 1 Sběrnice RS-485 se používá pro:

Syntéza obvodu teplotní kompenzace krystalového oscilátoru

Senzor teploty. Katalogový list SMT

Schmittův klopný obvod

U1, U2 vnější napětí dvojbranu I1, I2 vnější proudy dvojbranu

FYZIKA II. Petr Praus 9. Přednáška Elektromagnetická indukce (pokračování) Elektromagnetické kmity a střídavé proudy

2. NELINEÁRNÍ APLIKACE OPERAČNÍCH ZESILOVAČŮ

Operační zesilovače. U výst U - U +

KOREKTORY FREKVENČNÍ CHARAKTERISTIKY NFZ

Frekvenční charakteristiky

POZNÁMKY K ZADÁNÍ PREZENTACÍ - 17BBEO - TÉMA 2

Rádiové funkční bloky X37RFB Krystalové filtry

TENZOMETRICKÉ PŘEVODNÍKY

VŠB Technická univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky Katedra elektroniky

Osnova přednášky. Univerzita Jana Evangelisty Purkyně Základy automatizace Vlastnosti regulátorů

teorie elektronických obvodů Jiří Petržela analýza šumu v elektronických obvodech

elektrické filtry Jiří Petržela filtry založené na jiných fyzikálních principech

PŘECHODOVÝ JEV V RC OBVODU

Laboratorní úloha 7 Fázový závěs

Spojité regulátory Zhotoveno ve školním roce: 2011/2012. Spojité regulátory. Jednoduché regulátory

Přednáška v rámci PhD. Studia

2. Pomocí Theveninova teorému zjednodušte zapojení na obrázku, vypočtěte hodnoty jeho prvků. U 1 =10 V, R 1 =1 kω, R 2 =2,2 kω.

3. Kmitočtové charakteristiky

X31EO2 - Elektrické obvody 2. Kmitočtové charakteristiky

Elektronické praktikum EPR1

Nelineární obvody. V nelineárních obvodech však platí Kirchhoffovy zákony.

ELEKTRONIKA. Maturitní témata 2018/ L/01 POČÍTAČOVÉ A ZABEZPEČOVACÍ SYSTÉMY

1 Elektrotechnika 1. 14:00 hod. R 1 = R 2 = 5 Ω R 3 = 10 Ω U = 10 V I z = 1 A R R R U 1 = =

1 U Zapište hodnotu časové konstanty derivačního obvodu. Vyznačte měřítko na časové ose v uvedeném grafu.

Impedanční děliče - příklady

Filtrační analogové obvody pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO

[Otázky Autoelektrikář + Mechanik elektronických zařízení 1.část] Na rezistoru je napětí 25 V a teče jím proud 50 ma. Rezistor má hodnotu.

Oscilátory. Oscilátory s pevným kmitočtem Oscilátory s proměnným kmitočtem (laditelné)

Pracovní třídy zesilovačů

Elektronika 2. Vysoká škola báská - Technická univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky. Píklady P1 až P8

Příloha č. 3 TECHNICKÉ PARAMETRY PRO DODÁVKU TECHNOLOGIE: UNIVERZÁLNÍ MĚŘICÍ ÚSTŘEDNA

VY_32_INOVACE_ENI_2.MA_04_Zesilovače a Oscilátory

Projektová dokumentace ANUI

10. Operační zesilovače a jejich aplikace, parametry OZ. Vlastnosti lineárních operačních sítí a sítí s nelineární zpětnou vazbou

4.2. Modulátory a směšovače

20ZEKT: přednáška č. 3

Operační zesilovač (dále OZ)

Transkript:

Aktivní filtry Filtr je obecně selektivní obvod, který propouští určité frekvenční pásmo, zatímco ostatní frekvenční pásma potlačuje. Filtry je možno realizovat sítí pasivních součástek, tj. rezistorů, kapacitorů a induktorů. Použití pasivních filtrů je běžné všude tam, kde nejsou příliš vysoké nároky na přesnost aproximace přenosové funkce filtru. V ostatních případech dáváme přednost aktivním filtrům, které obsahují jeden nebo několik zesilovačů. Jednou z výhod aktivních filtrů je možnost vyloučení induktorů při návrhu a realizaci přenosové funkce obvykle stačí zapojovat rezistory a kapacitory. Induktor je totiž obvykle charakterizován velkými rozměry, relativně velkou cenou vzhledem ke složitosti výroby, ale zejména při použití feromagnetického materiálu se vždy jedná o nelineární prvek, který může negativně ovlivňovat přesnost aproximace přenosové funkce celého filtru. Dalšími výhodami aktivních filtrů je, že při vhodné konstrukci si vystačíme i pro nízké frekvence s malými kapacitami a dále lze dosáhnout velkých vstupních a malých výstupních impedancí.

