Aktywne filtry

Filtry aktywne, generatory, obrotomierz - edu elektroda.pl #04 bonus. (Lipiec 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Aktywne filtry

Analogowe układy scalone


Pytanie 1

Nie siedź tam! Zbuduj coś !!

Nauka matematycznego analizowania obwodów wymaga dużo nauki i praktyki. Zazwyczaj uczniowie ćwiczą poprzez pracę z wieloma problemami i sprawdzanie swoich odpowiedzi w porównaniu z tymi dostarczonymi przez podręcznik lub instruktora. Chociaż jest to dobre, istnieje o wiele lepszy sposób.

Dowiesz się o wiele więcej, budując i analizując rzeczywiste obwody, pozwalając swojemu sprzętowi testowemu dostarczać "odpowiedzi" zamiast książki lub innej osoby. Aby odnieść sukces w budowaniu obwodów, wykonaj następujące kroki:

  1. Dokładnie zmierz i zapisz wszystkie wartości składników przed budową obwodu.
  2. Narysuj schemat obwodu, który będzie analizowany.
  3. Ostrożnie zbuduj ten obwód na płytce protezowej lub innym dogodnym podłożu.
  4. Sprawdź dokładność konstrukcji obwodu, po każdym przewodzie do każdego punktu połączenia i sprawdzaj te elementy jeden po drugim na schemacie.
  5. Matematycznie przeanalizuj obwód, rozwiązując wszystkie wartości napięcia i prądu.
  6. Dokładnie zmierz wszystkie napięcia i prądy, aby zweryfikować dokładność analizy.
  7. Jeśli wystąpią jakiekolwiek istotne błędy (większe niż kilka procent), dokładnie sprawdź konstrukcję obwodu względem diagramu, a następnie dokładnie oblicz ponownie wartości i ponownie zmierz pomiar.

Unikaj używania modelu 741 op-amp, chyba że chcesz rzucić wyzwanie swoim umiejętnościom projektowania obwodów. Dostępne są bardziej uniwersalne modele wzmacniacza operacyjnego powszechnie dostępne dla początkujących. Polecam LM324 dla DC i obwodów prądu przemiennego niskiej częstotliwości, a TL082 dla projektów AC z dźwiękiem lub wyższymi częstotliwościami.

Jak zwykle należy unikać bardzo wysokich i bardzo niskich wartości rezystora, aby uniknąć błędów pomiarowych spowodowanych przez "ładowanie" miernika. Zalecam wartości rezystorów od 1 kΩ do 100 kΩ.

Jednym ze sposobów zaoszczędzenia czasu i zmniejszenia prawdopodobieństwa błędu jest rozpoczęcie od bardzo prostego obwodu i stopniowe dodawanie składników w celu zwiększenia jego złożoności po każdej analizie, zamiast budowania zupełnie nowego obwodu dla każdego problemu praktycznego. Inną techniką oszczędzającą czas jest ponowne użycie tych samych komponentów w różnych konfiguracjach obwodów. W ten sposób nie będziesz musiał zmierzyć wartości żadnego składnika więcej niż jeden raz.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pozwól, by elektrony same udzieliły odpowiedzi na twoje własne "problemy praktyczne"!

Uwagi:

Z mojego doświadczenia wynika, że ​​studenci potrzebują wielu ćwiczeń z analizą obwodów, aby stać się biegły. W tym celu instruktorzy zwykle zapewniają swoim uczniom wiele problemów związanych z praktyką i udzielają odpowiedzi uczniom, którzy mogą sprawdzić swoją pracę. Takie podejście sprawia, że ​​uczniowie biegle posługują się teorią obwodów, ale nie potrafią ich w pełni wykształcić.

Uczniowie nie potrzebują jedynie praktyki matematycznej. Potrzebują także prawdziwych, praktycznych ćwiczeń w budowaniu obwodów i korzystaniu z urządzeń testowych. Sugeruję następujące alternatywne podejście: uczniowie powinni budować własne "problemy praktyczne" z rzeczywistymi komponentami i próbować matematycznie przewidywać różne wartości napięcia i prądu. W ten sposób teoria matematyczna "ożywa", a uczniowie zyskują praktyczną biegłość, której nie zyskaliby jedynie przez rozwiązywanie równań.

Innym powodem zastosowania tej metody jest nauczenie studentów metody naukowej : proces testowania hipotezy (w tym przypadku matematycznych przewidywań) poprzez przeprowadzenie prawdziwego eksperymentu. Uczniowie będą również rozwijać prawdziwe umiejętności rozwiązywania problemów, ponieważ czasami popełniają błędy konstrukcyjne obwodu.

Spędź kilka chwil ze swoją klasą, aby zapoznać się z niektórymi "zasadami" budowania obwodów przed ich rozpoczęciem. Porozmawiaj o tych problemach ze swoimi uczniami w taki sam sposób, w jaki zwykle omawiasz pytania z arkusza roboczego, zamiast po prostu mówić im, czego powinni i czego nie powinni robić. Nigdy nie przestaje mnie dziwić, jak słabo studenci chwytają instrukcje, gdy są prezentowane w typowym wykładzie (monolog instruktorski)!

