Фильтр нижних частот
Фильтр нижних
частот
Задание на курсовой проект «Фильтр нижних частот»
фильтр печатный схемотехнический
Исходные данные: Граничная частота полосы пропускания fп = 3000 Гц;
Граничная частота полосы задерживания fз = 8000 Гц;
Модуль коэффициента передачи в полосе пропускания Н0 = 3 дБ;
Неравномерность модуля коэффициента передачи в полосе пропускания ΔН = 0,5 дБ;
Модуль коэффициента передачи в полосе задерживания Нз = минус
60 дБ;
Элементная база - интегральные ОУ, дискретные ЭРЭ;
Конструктивное исполнение - узел с печатным монтажом.
Разработать:
) Схему электрическую принципиальную;
2) Перечень элементов;
) Чертёж печатной платы;
) Сборочный чертёж.
Пояснительная записка содержит страниц, рисунков, таблиц и приложения.
В данном проекте рассматривается задача проектирования фильтра нижних
частот. В ходе выполнения курсового проекта выполнены этапы функционального,
схемотехнического и конструкторского проектирования.
1. Функциональное проектирование
Методика функционального проектирования аналоговых устройств во многом
определяется их принадлежностью к определенному классу устройств. Одним из
распространенных методов синтеза активных RC-фильтров является каскадная
реализация, которая предусматривает: разложение передаточной функции фильтра на
сомножители второго и первого порядка и реализацию полученного разложения
каскадным соединением звеньев второго и первого порядка, взаимодействие между
которыми пренебрежимо мало.
Сначала необходимо решить задачу аппроксимации заданной АЧХ фильтра. В
ходе решения этой задачи определяют передаточную функцию фильтра в области
комплексной частоты p в виде произведения сомножителей
где n - порядок фильтра;
- частота пары комплексно-сопряженных полюсов;
- добротность пары комплексно-сопряженных полюсов.
Исходные данные для решения задачи аппроксимации представляются в виде
графика допусков (рисунок 1), но поля допусков неравномерности АЧХ в полосе
пропускания и задерживания следует задавать меньше чем в ТЗ для обеспечения
запасов работоспособности. Запасы работоспособности необходимы для обеспечения
работоспособности фильтра при отклонениях параметров элементов от их
номинальных значений из-за технологического разброса, изменения условий
эксплуатации и старения.
Рисунок 1 - График допуска для ФНЧ
Для решения задачи аппроксимации АЧХ фильтров можно использовать
программу APPR. Программа запрашивает у пользователя исходные данные
(требования к АЧХ, вид аппроксимации), определяет порядок фильтра и
рассчитывает параметры передаточной функции с точностью до постоянного
множителя.
При решении задачи аппроксимации были выбраны значения неравномерности
АЧХ в полосе пропускания =0,2дБ. Этим обеспечиваются запасы работоспособности в полосе
пропускания (0,5 - 0,2)/2 =0,15дБ.
Заданный фильтр аппроксимируется полиномом Чебышева шестого порядка.
Программа APPR рассчитала следующие параметры
передаточной функции, которые приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Параметры передаточной функции
№
|
Wi
|
Qi
|
Wi/Qi
|
Wi2
|
1
|
19570,2
|
5,2689
|
3714,27
|
382991000
|
2
|
15137,4
|
1,4917
|
10147,6
|
229140000
|
3
|
8676,8
|
0,62595
|
13861,8
|
75287600
|
Следующими проектными процедурами являются процедуры структурного и
параметрического синтеза.
Формирование структурной схемы выполняем в среде схемного графического
редактора OrCAD Capture. В качестве элементов структурной схемы используем
элементы LAPLACE из библиотеки ABM.olb. Структурная схема фильтра представлена на рисунке 2.
Рисунок 2 - Структурная схема ФНЧ
Результаты расчета АЧХ фильтра шестого порядка для интересующих
диапазонов частот, выполненные с помощью программы PSpice, приведены на рисунках 3 и 4. Из полученных
характеристик следует, что результирующая АЧХ имеет неравномерность в полосе
пропускания (0-3000 Гц) 0,2 дБ. Т.к. требования ТЗ выполняются, запасы
работоспособности обеспечиваются, данный вариант структурной схемы можно
рассматривать как результат этапа функционального проектирования и использовать
его как часть исходных данных при схемотехническом проектировании.