Podle účelu, ke kterému má filtr sloužit, rozlišujeme celkem čtyři základní typy:. filtr typu dolní propust (DP, low-pass, propouští všechny kmitočty menší než horní mezní kmitočet). filtr typu horní propust (HP, high-pass, propouští všechny kmitočty větší než dolní mezní kmitočet) 3. filtr typu pásmová propust (PP, band-pass, propouští jen dané pásmo kmitočtů) 4. filtr typu pásmová zádrž (PZ, notch, latch, band-stop, zadržuje dané pásmo kmitočtů) Ideální frekvenční charakteristiky filtrů podle bodu. až 4. v netypických lineárních souřadnicích jsou znázorněny na následujícím obrázku. U U U U DP HP U U 0 f c f U U 0 fc f PP PZ 0 fd fh f 0 fd f h f

Hranice mezi propustným pásmem a nepropustným pásmem nastává při určité frekvenci f c, která se nazývá frekvence zlomu. Při této frekvenci může dosáhnout amplitudová frekvenční charakteristika, aproximovaná v logaritmických souřadnicích přímkami své největší chyby proti skutečné hodnotě. Reálná frekvenční charakteristika se od ideální liší. Příklad je znázorněn (pro DP) na následujícím obrázku. U U ideální frekvenční charakteristika DP A 0 reálná frekvenční charakteristika DP A 0 f0 f f pásmo propusti přechodová oblast pásmo útlumu

Hranice pásma propustnosti a pásma útlumu nejsou přesně rozlišeny. Za pásmo propustnosti U budeme považovat frekvence, kde neklesne pod zvolenou hodnotu (obvykle se jedná o U hodnotu menší o 3 db proti hodnotě v propustném pásmu). Za pásmo útlumu budeme A 0 považovat frekvence, pro které platí, že U U klesne pod zvolenou hodnotu. Rychlost útlumu je určena řádem filtru n (n = 3 ~ filtr 3. řádu, n = 6 ~ filtr 6. řádu). Čím větší řád filtru, tím rychleji dochází k útlumu. Na druhou stranu je nutné upozornit na to, že s řádem filtru roste i jeho složitost, což znamená, že v praxi jsme omezeni asi na řád n 0.

Druhy filtrů:. Butterworthovy filtry Amplitudová charakteristika Butterworthových filtrů má velmi plochý průběh v propustném pásmu, který začíná klesat teprve v blízkosti frekvence zlomu. Rozdíl mezi ideální a aproximovanou amplitudovou frekvenční charakteristikou je na frekvenci zlomu (f = f c ) 3 db a nezáleží na řádu filtru. Normovaným Butterworthovým polynomem n-tého řádu rozumíme polynom, jehož komplexně sdružené kořeny leží v levé polorovině, přitom pro liché njejedenkořen vždy reálný a roven -, dalších n- kořenů jsou komplexně sdružené kořeny se zápornou reálnou částí. Pro sudá n má polynom n/ dvojic komplexně sdružených kořenů se zápornou reálnou částí. V následující tabulce jsou uvedeny normované Butterworthovy polynomy. n... řád filtru koeficienty normovaného Butterworthova polynomu B N (p) (p + ) (p +.44p + ) 3 (p +p+)(p+) 4 (p + 0.7654p + )(p +.8478p + ) 5 (p + 0.68p + )(p +.68p + )(p + ) 6 (p + 0.576p + )(p +.44p + )(p +.939p + ) 7 (p + 0.445p + )(p +.47p + )(p +.809p + )(p + ) 8 (p + 0.390p + )(p +.p + )(p +.669p + )(p +.966p + ) 9 (p + 0.3473p + )(p +p+)(p +.53p + )(p +.8794p + )(p + ) 0 (p + 0.39p + )(p +0.908p + )(p +.44p + )(p +.78p + ) (p +.9754p + )