Uwaga dla instruktorów, którzy mogą narzekać na "zmarnowany" czas wymagany do tego, aby uczniowie zbudowali rzeczywiste obwody zamiast tylko matematycznej analizy obwodów teoretycznych:

Jaki jest cel studentów, którzy biorą udział w kursie "itemsheetpanel panel-default" itemscope>

pytanie 2

W bardzo prostych, jakościowych kategoriach, współczynnik impedancji kondensatorów i cewek jest "widziany" przez sygnały o niskiej i wysokiej częstotliwości, podobnie:

Kondensator, gdy "pojawia się" na sygnał niskiej częstotliwości: (lub) impedancja?
Kondensator, gdy "pojawia się" na sygnał wysokiej częstotliwości: (lub) impedancja?
Dławik, gdy "pojawia się" na sygnał niskiej częstotliwości: (lub) impedancja?
Cewka, która "pojawia się" na sygnał wysokiej częstotliwości: (lub) impedancja?
Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Kondensator, gdy "pojawia się" na sygnał niskiej częstotliwości: wysoka impedancja.
Kondensator, gdy "pojawia się" na sygnał wysokiej częstotliwości: niska impedancja.
Dławik, gdy "pojawia się" na sygnał niskiej częstotliwości: niska impedancja.
Dławik, gdy "pojawia się" na sygnał wysokiej częstotliwości: wysoka impedancja.

Pytanie dotyczące wyzwania: co "kondensuje" kondensator z sygnałem DC ?

Uwagi:

Zapytaj uczniów, w jaki sposób dotarli do swoich odpowiedzi na te oceny jakościowe. Jeśli odkryli trudności w zrozumieniu zależności między częstotliwością a impedancją dla składników reaktywnych, sugeruję, abyś pracował z równaniami reaktancji jakościowo z nimi. Innymi słowy, oceń każdą z formulacji reaktancji (X L = 2 πf L i X C = (1 / (2 πf C))) w kategoriach f rosnących i malejących, aby zrozumieć, jak każdy z tych składników reaguje na niskie wartości. i sygnały o wysokiej częstotliwości.

pytanie 3

Narysuj wykres Bode dla idealnego obwodu filtru górnoprzepustowego:

Pamiętaj, aby zwrócić uwagę na "częstotliwość odcięcia" na swojej działce.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pytanie uzupełniające: filtr teoretyczny z taką idealizowaną reakcją jest czasami nazywany filtrem "ceglanej ściany". Wyjaśnij, dlaczego ta nazwa jest odpowiednia.

Uwagi:

Oczywiście w polu odpowiedzi podano idealny filtr górnoprzepustowy, w którym wszystkie częstotliwości poniżej wartości granicznej f są blokowane, a wszystkie częstotliwości powyżej wartości odcięcia f są przekazywane. W rzeczywistości obwody filtru nigdy nie osiągają tej idealnej odpowiedzi "kwadratowej krawędzi". Porozmawiaj z uczniami o możliwych zastosowaniach takiego filtra.

Rzuć im wyzwanie, aby narysować wykresy Bode dla idealnych filtrów pasmowych i pasmowo- stopowych. Ćwiczenia takie jak to naprawdę pomagają wyjaśnić cel obwodów filtrujących. W przeciwnym razie istnieje tendencja do utraty perspektywy tego, co mają robić rzeczywiste obwody filtrujące, z ich odpowiednio złożonymi wykresami Bode i analizami matematycznymi.

Pytanie 4

Narysuj wykres Bode dla idealnego obwodu filtra dolnoprzepustowego:

Pamiętaj, aby zwrócić uwagę na "częstotliwość odcięcia" na swojej działce.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pytanie uzupełniające: filtr teoretyczny z taką idealizowaną reakcją jest czasami nazywany filtrem "ceglanej ściany". Wyjaśnij, dlaczego ta nazwa jest odpowiednia.

Uwagi:

Oczywiście w polu odpowiedzi podano idealny filtr dolnoprzepustowy, w którym przechodzą wszystkie częstotliwości poniżej wartości granicznej, a wszystkie częstotliwości powyżej wartości granicznej są zablokowane. W rzeczywistości obwody filtru nigdy nie osiągają tej idealnej odpowiedzi "kwadratowej krawędzi". Porozmawiaj z uczniami o możliwych zastosowaniach takiego filtra.

Rzuć im wyzwanie, aby narysować wykresy Bode dla idealnych filtrów pasmowych i pasmowo- stopowych. Ćwiczenia takie jak to naprawdę pomagają wyjaśnić cel obwodów filtrujących. W przeciwnym razie istnieje tendencja do utraty perspektywy tego, co mają robić rzeczywiste obwody filtrujące, z ich odpowiednio złożonymi wykresami Bode i analizami matematycznymi.

Pytanie 5

Zidentyfikuj rodzaj filtru tego obwodu i obliczyć jego częstotliwość odcięcia przy wartości rezystora 1 kΩ i wartości kondensatora 0, 22 μF:

Oblicz impedancję rezystora i kondensatora na tej częstotliwości. Co można zauważyć na temat tych dwóch wartości impedancji "# 5"> Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

To jest filtr dolnoprzepustowy.

f odcięcie = 723, 4 Hz

Uwagi:

Pamiętaj, aby zapytać uczniów, gdzie znaleźli wzór częstotliwości odcięcia dla tego obwodu filtra.

Kiedy uczniowie obliczają impedancję rezystora i kondensatora na częstotliwości odcięcia, powinni zauważyć coś wyjątkowego. Zapytaj uczniów, dlaczego te wartości są na granicy częstotliwości. Czy to tylko przypadek, czy też mówi nam to więcej o tym, jak zdefiniowano "częstotliwość odcięcia" dla obwodu RC?