Рисунок 3 - Амплитудно-частотная характеристика фильтра
Рисунок 4 - АЧХ фильтра в полосе пропускания
2.
Схемотехническое проектирование
Исходными данными для этапа схемотехнического проектирования являются
требования технического задания и результаты функционального проектирования,
представленные в виде структурной схемы и требований к функциям и параметрам их
элементов. В современных подсистемах автоматизации схемотехнического
проектирования используются подходы, основанные на переборе законченных
структур и выделении варианта из обобщенной структуры.
В качестве обобщенной структуры можно рассматривать банк типовых схемных
решений (БСР). Элементами БСР учебной САПР являются схемные решения звеньев
активных RC-фильтров. Поэтому можно выполнить
композицию функциональной электрической схемы аналогового устройства из
найденных в БСР функциональных подсхем, соединяя их входы и выходы в
соответствии со структурной схемой.
В ходе выполнения работы был использован БСР для фильтров нижних частот,
который реализован в виде иерархически структурированного набора данных,
выполненного в среде схемного графического редактора OrCAD Capture. Схема верхнего уровня Filters.dsn служит
классификационной схемой фильтров нижних частот. Ее элементы указывают на
готовые схемные решения для активных RC-фильтров первого и второго порядка.
Для рассматриваемого фильтра в БСР были выбраны 2 схемы звеньев ФНЧ
второго порядка низкой добротности (Q<2) hp2lq1.sch и 1 средней добротности (2<Q<20) hp2mq1.sch.
Для найденных подсхем необходимо решить задачу расчета параметров
элементов для обеспечения требуемых значений выходных параметров. Могут
использоваться аналитический или численный подходы. В данной работе можно
ограничиться аналитическими расчетами по инженерным методикам, основанным на
простых аналитических моделях. Для расчета параметров схемы применим программу NE.exe.
Результаты расчета звеньев приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Параметры элементов, рассчитанные в программе NE.exe
Элементы
|
Значения параметров
|
Элементы
|
Элементы
|
Значения параметров
|
С1, нФ
|
47
|
R1, кОм
|
1,71
|
R7, кОм
|
4,335
|
С2, нФ
|
6,8
|
R2, кОм
|
75,557
|
R8, кОм
|
1,106
|
С3, нФ
|
68
|
R3, кОм
|
4,885
|
R9, кОм
|
25,97
|
С4, нФ
|
6,8
|
R4, кОм
|
3,6
|
|
|
С5, нФ
|
68
|
R5, кОм
|
1,598
|
|
|
С6, нФ
|
6,8
|
R6, кОм
|
2,176
|
|
|
Сформированная функциональная схема фильтра нижних частот приведена на
рисунке 5.
Рисунок 5 - Функциональная схема фильтра нижних частот с идеальными ОУ
На рисунке 6 представлен график АЧХ в полосе пропускания при
использовании ОУ типа uA741
(V(Out)) в сравнении с идеальным ОУ (V(Out3_1)).
Рисунок 6 - АЧХ в полосе пропускания при использовании ОУ типа uA741 в сравнении с идеальным ОУ
Он показывает, что в полосе пропускания схемы с реальным ОУ имеются
существенные отклонения от АЧХ схемы с идеальным ОУ, которые приводят к
нарушению условий работоспособности. Было принято решение о выполнении задачи
параметрической оптимизации для звена средней добротности. Оптимизация
выполнялась при помощи модуля PSpice Optimizer программного пакета OrCAD. Для
оптимизации использовались целевые функции, позволяющие рассчитать:
· максимум коэффициента передачи MAX(VdB(Out));
· центральную частоту f0 (CenterFreq(VdB(Out),1));
· полосу пропускания Df (Bandwidth(VdB(Out),3)).
Частные критерии формы АЧХ звена ФНЧ средней добротности с идеальным и
реальным ОУ представлены в таблице 3.