Obecně lze přenos např. systému. řádu napsat ve tvaru: Au 0 G( p) p k p c c c[ s ]... je frekvence zlomu k[ ]... je poměrné tlumení Ivpřípadě Butterworthových filtrů současně platí, že řešením charakteristické rovnice jsou dva komplexně sdružené kořeny ležící v levé polorovině. Butterworthův filtr však lze obecně popsat přenosem: G( p) ( p) [] u0 [] B A N kde ( p) je Butterworthův polynom n-tého řádu. Jestliže dosadíme p j, B N bude pro absolutní velikost G( j) v případě Butterworthova filtru platit: A u 0 G( j) G( j) G( j) c n [3]

Ze vztahu (3) vyplývá, že absolutní hodnota přenosu G( j) je dána vztahem: kde n je řád polynomu. G( j) A u 0 c n [4] Z výrazu (4) vyplývá velmi důležitá vlastnost Butterworthových filtrů: platí totiž, že pro c poklesne amplituda na výstupu filtru na hodnotu: G A [5] u0 ( j ) 0,707 Au 0 tj. na hodnotu o 3 db nižší oproti propustnému pásmu.

Fázová frekvenční charakteristika vykazuje v propustném pásmu plynulou změnu fáze s frekvencí, se sklonem daným řádem filtru. Pro posouzení těchto vlastností se používá pojmu skupinové zpoždění, což je derivace fáze podle frekvence. U tohoto typu filtru nemá v propustném pásmu skupinové zpoždění zvlnění

Přechodová charakteristika se vyznačuje rychlým čelem impulsu a mírným překmitem. Butterworthův filtr je nejvíce používaný filtr v regulační technice.

Pro normovaný filtr, kdy uvažujeme, že ω 0 = rad/s, je možné přenosovou funkci přepsat ve dvou tvarech. Pro n sudá (, 4, 6, ) Pro n lichá (, 3, 5, ) G( p) n / k A0 G( p) p b p n / 0 k Ak a p b p k Vpředcházející tabulce jsou uvedeny normované Butterworthovy polynomy pro filtr. až 0. řádu. Koeficienty jednotlivých polynomů lze určit pomocí vztahů (6) a (7). k Ak a p b k k b k [6] (k ) a k sin kde k je pořadí polynomu [7] n Pro příklad určeme ze vztahu (7) koeficienty pro n = 6: k k k / sin( /) 0, 576 4 / sin(3 /), 44 6 / sin(5 /), 939 : a sin : a sin 3 : a3 sin

n... řád filtru koeficienty normovaného Butterworthova polynomu B N (p) (p + ) (p +.44p + ) 3 (p +p+)(p+) 4 (p + 0.7654p + )(p +.8478p + ) 5 (p + 0.68p + )(p +.68p + )(p + ) 6 (p + 0.576p + )(p +.44p + )(p +.939p + ) 7 (p + 0.445p + )(p +.47p + )(p +.809p + )(p + ) 8 (p + 0.390p + )(p +.p + )(p +.669p + )(p +.966p + ) 9 (p + 0.3473p + )(p +p+)(p +.53p + )(p +.8794p + )(p + ) 0 (p + 0.39p + )(p +0.908p + )(p +.44p + )(p +.78p + ) (p +.9754p + )

. Besselovy filtry Besselovy filtry (nazývané též Bessel-Thomsonovy nebo Thomsonovy filtry) jsou navrhovány tak, aby fázová charakteristika byla v pásmu okolo kritické frekvence maximálně lineární. Amplitudová charakteristika v nepropustném pásmu je velmi plochá. Na následujícím obrázku jsou amplitudové frekvenční charakteristiky Besselových filtrů sudého řádu 0. Amplitudová charakteristika má neostrý zlom a oproti filtrům ostatních druhů je její přechodové pásmo nejdelší.

Fázová část frekvenční charakteristiky je ve své přechodné části plochá nejvíce ze všech popisovaných filtrů.

skoku. Přechodová charakteristika má malý překmit, menší než % amplitudy vstupního Besselovy filtry se používají v televizní technice, při zpracování digitálně syntetizovaného signálu a též v měřicí technice. Použití nacházejí všude tam, kde je na závadu překmit přechodové charakteristiky.