Pytanie 6

Filtry rzeczywiste nigdy nie wykazują doskonałych odpowiedzi na wykresy Bode o kwadratowych krawędziach. Typowy dolnoprzepustowy obwód filtra może mieć na przykład charakterystykę częstotliwościową, która wygląda następująco:

Co oznacza termin rolloff, w kontekście obwodów filtrujących i wykresów Bode "# 6"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

"Rolloff" odnosi się do nachylenia wykresu Bode w zakresie tłumienia w obwodzie filtra, zwykle wyrażonym w jednostkach decybeli na oktawę (dB / oktawę) lub decybelach na dekadę (dB / dekada):

Uwagi:

Zwróć uwagę uczniów na skalę zastosowaną na tej konkretnej działce Bode'a. Nazywa się to skalą log-log, gdzie ani oś pionowa, ani pozioma nie są liniowo zaznaczone. To skalowanie umożliwia pokazanie bardzo szerokiego zakresu warunków na stosunkowo małym wykresie i jest bardzo powszechne w analizie obwodu filtra.

Pytanie 7

Zidentyfikować, jaki czynnik (-y) określają częstotliwość graniczną tego pasywnego filtru:

Podaj dokładne równanie przewidujące częstotliwość odcięcia obwodu filtru, a także określ, jakiego typu jest to filtr.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Jest to obwód filtra górnoprzepustowego o częstotliwości odcięcia:

f -3 dB = 1


2 πR C

Uwagi:

Nic nadzwyczajnego tutaj, tylko przegląd pasywnego filtra RC.

Pytanie 8

W tym pasywnym układzie filtrującym, w jaki sposób na częstotliwość odcięcia filtra wpłyną zmiany oporności obciążenia "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/00701x01.png">

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

f wartość graniczna wzrośnie wraz ze spadkiem rezystancji obciążenia.

Uwagi:

Poproś uczniów, aby zdefiniowali "częstotliwość odcięcia". Istnieje więcej niż jedna definicja: jedna opiera się na napięciu wyjściowym, a druga na mocy wyjściowej. Po określeniu mocy, częstotliwość odcięcia jest czasami opisywana jako f- 3 dB .

Pytanie 9

W tym aktywnym obwodzie filtra, w jaki sposób na częstotliwość odcięcia filtra wpłyną zmiany rezystancji obciążenia? Bądź tak konkretny, jak tylko możesz w swojej odpowiedzi.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Na odcięcie nie ma wpływu zmiana oporu obciążenia.

Pytanie uzupełniające: wyjaśnienie roli opamp w zapewnieniu odporności na obwód filtru od zmian rezystancji obciążenia. W jaki sposób realizuje się to zadanie "notatki ukryte"> Uwagi:

Zapytaj uczniów, jaka jest funkcja opampu, podjęta samodzielnie. Co nazywamy opamp, który ma swoje wyjście bezpośrednio połączone z wejściem odwracającym? W jaki sposób ta funkcja i nazwa odnoszą się do przyznania odporności na impedancje obciążenia w obwodzie filtra przedstawionym w pytaniu?

Pytanie 10

W tym obwodzie filtrującym, w jaki sposób na częstotliwość odcięcia filtra wpłyną zmiany położenia potencjometru? Bądź tak konkretny, jak tylko możesz w swojej odpowiedzi.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Jest to pytanie "podstępne": na odcięcie f nie wpływają zmiany pozycji potencjometru.

Pytanie uzupełniające: co się zmienia, ponieważ wycieraczka potencjometru przesuwa się w przód iw tył wzdłuż zakresu regulacji "uwagi ukryte"> Uwagi:

Zapytaj swoich uczniów, jaką funkcję pełni wzmacniacz operacyjny (ze sprzężeniem zwrotnym potencjometru), wykonaną samodzielnie. Jeśli w ogóle nie było obwodu filtrującego, ale V był podłączony bezpośrednio do nieodwracającego wejścia wzmacniacza operacyjnego, jaką funkcję miałaby regulacja potencjometru?

Pytanie 11

Określ typ (LP, HP, BP, BS) i częstotliwość odcięcia aktywnego obwodu filtra:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Jest to obwód filtra dolnoprzepustowego.

f -3dB = 7, 95 kHz

Pytanie uzupełniające: wyjaśnij, jaki jest cel rezystora sprzężenia zwrotnego o wartości 9.1 kΩ, ponieważ wszystko, czego używamy, to bufor napięciowy (i teoretycznie nie wymaga rezystancji w pętli sprzężenia zwrotnego). Ponadto wyjaśnij, w jaki sposób twierdzenie o superpozycji jest używane do określenia optymalnej wartości tej rezystancji sprzężenia zwrotnego.

Uwagi:

Poproś uczniów, aby wyjaśnili, w jaki sposób dotarli do swoich odpowiedzi: jakie formuły wykorzystali i jak ustalili typ obwodu filtra, który jest "panelem panelu roboczego - domyślnie".

Pytanie 12

Określ typ (LP, HP, BP, BS) i częstotliwość odcięcia aktywnego obwodu filtra:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Jest to obwód filtra górnoprzepustowego.

f -3dB = 482, 3 Hz

Pytanie uzupełniające: sieć rezystorów sprzężenia zwrotnego składająca się z rezystorów 52 kΩ i 91 kΩ zapewnia nie tylko zysk 1, 75 (4, 86 dB), ale te wartości zostały również celowo wybrane, aby skompensować wpływ prądu polaryzacji prądu stałego przez wejście opampowe terminale. Zauważysz, że równoległe połączenie 52 kΩ i 91 kΩ jest w przybliżeniu równe 33 kΩ. Wyjaśnij, dlaczego jest to istotne w odniesieniu do twierdzenia o superpozycji.

Uwagi:

Poproś uczniów, aby wyjaśnili, w jaki sposób dotarli do swoich odpowiedzi: jakie formuły wykorzystali i jak ustalili typ obwodu filtra, który jest "panelem panelu roboczego - domyślnie".

Pytanie 13

Porównaj wzmocnienia napięciowe tych dwóch obwodów opamp:

Który z nich ma większy A V i dlaczego "# 13"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

Ten obwód uzbrojenia ma większe wzmocnienie napięciowe, ponieważ jego stosunek ((Z sprzężenia zwrotnego ) / ( wejście Z)) jest większy.