Таблица 3 - Значения частных критериев формы АЧХ
|
Идеальный ОУ
|
Реальный ОУ
|
f0
|
3085,9
|
3066,7
|
Df
|
599,05
|
590,76
|
MAX
|
17,422
|
17,503
|
Затем было составлено задание на оптимизацию. В качестве варьируемых
параметров были выбраны элементы R1, R2, R3, R4, R5, С1, С2, так как частотные
характеристики были наиболее чувствительны к изменениям этих параметров.
Оптимизированная АЧХ (V(Out)) в сравнении с АЧХ идеального ОУ (V(Out3_1)) приведена на рисунке 7, оптимизированные
параметры представлены в таблице 4.
Рисунок 7 - АЧХ в полосе пропускания при использовании ОУ типа uA741 в сравнении с идеальным ОУ
Таблица 4 - Оптимизированные параметры элементов
Элементы
|
Нижний предел
|
Верхний предел
|
Значение до оптимизации
|
Значение после оптимизации
|
R1, кОм
|
0,855
|
3,420
|
1,71
|
1,7138
|
R2, кОм
|
151,114
|
75,557
|
75,5571
|
R3, кОм
|
2,443
|
9,77
|
4,885
|
4,88515
|
R4, кОм
|
1,8
|
7,2
|
3,6
|
3,599
|
R5, кОм
|
0,799
|
3,196
|
1,598
|
1,5986
|
C1, нФ
|
0,47
|
4700
|
47
|
46,616
|
C2, нФ
|
0,068
|
680
|
6,8
|
6,769
|
Далее производится расчет допусков элементов схемы, для этого
используется метод равных влияний, реализованный в программе PANOP. Были выбраны семь значений частот
экстремумов АЧХ в полосе пропускания и граничная частота полосы задерживания.
Учитывая симметричный характер разброса параметров элементов, были
выбраны значения Hmin i
= 2,894 дБ и Hmax i = 3,199 дБ.
Расчет выполнялся для вероятности выполнения условий работоспособности -
100 %. Результаты расчета приведены в таблице 5.
По этим значениям были определены номинальные значения параметров
элементов схемы из рядов Е192, Е48 и Е96, их допусков, обеспечивающие
выполнение условий работоспособности фильтра, а также типы резисторов и
конденсаторов. Оценка их выполнения производилась путем анализа разброса АЧХ
для найденных допусков. Результаты анализа приведены на рисунках 8 и 9.
Оценивая полученное проектное решение в виде функциональной схемы и
найденных значений параметров и типов ее элементов, можно сделать вывод, что
оно удовлетворяет всем требованиям технического задания.
Таблица 5 - Расчетные значения параметров элементов и допусков
Элемент
|
Расчетное значение номинала
|
Расчетное значение допуска,
%
|
Выбранный номинал
|
Выбранное значение допуска,
%
|
Ряд
|
Марка
|
R1
|
1,7138 кОм
|
0,07539
|
1,72 кОм
|
0,1
|
Е192
|
С2-29В
|
R2
|
75,557 кОм
|
2,6
|
75 кОм
|
1
|
Е48
|
MCMF0W4
|
R3
|
4,885 кОм
|
0,3954
|
4,87 кОм
|
0,5
|
Е48
|
MCMF0W4
|
R4
|
3,599 кОм
|
0,1212
|
3,61 кОм
|
0,1
|
Е192
|
С2-29В
|
R5
|
0,1212
|
1,6 кОм
|
0,1
|
Е192
|
С2-29В
|
R6
|
2,082 кОм
|
0,2765
|
2,08 кОм
|
0,25
|
Е192
|
С2-29В
|
R7
|
4,282 кОм
|
0,2165
|
4,27 кОм
|
0,25
|
Е192
|
С2-29В
|
R8
|
1,106 кОм
|
0,4025
|
1,09 кОм
|
0,5
|
Е192
|
С2-29В
|
R9
|
25,97 кОм
|
0,2192
|
25,8 кОм
|
0,25
|
Е192
|
С2-29В
|
C1
|
46,616 нФ
|
0,06267
|
46,4 нФ
|
0,5
|
Е48
|
К71-7
|
C2
|
6,769 нФ
|
0,2463
|
6,73 нФ
|
0,5
|
Е192
|
К31-10
|
C3
|
69,944 нФ
|
0,3824
|
69,8 нФ
|
0,5
|
Е96
|
К71-7
|
C4
|
6,955 нФ
|
0,1786
|
6,98 нФ
|
0,25
|
Е96
|
К31-10
|
C5
|
68 нФ
|
0,4155
|
68,1 нФ
|
0,5
|
Е48
|
К71-7
|
C6
|
6,8 нФ
|
6,81 нФ
|
0,25
|
Е48
|
К31-10
|
Рисунок 8 - Разброс частотных характеристик по методу Монте-Карло
Рисунок 9 - Диаграмма разброса АЧХ для найденных допусков
3.