n... řád filtru koeficienty normovaného Besselova polynomu B L (p) (p + ) (p +.73p + ) 3 (p +,49p +.06)(946p + ) 4 (p +.344p +.)(p +.8096p + 0.890) 5 (p +.703p + 0.9)(p +.8p +.78)(0.964p + ) 6 (p +.888p + 0.865)(p +.5954p + 0.9556)(p +.077p +.5) 7 (p +.76p + 0.8779)(p +.5054p + 0.9897)(p + 0.9934p +.57) (0.995p + ) 8 (p +.894p + 0.8475)(p +.6946p + 0.8993)(p +.4p +.0) (p + 0.944p +.836) 9 (p +.78p + 0.8579)(p +.696p + 0.96)(p +.3488p +.055) (p + 0.866p +.34)(0.955p + ) 0 (p +.88p + 0.8395)(p +.7376p + 0.875)(p +.5676p + 0.946) (p +.836p +.0804)(p + 0.866p +.3359)

3. Eliptické filtry Eliptické, též Cauerovy nebo Cauer-Čebyševovy filtry, byly navrženy Cauerem v roce 93. Tyto filtry se vyznačují maximální strmostí zlomové části amplitudové charakteristiky, čemuž odpovídá krátké přechodové pásmo.

Eliptické filtry nacházejí použití všude tam, kde se požaduje velmi strmý pokles amplitudové frekvenční charakteristiky na zlomové frekvenci. Eliptický filtr představuje optimální řešení pro tento požadavek. Eliptické filtry najdeme v televizní, měřicí a komunikační technice. Vstupními parametry návrhu eliptického filtru jsou n, ω c,r p a R s, tedy řád, zlomová frekvence, maximální zvlnění v propustném směru a minimální útlum v nepropustném pásmu.

Příklad návrhu a realizace Butterworthova filtru Návrh Butterworthova filtru s použitím operačních zesilovačů a s využitím normovaných polynomů B N (p) je možno řešit různým způsobem. Především je možné dokázat, že lze s jedním operačním zesilovačem a sítí RC realizovat filtr libovolného řádu. Tímto způsobem lze redukovat na nejmenší možnou míru počet aktivních součástek obvodu, na druhé straně však vytvořené obvody splňují požadované vlastnosti pouze s velmi přesnými hodnotami součástek. Tato citlivost roste s rostoucím řádem filtru. Příklad zapojení aktivní dolní propusti n-tého řádu s jedním operačním zesilovačem je možné nalézt např. v literatuře [3].

Jiný způsob návrhu dolních nebo horních propustí využívá operačních zesilovačů jako impedančních převodníků, tj. zesilovačů s kladným zesílením s vysokou vstupní impedancí a minimální výstupní impedancí. V tomto případě je možné použít zapojení pro první řád podle následujícího obrázku. Impedance Z az jsou tvořeny prvky RC. V případě aktivního filtru typu dolní propust bude impedance Z nahrazena rezistorem a impedance Z kapacitorem. R R Z 3 - + OZ U U Z

Zapojení s jedním operačním zesilovačem pro druhý řád je na následujícím obrázku. Tomuto zapojení se běžně říká Salen-Key filtr. Impedance Z až Z 4 jsou tvořeny stejně jako v případě filtru. řádu prvky RC. V případě aktivního filtru typu dolní propust budou impedance Z a Z nahrazeny rezistory, zatímco impedance Z 3 a Z 4 budou nahrazeny kapacitory. Při realizaci filtru typu horní propust budou zaměněny rezistory a kapacitory. R R U Z Ux Z3 Z Ui Ui Z4 3 - + OZ U

Chceme-li realizovat filtr vyššího řádu, pak pro liché n se zapojení skládá z kaskádního spojení (n-)/ obvodů druhého řádu a jednoho obvodu prvního řádu. Pro sudé n se pak výsledné schéma skládá z n/ obvodů druhého řádu. Určitá nevýhoda tohoto způsobu návrhu je v tom, že pro zaručení přenosové funkce B N (p) vycházejí obvykle rozdílné hodnoty kapacit nebo odporů pro jednotlivá zapojení. V následujícím odvozeních bude použit vztah (), který představuje typickou přenosovou funkci obecného systému druhého řádu: Au 0 G( p) p k p c V obou popisovaných zapojeních je operační zesilovač zapojen jako neinvertující zesilovač, jehož zesílení A U 0 je v pásmu provozovaných frekvencí dáno vztahem: c A U R R R 0 R R S využitím vztahu (8) platí pro zapojení druhého řádu: [8] U i U R R R U A U 0 [9]