Uwagi:

Powszechnie uważa się, że impedancje są reprezentowane jako ramki, jeśli ich elementy składowe nie są istotne dla działania obwodu.

Pytanie 14

Opisz, co stanie się z impedancją zarówno kondensatora, jak i rezystora, gdy częstotliwość sygnału wejściowego wzrośnie:

Opisz również, jaki wpływ na impedancję obwodu wzmacniacza operacyjnego będzie miała zmiana impedancji. Jeżeli amplituda sygnału wejściowego pozostaje stała w miarę wzrostu częstotliwości, co stanie się z amplitudą napięcia wyjściowego "# 14"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

Wraz ze wzrostem częstotliwości V, Z C maleje, a ZR pozostaje niezmieniony. Spowoduje to zwiększenie A V dla obwodu wzmacniacza.

Pytanie uzupełniające: zwykle obliczamy częstotliwość odcięcia prostego obwodu filtra RC, określając częstotliwość, przy której R = X C. Tutaj sytuacja wygląda trochę inaczej. Określ wzmocnienie napięciowe (A V ), gdy R = X C, a także określ przesunięcie fazowe z wejścia na wyjście.

Pytanie zadawania nr 1: wyjaśnij, dlaczego przesunięcie fazowe z wejścia na wyjście dla tego obwodu jest zawsze stałe, niezależnie od częstotliwości sygnału.

Pytanie nr 2: wyjaśnij, dlaczego ten typ obwodu jest zwykle wyposażony w rezystor o niskiej wartości (R 1 ) połączony szeregowo z kondensatorem wejściowym:

Uwagi:

Odpowiedź, którą podałem, jest poprawna technicznie, ale istnieje praktyczny limit tutaj. Jak wiemy, wewnętrzne wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego nie pozostaje stałe w miarę wzrostu częstotliwości sygnału. Poproś uczniów, aby opisali wpływ tego zjawiska na wydajność układu na bardzo wysokich częstotliwościach.

Z drugiej strony ten sam obwód wzmacniacza operacyjnego jest znany pod konkretną nazwą, gdy jest używany z sygnałami wejściowymi DC. Zapytaj uczniów, jak nazywa się ten układ obwodu.

Pytanie 15

Opisz, co stanie się z impedancją zarówno kondensatora, jak i rezystora, gdy częstotliwość sygnału wejściowego wzrośnie:

Opisz również, jaki wpływ na impedancję obwodu wzmacniacza operacyjnego będzie miała zmiana impedancji. Jeśli amplituda sygnału wejściowego pozostaje stała w miarę wzrostu częstotliwości, co stanie się z amplitudą napięcia wyjściowego "# 15"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

Wraz ze wzrostem częstotliwości V, Z C maleje, a ZR pozostaje niezmieniony. Spowoduje to zmniejszenie A V dla obwodu wzmacniacza.

Pytanie dotyczące wyzwania: wyjaśnij, dlaczego ten typ obwodu jest zwykle wyposażony w rezystor o dużej wartości (R 2 ) równolegle z kondensatorem sprzężenia zwrotnego:

Uwagi:

Ten sam obwód wzmacniacza operacyjnego jest znany pod konkretną nazwą, gdy jest używany z sygnałami wejściowymi DC. Zapytaj uczniów, jak nazywa się ten układ obwodu. Podczas odbierania sygnału wejściowego DC, jaką funkcję obsługuje "panel ekranu roboczego - domyślnie" panel kontrolny>

Pytanie 16

Przybliż wzrost napięcia tego aktywnego obwodu filtra przy f = 0 i f = ∞ (zakładaj idealne zachowanie wzmacniacza operacyjnego):

Przybliż wzrost napięcia tego innego obwodu "aktywnego filtra" przy f = 0 i f = ∞ (zakładaj idealne zachowanie wzmacniacza operacyjnego):

Jaki rodzaj funkcji filtrowania (dolnoprzepustowy, górnoprzepustowy, pasmowy, zatrzymania pasmowego) zapewnia oba te obwody filtrujące "# 16"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

Są to oba filtry dolnoprzepustowe. Układ z kondensatorem bocznikowym jest bardziej praktyczny, ponieważ jego wzmocnienie napięciowe pozostaje skończone dla wszystkich możliwych częstotliwości sygnału wejściowego:

Uwagi:

Porozmawiaj ze swoimi studentami o metodach określania typu filtra. W jaki sposób podchodzili do tego problemu, aby zobaczyć, jaki typ filtra obie te obwody były "panelem roboczym panelu panel-domyślny" itemscope>

Pytanie 17

Przybliż wzrost napięcia tego aktywnego obwodu filtra przy f = 0 i f = ∞ (zakładaj idealne zachowanie wzmacniacza operacyjnego):

Przybliż wzrost napięcia tego innego obwodu "aktywnego filtra" przy f = 0 i f = ∞ (zakładaj idealne zachowanie wzmacniacza operacyjnego):

Jaki rodzaj funkcji filtrowania (dolnoprzepustowy, górnoprzepustowy, pasmowy, zatrzymania pasmowego) zapewnia oba obwody filtrujące "# 17"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

Są to oba filtry górnoprzepustowe. Układ z kondensatorem szeregowym jest bardziej praktyczny, ponieważ jego wzmocnienie napięciowe pozostaje skończone dla wszystkich możliwych częstotliwości sygnału wejściowego:

Uwagi:

Porozmawiaj ze swoimi studentami o metodach określania typu filtra. W jaki sposób podchodzili do tego problemu, aby zobaczyć, jaki typ filtra obie te obwody były "panelem roboczym panelu panel-domyślny" itemscope>

Pytanie 18

Zidentyfikuj funkcję tego aktywnego filtra:

Jest to dolnoprzepustowy, górnoprzepustowy, pasmowy lub stop "# 18"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

Jest to obwód filtra pasmowo-przepustowego.