Конструкторское проектирование
Исходной информацией для конструкторского проектирования является
функциональная электрическая схема. В ходе решения задачи компоновки
выполняется распределение элементов схемы по типовым конструктивам. В курсовом
проекте таковым является печатный узел и компоненты (элементы-конструктивы):
дискретные ЭРЭ и корпуса ИС.
В ходе доработки схемы до уровня принципиальной в нее были включены
конденсаторы C7, С8 типа К50-35 и С9, C10 типа КМ6 для фильтрации помех по
цепям питания, разъемный соединитель X1 типа MPH-8, а также электрические цепи, связывающие их с
остальными элементами схемы. Результат компоновки отражен на сборочном чертеже.
При решении задачи размещения в среде программы OrCAD Layout первоначально были размещены: разъемный соединитель
X1, в непосредственной близости от него конденсаторы С7, С9 и в местах, где
предполагалось провести цепи питания и «земли» С8, С10 затем были размещены все
остальные элементы. Так как конструктив содержит в основном дискретные разно
габаритные компоненты и только три корпуса ИС, то размещение было выполнено в
интерактивном режиме.
Качество размещения оценивалось по критерию достаточности каналов для
трассировки с помощью гистограммы плотности связей (команда View>Density Graph>Fine).
Гистограмма плотности связей между компонентами печатной платы представлена на
рисунке 10.
Рисунок 10 - Гистограмма плотности связей на печатной плате
Трассировку печатного монтажа было решено выполнять в двух слоях с шагом
координатной сетки 2,5 мм. Так как конструктив содержит в основном дискретные
компоненты, был выбран третий класс точности и заданы соответствующие
допустимые значения для ширины трасс печатных проводников (0,25 мм) и зазоров
между ними (не менее 0,25 мм).
Трассировка всех цепей была выполнена в автоматическом режиме
интерактивном режиме.
В ходе контроля конструкторско-технологических DRC ошибок обнаружено не
было. Было принято решение о корректности полученного проектного решения и
переходе к этапу оформления проектно-конструкторской документации.
Список использованных
источников
1. Хлуденёв, А.В. САПР устройств промышленной электроники:
Учебное пособие [текст] / А.В. Хлуденев, В.Д. Шевеленко - Оренбург: ИПК ГОУ
ОГУ, 2001. - 115 с.
. Хлуденёв, А.В. Автоматизированное проектирование
электронных устройств: Методические указания [текст] / А.В. Хлуденев, В.Д.
Шевеленко - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 1999. - 30 с.
Приложение
Схема электрическая принципиальная
Чертёж печатной платы
. Плату изготовить комбинированным методом.
. Шаг координатной сетки 1,25 мм.
. Конфигурацию проводников выдерживать по координатной сетке.
. *Размер для справок.
. Ширина шины питания 0,6 мм. Ширина остальных проводников 0,25 мм.
. Проводники покрыть сплавом «Розе».
Вид А Лист 1
Сборочный чертёж
. Электромонтаж
выполнять согласно ОГУ
210106.65.4013.084 Э3.
. Припой ПОСБ1 ГОСТ 21931-76.
. * Размеры для справок.
. Установку элементов производить по ОСТ4 ГО.010.030-81.
. Позиционные обозначения элементов маркировать краской ЧМ, черный,
ТУ29-02-859-78 вблизи соответствующих элементов. Шрифт 2.5 по НО.010.007.
. Плату после сборки покрыть лаком НЦ- 62, бесцветный, ТУ6-10-1291-77.