Pro napětí U x platí: U x U Z Z Z Z 3 4 Z Z Z 3 4 Z3 Z Z4 Z Z Z 3 4 U Z 3 Z Z Z 4 Z Z Z 4 Z Z Z4 Z Z Z 4 [0] Napětí na neinvertujícím vstupu je jednak dáno vztahem (9), ale současně můžeme psát: U i U x Z Z4 Z 4 Dosadíme-li za U x ze vztahu (0) do vztahu () a současně porovnáme vztahy (9) a () dostaneme po úpravě: [] U A U 0 UZZ UZZ 3 4 4 ZZ ZZ ZZ ZZ ZZ 3 4 3 3 4 [] Další úpravou dostaneme přenos ve tvaru: U U AU 0Z3Z4 ZZ ZZ ZZ ZZ ZZ A ZZ [3] 4 3 3 4 3 U 0 4

Chceme-li nyní realizovat např. dolní propust druhého řádu typu Butterworth, definujeme: Z Z R Z Z U U a po úpravě dostaneme: ( p) ( p) U ( p) U ( p) 3 4 pc AU 0 pc [4] R R R R R AU 0 pc pc pc pc pc A U 0 prc 3 A prc Porovnáme-li nyní vztah (5) se vztahem () určíme: c U 0 Au 0 G( p) p k p c c [5] [6] RC AU 0 3 k Na základě vztahů (6) a (7) lze velmi jednoduše navrhovat požadovaný filtr tak, že určíme podle (6) prvky R, C a hledáme takové zesílení A U0 pro každý operační zesilovač, aby byl navržen koeficient tlumení podle tabulky normovaných Butterworthových polynomů. [7]

Návrh pásmových propustí pomocí filtrů polynomiálního typu DOLNÍ PROPUST U Realizace pásmové propusti podle principu na následujícím obrázku má velkou výhodu v univerzálnosti použití. Volbou řádu obou propustí můžeme volit sklony charakteristik nezávisle na sobě. Frekvence f d af h je možno libovolně měnit a vždy jsou vzájemně nezávislé, je-li splněna podmínka fd fh. HORNÍ PROPUST U Vlastní návrh pásmové propusti je velmi jednoduchý a lze použít stejný postup jako vpřípadech dolní či horní propusti, které byly popsány výše.

Návrh pásmových zádrží pomocí filtrů polynomiálního typu U tohoto návrhu, podobně jakovpředchozím případě, lze frekvence f d af h libovolně bez interakce měnit. Rovněž sklony frekvenčních charakteristik v okolí pásma zadržených frekvencí lze navrhovat nezávisle na sobě. Vlastnosti zapojení dolní a horní propusti však v tomto případě nelze provést kaskádně. Obě propusti se zapojují společně svými vstupy a jejich výstupy se přivádějí na součtový zesilovač podle následujícího obrázku. Návrh této pásmové zádrže vychází opět z výše popsaného způsobu návrhu dolní a horní propusti. DOLNÍ PROPUST U 0,5R R 3 - + OZ U R U HORNÍ PROPUST U V tomto případě je výstupní napětí dáno vztahem: R R U U U 0, 5U U [8] R R

Butterworthův filtr typu horní propust 3. řádu Navrhněte Butterworthův filtr typu horní propust třetího řádu se zlomovou frekvencí f c = 800Hz. Máte k dispozici kapacitory nf, 3,3nF, 0nF, 33nF nebo 00nF. Vyberte vhodný kapacitor z nabízených tak, abyste vypočtený odpor mohli snadno nastavit pomocí odporové dekády kω až 999kΩ. Hodnoty rezistorů R =R = 0kΩ nemáte možnost měnit. Filtr bude sestaven ze zapojení filtru. řádu a ze zapojení Salen-Key. Výsledné zapojení je znázorněno na následujícím obrázku. R R R' R' U C R 3 - + OZ C R C R U 3 - + OZ

B N (p) = (p + )(p + p + ) První závorku bude realizovat OZ a druhou závorku OZ A U0 = 3 k = 3 = A U0 = 3 k = 3 = ' R R A U0 =A U0 = R = ' R = Ze zadání známe R = R = 0kΩ a snadno dopočítáme R = R (A U0 ) = R ( ) = 0kΩ R = R (A U0 ) = R ( ) = 0kΩ Frekvence zlomu je dána vztahem f C RC Volíme jednu součástku a druhou dopočítáme. Z praktického hlediska je vhodné volit velikost kapacitorů, neboť se obvykle jedná o rozměrnější součástku, která by měla být co do hodnoty v řadě vyráběných kapacitorů. Ze zadání plyne, že máme volit hodnotu kapacitoru C=nF, 3,3nF, 0nF, 33nF nebo 00nF. Např. pro C=33nF je: R 6,09k f C C=3,3nF C=0nF C=33nF C=00nF R [kω] 60,86 9,894 6,09,989 c