Uwagi:

Porozmawiaj ze swoimi studentami o metodach określania typu filtra. W jaki sposób podchodzili do tego problemu, aby zobaczyć, jaki rodzaj filtra był tym obwodem? Ustalenie identyfikacji filtra "pasmowego" jest trudniejsze niż w przypadku obwodu filtru niskiego lub górnoprzepustowego, ponieważ zachowanie to jest w przybliżeniu takie samo na obu skrajach zakresu częstotliwości.

Pytanie 19

Zidentyfikuj funkcję tego aktywnego filtra:

Jest to dolnoprzepustowy, górnoprzepustowy, pasmowy lub stop "# 19"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

To jest obwód filtra zatrzymania zespołu.

Pytanie dotyczące wyzwania: jak duże napięcie ma ten wzmacniacz w rezonansie? Ile ma to wzmocnienie napięciowe przy f = 0 i f = ∞, jeśli dwie wartości rezystorów są równe?

Uwagi:

Jeśli niektórzy uczniowie mają trudności z analizą funkcji tego obwodu, poproś ich, aby zidentyfikowali całkowitą impedancję połączonego szeregowo induktora i kondensatora przy rezonansie, następnie przenieś tę ilość impedancji do obwodu, aby zobaczyć, jakie będą efekty przy częstotliwości rezonansowej .

Pytanie 20

Bardzo popularna topologia aktywnego filtra nazywana jest Sallen-Key . Dwa przykłady aktywnych filtrów Sallen-Key pokazano tutaj:

Określ, który z tych filtrów Sallen-Key jest dolnoprzepustowy, a który jest wysoki. Wyjaśnij swoje odpowiedzi.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pierwszy pokazany filtr to dolnoprzepustowy, a drugi pokazany filtr to górnoprzepustowy.

Pytanie dotyczące wyzwania: jaki jest cel rezystora R 3 w każdym obwodzie "uwagi ukryte"> Uwagi:

Słowo "topologia" może być obce twoim uczniom. Jeśli któryś z nich zapyta Cię, co to znaczy, zapytaj go, czy jest właścicielem słownika!

Podobnie jak w przypadku wszystkich innych aktywnych układów filtrów, podstawową charakterystykę każdego filtra można określić za pomocą analizy jakościowej przy f = 0 i f = ∞. Jest to forma eksperymentu myślowego : określenie charakterystyki obwodu poprzez wyobrażenie sobie efektów pewnych danych warunków, po analizie opartej na "pierwszych zasadach" obwodów, zamiast na badaniu tego, co jest zamierzoną funkcją obwodu.

Rezystor R 3 właściwie nie jest niezbędny do działania obwodu, ale normalnie znajduje się w filtrach Sallen-Key. Jeśli ułatwi to analizę obwodu, powiedz uczniom, że mogą zastąpić ten rezystor prostym drutem na schematach.

Pytanie 21

W literaturze dotyczącej aktywnego i pasywnego projektowania filtrów często natrafia się na obwody filtrów sklasyfikowane jako jedna z trzech różnych nazw:

Czebyszewa
Butterworth
Bessel

Opisz, co oznacza każde z tych nazw. Co dokładnie odróżnia obwód filtrujący "Czebyszewa" od obwodu filtru "Butterwortha"?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Każde z tych określeń opisuje klasę odpowiedzi filtra, a nie konkretną konfigurację obwodu (topologię). Kształt wykresu Bode dla obwodu filtrującego decyduje o tym, czy będzie to filtr "Czebyszewa", "Butterwortha", czy "Bessela".

Uwagi:

Celowo pominąłem przykłady wykresów Bode dla tych trzech klasyfikacji filtrów. Prezentacja i badanie działek Bode jest odpowiednim działaniem na czas dyskusji. Narysuj zestaw osi wykresu Bode na tablicy, a następnie poproś uczniów, aby narysowali przybliżone wykresy Bode dla każdej odpowiedzi filtra, ustalonej na podstawie ich badań.

Pytanie 22

Wybierz odpowiednie wartości dla tego filtra górnoprzepustowego Sallen-Key, aby uzyskać częstotliwość odcięcia 7 kHz z odpowiedzią "Butterworth":

f -3dB = √2


2 πR C

Dobrą wskazówką jest upewnienie się, że żadna impedancja komponentu (ZR lub ZC) przy częstotliwości odcięcia nie jest mniejsza niż 1 kΩ lub większa niż 100 kΩ.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pamiętaj, że jest to tylko jeden z możliwych zestaw wartości komponentów:

C = 3, 3 nF
R = 9, 744 kΩ
R / 2 = 4, 872 kΩ

Pytanie uzupełniające: w jaki sposób można uzyskać dokładne wartości rezystancji niezbędne do zbudowania tego obwodu "uwagi ukryte"> Uwagi:

Aby uczniowie rozwiązali R, muszą algebraicznie manipulować formułą częstotliwości odcięcia. Zapytaj ich, dlaczego moglibyśmy wybrać standardową wartość pojemności, a następnie obliczyć niestandardową wartość rezystancji. Dlaczego nie na odwrót (najpierw wybierz R, następnie obliczyć C)?

