Фильтры нижних и верхних частот
Цели После проведения данного эксперимента Вы сможете рассчитывать частоту отсечки резистивно-емкостных фильтров нижних и верхних частот, а также познакомитесь с влиянием изменений частоты на выходное напряжение. Необходимые принадлежности * Цифровой мультиметр * Макетная панель * Генератор функций * Элементы: один дисковый конденсатор 0.01 мкФ, один резистор 15 кОм. ВВОДНАЯ ЧАСТЬ Фильтр - это частотночувствительная схема, выходная амплитуда которой варьирует в зависимости от частоты на входе. Фильтр нижних частот - это такой фильтр, который пропускает частоты меньше некоторой определенной частоты отсечки (fco), но подавляет те частоты, которые больше частоты отсечки. Фильтр верхних частот - это такой фильтр, который пропускает частоты, которые больше некоторой определенной частоты отсечки, но подавляет те частоты, которые меньше частоты отсечки. На рисунке 23-1 представлены выходные характеристики фильтра нижних частот и фильтра верхних частит. Рис. 23-1. Фильтры нижних и верхних частот могут быть реализованы различными способами. Простейший фильтр - это резистор и конденсатор, соединенные между собой, как показано на рисунке 23-2. Рис. 23-2. Характеристики фильтров Ключевой характеристикой фильтра нижних частот или фильтра верхних частот является его частота отсечки (fco). Как Вы можете видеть на основании рисунка 23-1, частота отсечки - это такая частота, где выходное напряжение фильтра падает до 70,7% от его максимально возможного выходного напряжения. В фильтре нижних частот выходное напряжение остается относительно постоянным по мере того, как возрастает входная частота. С приближением к частоте отсечки выходное напряжение начинает уменьшаться. Когда достигается частота отсечки, выходное напряжение понижается до 70,7% от его максимально возможного значения. Выходное напряжение продолжает убывать по мере возрастания частоты. В фильтре верхних частот выходное напряжение имеет максимальное значение, когда входная частота с запасом превышает частоту отсечки. Когда входная частота постепенно уменьшается, выходное напряжение понижается по мере приближения к частоте отсечки. Когда достигается частота отсечки, выходное напряжение понижается до 70,7% рт его максимально возможного-значения. Выходное напряжение продолжает убывать по мере дальнейшего уменьшения входной частоты. В фильтре нижних частот сигналы с частотой ниже fco пропускаются без ослабления или лишь с незначительным ослаблением; сигналы с,частотой выше fco быстро ослабляются. В фильтре верхних частот сигналы с частотой ниже fco значительно подавляются, тогда как сигналы с частотой выше fco, пропускаются с минимальным противодействием. Снова обратитесь к рисунку 23-1. Частота отсечки простого резистивно-емкостного фильтра, подобного показанному-на рисунке 23-2, вычисляется при помощи следующей формулы: fco = 1/2*3.147RC Пример: Если R = 3,3 кОм и С = 0,15 мкф, частота отсечки равна: fco = 1/6,28(3300)(0,15 х 10^-6) fco= 322 Гц Краткое содержание В данном эксперименте Вы познакомитесь с действием резистивно-емкостных фильтров верхних и нижних частот. Поскольку в настоящий момент у Вас нет средств для точного измерения частоты, может быть получено лишь общее представление о работе фильтра. Тем не менее, Вы сможете четко показать, что указанные фильтры действительно пропускают некоторые частоты с минимальным ослаблением, тогда как другие частоты ими сильно подавляются. Рис. 23-3. ПРОЦЕДУРА 1. Вычислите частоту отсечки фильтра нижних частот, показанного на рисунке 23-3. fco______Гц 2. Соберите схему, показанную на рисунке 23-3, при помощи Вашей макетной панели. Подключите резистивно-емкостной фильтр ко входу генератора функций. 3. Установите регулятор частоты генератора функций на частоту 10 Гц. После этого поворачивайте регулятор амплитуды, чтобы подать напряжение с размахом 4 В к схеме. 4. Далее измерьте выходное напряжение фильтра на конденсаторе. -апишите полученное значение. Выходное напряжение фильтра = ___ В 5. Подключите осциллограф к конденсатору фильтра. При наблюдении за выходным напряжением поворачивайте ручку регулятора частоты, чтобы увеличить частоту до 1000 Гц. Увеличивается или уменьшается выходное напряжение? ________ увеличивается _________ уменьшается 6. Основываясь на входном значении в шаге 3, вычислите значение выходного напряжения при частоте отсечки. Напряжение на частоте отсечки = ________ В 7. Подавайте при помощи генератора функций синусоидальный сигнал в схему на каждой из частот, указанных в приведенной ниже таблице Установите размах напряжения на входе схемы равным 4 В. В процессе изменения частот снова проконтролируйте входное напряжение, чтобы убедиться, что оно все еще имеет размах 4 В. Измеряйте выходное напряжение фильтра на каждой частоте и записывайте Ваши результаты в следующую таблицу.
8.. Постройте на основании Ваших данных график частотной характеристики на полулогарифмической бумаге. 9. Теперь соберите схему фильтра верхних частот, показанного на рисунке 23-4. 10.Определите частоту отсечки фильтра верхних частот на рисунке 23-4. fco______Гц 11.Настройте частоту регулятором генератора функций на 10 Гц и величину размаха напряжения на 4 В. Рис. 23-4. 12.Наблюдайте выходное напряжение фильтра на резисторе 1 кОм. Наблюдая за выходным напряжением на экране осциллографа, повышайте частоту на выходе генератора функций вплоть до 10кГц. -аметьте, как изменяется выходное напряжение по мере повышения частоты. Объясните эти изменения. 13.Как изменяется выходное напряжение с повышением частоты? __________ увеличивается __________ уменьшается 14. Подавайте при помощи генератора функций синусоидальный сигнал в схему на каждой из частот, указанных в приведенной ниже таблице. Установите размах напряжения на входе схемы равным 5 В. В процессе изменения частоты при необходимости поддерживайте на входе схемы величину размаха 5 В. Измеряйте выходное напряжение фильтра на резисторе для каждой частоты и записывайте Ваши результаты в таблицу.
15.Постройте на основании Ваших табличных данных график частотной характеристики на полулогарифмической миллиметровой бумаге, как Вы это делали в случае фильтра нижних частот. ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Резистивно-емкостной фильтр нижних частот имеет частоту отсечки 23222 Гц. Сигнал с частотой 5,5 кГц при этом: а) пропускается фильтром, б) подавляется фильтром. 2. Резистивно-емкостной фильтр верхних частот имеет частоту отсечки 15 кГц. Какой сигнал при этом пропускается? а) 6,7 кГц, б) 36 кГц. 3. Сигнал на входе фильтра нижних частот имеет размах 5 В. Тогда выходное напряжение на резонансной частоте будет равняться: а) 3,5 В, б) 4,5 В, в) 5 В, г) 7 В. 4. Фильтр нижних частот имеет компоненты с величинами R = 4,7 кОм и С = 0,1 мкФ. Частота отсечки такого фильтра равна: а) 273 Гц, б) 339 Гц, в) 469 Гц, г) 501 Гц. 5. Внутри мультиметра имеется внутренняя схема, которая заставляет мультиметр действовать как: а) фильтр нижних частот, 6} фильтр верхних частот. |
Железо / Электричество / Проведение экспериментов / Эксперименты с переменным током / Фильтры нижних и верхних частот