Butterworthův filtr typu horní propust 3. řádu Navrhněte Butterworthův filtr typu dolní propust čtvrtého řádu se zlomovou frekvencí f c = khz. Máte k dispozici kapacitory nf, 3,3nF, 0nF, 33nF nebo 00nF. Vyberte vhodný kapacitor z nabízených tak, abyste vypočtený odpor mohli snadno nastavit pomocí odporové dekády kω až 999kΩ. Hodnoty rezistorů R =R =0kΩ nemáte možnost měnit. Filtr bude sestaven ze dvou zapojení Salen-Key. Výsledné zapojení je znázorněno na následujícím obrázku. R R R' R' U R C R C 3 - + OZ R C R C 3 - + OZ U

B N (p) = (p + 0,7654p + )(p +,8478p + ) První závorku bude realizovat OZ a druhou závorku OZ A U0 = 3 k = 3 0,7654 =,346 A U0 = 3 k = 3,8478 =,5 ' R R A U0 = =,346 A U0 = ' =,5 R R Ze zadání známe R = R = 0kΩ a snadno dopočítáme R R AU ) R (,346 ), 346k ( ) ' ' ' ' R R ( AU ) R (,5 ), 5k 0 Frekvence zlomu je dána vztahem f C RC Volíme jednu součástku a druhou dopočítáme. Z praktického hlediska je vhodné volit velikost kapacitorů, neboť se obvykle jedná o rozměrnější součástku, která by měla být co do hodnoty v řadě vyráběných kapacitorů. Ze zadání plyne, že máme volit hodnotu kapacitoru C=nF, 3,3nF, 0nF, 33nF nebo 00nF. Např. pro C=0nF je: R 5,95k f C C=nF C=3,3nF C=0nF C=33nF C=00nF R [kω] 59,55 48,9 5,95 4,83,59 c

R R +IN A R R 3 - + OZ +IN B V 80 Hz AC -IN A C C -IN B

R R OUT +IN A R R 3 - + OZ +IN B GND -IN A -IN B C C

Filtry se spínanými kapacitory V předchozích části přednášky jsme poznali jak lze vytvořit aktivní filtry z diskrétních pasivních a aktivních prvků. U těchto filtrů lze velmi složitým způsobem měnit jejich parametry, především pak přeladění jejich kmitočtových vlastností. Nabízí se zde použití filtrů, kde se tato změna provádí velmi elegantním způsobem. Rezistory v nich jsou nahrazeny periodicky spínanými kapacitory, což dovoluje změnu jejich ekvivalentních odporů a následně i přeladění filtru úpravou přepínacího kmitočtu. Proto jsou tyto filtry v literatuře označovány jako SCF (Switched Capacitors Filters). Princip filtru se spínaným kapacitorem fclk 3 C U S t U OZ U0 S t C 3 - +

Označíme-li časový interval t, jako interval po který je sepnut spínač S a t jako interval, po který je sepnut spínač S, bude pro periodu T CLK platit: T CLK t t [9] f kde T CLK je perioda vzorkování a f CLK je vzorkovací frekvence. Náboj kapacitoru C je v okamžicích přepnutí dán vztahy: Qt ( ) CLK Cu Qt ( ) Cu [0] Změna náboje na kondenzátoru za jednu vzorkovací periodu je tedy: u u I TCLK Q( t) Q( t ) Q( t) C [] Změna náboje v časovém intervalu je proto dána střední hodnotou proudu v tomto časovém intervalu. Z tohoto a s využitím Ohmova zákona můžeme psát: I u T C u CLK u R u ekv []

Ze vztahu () plyne, že pomocí vzorkování lze realizovat časovou konstantu, ve které figuruje TCLK přídavný kapacitor C a odpor je nahrazen fiktivním odporem Rekv. C Časová konstanta obvodu je tedy: R ekv C C C T Časová konstanta podle vztahu (3) nezávisí na skutečném odporu, ale pouze na periodě C vzorkování T CLK a na poměru dvou kapacit. C Přenos obvodu je dán vztahem: ekv CLK CLK [3] U O ( p) C [4] U ( p) pc R C pt C Pokud zaručíme konstantní poměr, bude zlomová frekvence řízena pouze frekvencí C vzorkovací, přičemžsenemění tvar charakteristiky filtru. Toto je základní výhoda filtrů se spínaným kapacitorem. Další výhodou je, že mezní kmitočet je dán poměrem kapacit, což je příznivé z hlediska vlivu teploty na parametry filtru.