Pytanie 23

Wybierz odpowiednie wartości dla tego filtra dolnoprzepustowego Sallen-Key, aby uzyskać częstotliwość odcięcia 4, 2 kHz z odpowiedzią "Butterworth":

f -3dB = 1


2 √ 2 πR C

Dobrą wskazówką jest upewnienie się, że żadna impedancja komponentu (ZR lub ZC) przy częstotliwości odcięcia nie jest mniejsza niż 1 kΩ lub większa niż 100 kΩ.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pamiętaj, że jest to tylko jeden z możliwych zestaw wartości komponentów:

C = 0, 0047 μF
2C = 0, 0094 μF
R = 5, 701 kΩ
2R = 11, 402 kΩ

Pytanie uzupełniające: podczas gdy 0, 0047 μF jest typowym rozmiarem kondensatora, 0, 0094 μF nie jest. Wyjaśnij, w jaki sposób można uzyskać tę dokładną wartość pojemności potrzebnej do zbudowania tego obwodu.

Uwagi:

Aby uczniowie rozwiązali R, muszą algebraicznie manipulować formułą częstotliwości odcięcia. Zapytaj ich, dlaczego moglibyśmy wybrać standardową wartość pojemności, a następnie obliczyć niestandardową wartość rezystancji. Dlaczego nie na odwrót (najpierw wybierz R, następnie obliczyć C) "panel panelu roboczego - domyślnie" itemscope>

Pytanie 24

Popularna pasywna sieć filtrowania zwana twin-tee jest często sprzężona ze wzmacniaczem operacyjnym w celu wytworzenia aktywnego obwodu filtra. Oto dwa przykłady:

Określ, który z tych obwodów jest pasmem, a który jest ogranicznikiem. Należy również określić typ odpowiedzi zwykle dostarczanej przez samą sieć twin-tee i sposób, w jaki ta odpowiedź jest wykorzystywana do tworzenia dwóch różnych typów aktywnych odpowiedzi filtru.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pierwszy pokazany filtr to ogranicznik pasma, a drugi pokazany filtr to pasmo.

Uwagi:

Podobnie jak w przypadku wszystkich innych aktywnych układów filtrów, podstawową charakterystykę każdego filtra można określić za pomocą analizy jakościowej przy f = 0 i f = ∞.

Interesującą koncepcją w tej pracy jest odwrócenie funkcji poprzez umieszczenie w pętli sprzężenia zwrotnego obwodu opamp negatywnego sprzężenia zwrotnego. Co to jest filtr zatrzymania pasma, sam w sobie zmusza opamp do przepuszczenia pasma, jeśli jest umieszczony w ścieżce sygnału ujemnego sprzężenia zwrotnego. Przedyskutuj tę bardzo ważną koncepcję ze swoimi uczniami, ponieważ zdecydowanie nie jest to jedyna aplikacja do tego!

Pytanie 25

Śpiewacy, którzy chcą ćwiczyć śpiewanie muzyki popularnej, uważają, że następujący układ eliminacji wokalu jest przydatny:

Obwód działa na zasadzie, że ścieżki wokalne są zwykle nagrywane przez pojedynczy mikrofon w studio nagrań, a zatem są one jednakowo reprezentowane na każdym kanale stereofonicznego systemu dźwiękowego. Obwód ten skutecznie eliminuje ścieżkę wokalną z utworu, pozostawiając jedynie muzykę, którą można usłyszeć przez słuchawki lub głośnik.

Wzmacniacze operacyjne U 1 i U 2 zapewniają buforowanie wejścia, dzięki czemu inne obwody uzwojeń nie obciążają nadmiernie sygnałów wejściowych lewego i prawego kanału. Opamp U 3 wykonuje funkcję odejmowania niezbędną do wyeliminowania ścieżki wokalnej.

Można by pomyśleć, że te trzy opampy wystarczą, by stworzyć obwód eliminatora wokalu, ale jest jeszcze jedna niezbędna funkcja. Nie tylko ścieżka wokalna jest wspólna dla lewego i prawego kanału, ale także większość tonów niskich (niskich częstotliwości). W ten sposób pierwsze trzy opampy (U 1, U 2 i U 3 ) eliminują zarówno sygnały wokalne, jak i niskie, dochodząc do wyjścia, czego nie chcemy.

Wyjaśnij, w jaki sposób pozostałe trzy opampy (U 4, U 5 i U 6 ) pracują nad przywróceniem tonów niskich na wyjściu, aby nie zostały utracone wraz ze ścieżką wokalną.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pozwolę ci samodzielnie obliczyć funkcję opamps U 4, U 5 i U 6 !

Uwagi:

Obwód ten nie tylko ilustruje zgrabną aplikację opampów, ale także prezentuje modularną konstrukcję obwodów operacyjnych, w której każdy opamp (i wspierające go komponenty pasywne) wykonuje dokładnie jedno zadanie.

Pytanie 26

Przewiduj, w jaki sposób działanie tego aktywnego obwodu filtra będzie miało wpływ na następujące błędy. Rozważ każdą awarię niezależnie (tj. Pojedynczo, bez wielu błędów):

Rezystor R1 nie działa poprawnie:
Kondensator C 1 nie działa poprawnie:
Mostek lutowniczy (krótki) na rezystorze R 1 :
Mostek lutowniczy (krótki) na kondensatorze C 1 :
Rezystor R2 nie działa poprawnie:
Rezystor R 3 nie działa poprawnie:

W przypadku każdego z tych warunków należy wyjaśnić, dlaczego wystąpią takie skutki.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Rezystor R 1 nie działa poprawnie: obwód filtra przestaje filtrować, przechodzi wszystkie częstotliwości.
Kondensator C 1 nie działa otwarty: Brak sygnału wyjściowego z obwodu.
Mostek lutowniczy (krótki) na rezystorze R 1 : Brak sygnału wyjściowego z obwodu.
Mostek lutowniczy (krótki) na kondensatorze C 1 : Obwód filtra przestaje filtrować, przechodzi wszystkie częstotliwości.
Rezystancja R 2 nie działa w trybie otwartym: Wzmocnienie obwodu maleje do wartości 1 (0 dB).
Rezystor R3 nie działa: obwód filtru wyprowadza falę prostokątną na wszystkich częstotliwościach.