Aliasing Aliasing, neboli překrývání ve frekvenčním spektru vzniká v důsledku přepínání kapacitoru, které je současně vzorkováním. Běžná dolní propust je pásmovou propustí pro frekvence od 0Hz do f C. Filtr se spínaným kapacitorem je však navíc propustí frekvence od f CLK -f C do f CLK +f C,odf CLK -f C do f CLK +f C,,přeložené do propustného pásma filtru. Aliasingu se zamezuje vložením klasického filtru za filtr se spínaným kapacitorem. Filtr se spínaným kapacitorem tedy zajistí požadovaný řád a typ filtru (velkou strmost, malou chybu) a klasický (spojitý) dolnopropustný filtr zajistí, aby ve spektru signálu vystupujícího z filtru byly frekvence vyšší než f CLK / dostatečně potlačeny. Nevýhodou je, že spojitý filtr není snadné plynule přelaďovat elektrickým signálem. Pevným spojitým filtrem se omezíme jen na určité pásmo, ve kterém lze celý filtr přelaďovat. Stabilita filtru je závislá na vhodně zvolené vzorkovací frekvenci vzhledem k požadované frekvenci zlomu. Pro stabilitu je nutno zaručit, aby vzorkovací frekvence f CLK byla podle Shannonovy věty f CLK >> f C,kdef C je požadovaná frekvence zlomu. Poměr f CLK /f C bývá pro běžné aplikace volen v pásmu 50:, v přesnějších aplikacích až 00:.

MAX9 (Butterworthova aproximace), MAX9 (Besselova aproximace) a MAX93 (eliptická aproximace) filtry 8. řádu Příkladem filtru se spínaným kapacitorem je např. řada integrovaných obvodů MAX 9x. Základní vlastnosti této řady jsou uvedeny v následující tabulce: Označení Aproximace f / f Řád f C (max) MAX 9 Butterworthova 00: 8 5 khz MAX 9 Besselova 00: 8 5 khz MAX 93 Eliptická 00: 8 5 khz MAX 94 Eliptická 00: 8 5 khz MAX 95 Butterworthova 50: 8 50kHz MAX 96 Besselova 50: 8 50kHz MAX 97 Eliptická 50: 8 50kHz CLK C

Parametr min max Napájecí napětí - symetrické.375v 5.500V Napájecí napětí - nesymetrické + 4.750V +.000V Napájecí proud Rozkmit vstupního napětí Rozkmit výstupního napětí Příkon ma 4V 4V 760 mw Pin Název Popis funkce CLK Vstup hodinového signálu U- Záporné napájecí napětí 3 OP OUT Výstup volného OZ 4 OP IN Vstup volného OZ 5 OUT Výstup filtru 6 GND Analogová zem 7 U+ Kladné napájecí napětí 8 IN Vstup filtru Filtry umožňují připojit k vnitřnímu oscilátoru MAX 9x externí kapacitor. Tento externí kapacitor se připojuje místo vstupního hodinového signálu f CLK mezi svorku vstup CLK a svorku GND. Frekvence generovaného hodinového signálu se vypočte takto: 5 0 fclk khz [5] 3Cext pf Pozn.: Hodnota kapacity se zadává v pf (viz vztah 5) a výsledná hodnota frekvence je v khz. Opět je nutné si uvědomit, že takto jsme spočítali pouze vstupní hodinový kmitočet f CLK aže poměr mezi f CLK /f C je opět 00:.

Literatura:. Hlinovský M., Honců J., Němeček P., Vysoký O.: ELEKTRONICKÉ SYSTÉMY - Návody ke cvičením, skriptum ČVUT FEL, Praha 006. Punčochář J.: OPERAČNÍ ZESILOVAČE v elektronice, BEN technická literatura, Praha 999 3. Vysoký, O.: Elektronické systémy II, skriptum ČVUT, Praha 003