Uwagi:

Celem tego pytania jest podejść do dziedziny rozwiązywania problemów z obwodami z perspektywy wiedzy o tym, czym jest usterka, a nie tylko wiedzieć, jakie są objawy. Chociaż nie jest to koniecznie realistyczna perspektywa, pomaga uczniom zbudować podstawową wiedzę niezbędną do zdiagnozowania błędnego obwodu z danych empirycznych. Na takie pytania należy odpowiedzieć (ewentualnie) innymi pytaniami, w których prosi się uczniów o zidentyfikowanie prawdopodobnych usterek na podstawie pomiarów.

Pytanie 27

Przewiduj, w jaki sposób działanie tego aktywnego obwodu filtra będzie miało wpływ na następujące błędy. Rozważ każdą awarię niezależnie (tj. Pojedynczo, bez wielu błędów):

Rezystor R1 nie działa poprawnie:
Kondensator C 1 nie działa poprawnie:
Mostek lutowniczy (krótki) na rezystorze R 1 :
Mostek lutowniczy (krótki) na kondensatorze C 1 :
Rezystor R2 nie działa poprawnie:
Rezystor R 3 nie działa poprawnie:

W przypadku każdego z tych warunków należy wyjaśnić, dlaczego wystąpią takie skutki.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Rezystor R 1 nie działa, otwarty: Brak sygnału wyjściowego z obwodu.
Kondensator C 1 nie działa poprawnie: obwód filtra przestaje filtrować, przechodzi wszystkie częstotliwości.
Mostek lutowniczy (krótki) na rezystorze R 1 : Obwód filtra przestaje filtrować, przechodzi wszystkie częstotliwości.
Mostek lutowniczy (krótki) na kondensatorze C 1 : Brak sygnału wyjściowego z obwodu.
Rezystancja R 2 nie działa w trybie otwartym: Wzmocnienie obwodu maleje do wartości 1 (0 dB).
Rezystor R3 nie działa: obwód filtru wyprowadza falę prostokątną na wszystkich częstotliwościach.

Uwagi:

Celem tego pytania jest podejść do dziedziny rozwiązywania problemów z obwodami z perspektywy wiedzy o tym, czym jest usterka, a nie tylko wiedzieć, jakie są objawy. Chociaż nie jest to koniecznie realistyczna perspektywa, pomaga uczniom zbudować podstawową wiedzę niezbędną do zdiagnozowania błędnego obwodu z danych empirycznych. Na takie pytania należy odpowiedzieć (ewentualnie) innymi pytaniami, w których prosi się uczniów o zidentyfikowanie prawdopodobnych usterek na podstawie pomiarów.

Pytanie 28

Przewidzieć, w jaki sposób działanie tego aktywnego obwodu różnicowego zostanie zakłócone w wyniku następujących błędów. Rozważ każdą awarię niezależnie (tj. Pojedynczo, bez wielu błędów):

Rezystor R1 nie działa poprawnie:
Kondensator C 1 nie działa poprawnie:
Mostek lutowniczy (krótki) na rezystorze R 1 :
Mostek lutowniczy (krótki) na kondensatorze C 1 :

W przypadku każdego z tych warunków należy wyjaśnić, dlaczego wystąpią takie skutki.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Rezystor R 1 nie działa otwarty: sygnał wyjściowy jest zawsze falą prostokątną.
Kondensator C 1 nie działa otwarty: Brak sygnału wyjściowego.
Mostek lutowniczy (krótki) na rezystorze R 1 : Brak sygnału wyjściowego.
Mostek lutowniczy (krótki) na kondensatorze C 1 : Sygnał wyjściowy jest zawsze falą prostokątną.

Uwagi:

Celem tego pytania jest podejść do dziedziny rozwiązywania problemów z obwodami z perspektywy wiedzy o tym, czym jest usterka, a nie tylko wiedzieć, jakie są objawy. Chociaż nie jest to koniecznie realistyczna perspektywa, pomaga uczniom zbudować podstawową wiedzę niezbędną do zdiagnozowania błędnego obwodu z danych empirycznych. Na takie pytania należy odpowiedzieć (ewentualnie) innymi pytaniami, w których prosi się uczniów o zidentyfikowanie prawdopodobnych usterek na podstawie pomiarów.

Pytanie 29

Przewiduj, w jaki sposób działanie tego aktywnego obwodu filtra będzie miało wpływ na następujące błędy. Rozważ każdą awarię niezależnie (tj. Pojedynczo, bez wielu błędów):

Rezystor R1 nie działa poprawnie:
Rezystor R2 nie działa poprawnie:
Kondensator C 1 nie działa poprawnie:
Mostek lutowniczy (krótki) na rezystorze R 1 :
Mostek lutowniczy (krótki) na rezystorze R 2 :
Mostek lutowniczy (krótki) na kondensatorze C 1 :

W przypadku każdego z tych warunków należy wyjaśnić, dlaczego wystąpią takie skutki.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Rezystor R1 nie działa: brak sygnału wyjściowego.
Rezystor R2 nie działa w stanie otwartym: Wyjście nasyca się (dodatnie lub ujemne), gdy do obwodu jest podawane napięcie stałe.
Kondensator C 1 nie działa poprawnie: brak działania filtrującego, działa jedynie jako wzmacniacz o stałym wzmocnieniu.
Mostek lutowniczy (krótki) na rezystorze R 1 : Sygnał wyjściowy jest zawsze falą prostokątną.
Mostek lutowniczy (krótki) na rezystorze R 2 : Brak sygnału wyjściowego.
Mostek lutowniczy (krótki) na kondensatorze C 1 : Brak sygnału wyjściowego.

Uwagi:

Celem tego pytania jest podejść do dziedziny rozwiązywania problemów z obwodami z perspektywy wiedzy o tym, czym jest usterka, a nie tylko wiedzieć, jakie są objawy. Chociaż nie jest to koniecznie realistyczna perspektywa, pomaga uczniom zbudować podstawową wiedzę niezbędną do zdiagnozowania błędnego obwodu z danych empirycznych. Na takie pytania należy odpowiedzieć (ewentualnie) innymi pytaniami, w których prosi się uczniów o zidentyfikowanie prawdopodobnych usterek na podstawie pomiarów.

Pytanie 30

Przewiduj, w jaki sposób działanie tego aktywnego obwodu filtra będzie miało wpływ na następujące błędy. Rozważ każdą awarię niezależnie (tj. Pojedynczo, bez wielu błędów):

Rezystor R1 nie działa poprawnie:
Rezystor R2 nie działa poprawnie:
Kondensator C 1 nie działa poprawnie:
Mostek lutowniczy (krótki) na rezystorze R 1 :
Mostek lutowniczy (krótki) na rezystorze R 2 :
Mostek lutowniczy (krótki) na kondensatorze C 1 :

W przypadku każdego z tych warunków należy wyjaśnić, dlaczego wystąpią takie skutki.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Rezystor R1 nie działa: brak sygnału wyjściowego.
Rezystor R2 nie działa poprawnie: sygnał wyjściowy jest zawsze falą prostokątną.
Kondensator C 1 nie działa otwarty: Brak sygnału wyjściowego.
Mostek lutowniczy (krótki) na rezystorze R 1 : Sygnał wyjściowy jest prostokątną falą o wysokich częstotliwościach (zbyt duże wzmocnienie wysokiej częstotliwości).
Mostek lutowniczy (krótki) na rezystorze R 2 : Brak sygnału wyjściowego.
Mostek lutowniczy (krótki) na kondensatorze C 1 : Brak działania filtrującego, działa jedynie jako wzmacniacz o stałym wzmocnieniu.

Uwagi:

Celem tego pytania jest podejść do dziedziny rozwiązywania problemów z obwodami z perspektywy wiedzy o tym, czym jest usterka, a nie tylko wiedzieć, jakie są objawy. Chociaż nie jest to koniecznie realistyczna perspektywa, pomaga uczniom zbudować podstawową wiedzę niezbędną do zdiagnozowania błędnego obwodu z danych empirycznych. Na takie pytania należy odpowiedzieć (ewentualnie) innymi pytaniami, w których prosi się uczniów o zidentyfikowanie prawdopodobnych usterek na podstawie pomiarów.

Pytanie 31

Ten układ eliminacji wokalu działał dobrze, ale pewnego dnia stracił dużo swojego basu. Nadal pracował nad wyeliminowaniem ścieżki wokalnej, ale zamiast słyszeć pełny zakres tonów muzycznych, odtwarzał tylko wysokie częstotliwości, podczas gdy dźwięki o niskiej częstotliwości były tracone:

Zidentyfikuj następujące możliwości uszkodzenia:

Jedna awaria rezystora (otwarta lub zwarta), która mogła spowodować to:

Jedna awaria kondensatora (otwarta lub zwarta), która mogła spowodować to:

Jedna awaria opamp, która może spowodować, że tak się stanie:

Dla każdego z proponowanych błędów wyjaśnij, dlaczego ton basów zostanie utracony.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Należy pamiętać, że poniższa lista nie jest wyczerpująca. Oznacza to, że inne usterki komponentu mogą być możliwe!

Jedna awaria rezystora (otwarta lub zwarta), która mogła spowodować to: R 8 nie powiodło się.

Jedna awaria kondensatora (otwarta lub zwarta), która mogła spowodować to: C 2 nie powiodło się.

Jedna awaria opamp, która mogła spowodować to: U 4 nie powiodło się.

Uwagi:

Poproś uczniów, aby wyjaśnili, w jaki sposób zidentyfikowali proponowane błędy, a także, w jaki sposób byli w stanie zidentyfikować komponent, który wciąż musi działać prawidłowo.

Pytanie 32

Ten układ eliminacji wokalu działał dobrze, ale pewnego dnia przestał eliminować wokal. Brzmienie muzyki brzmiało trochę ciężko na basie, a ścieżka wokalna była tam, gdzie jej nie powinno być:

Zidentyfikuj następujące możliwości uszkodzenia:

Jedna awaria rezystora (otwarta lub zwarta), która mogła spowodować to:

Jedna awaria opamp, która może spowodować, że tak się stanie:

Dla każdego z proponowanych błędów wyjaśnij, dlaczego ton basów zostanie utracony.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Należy pamiętać, że poniższa lista nie jest wyczerpująca. Oznacza to, że inne usterki komponentu mogą być możliwe!

Jedna awaria rezystora (otwarta lub zwarta), która mogła spowodować to: R 2 nie powiodło się.

Jedna awaria opamp, która mogła spowodować to: U 2 nie powiodło się.

Uwagi:

Poproś uczniów, aby wyjaśnili, w jaki sposób zidentyfikowali proponowane błędy, a także, w jaki sposób byli w stanie zidentyfikować komponent, który wciąż musi działać prawidłowo.

  • ← Poprzedni arkusz roboczy

  • Indeks arkusza roboczego

  • Następny arkusz roboczy →