УДК 621.372.542.2

Исследование влияния параметров элементов на стабильность ARC-фильтра

Авторы: Колесник А. В., Власенко А. Ю.
Источник: Современные проблемы и пути усовершенствования системы подготовки специалистов МЧС ДНР / Материалы II международной научно-практической конференции Инновационные перспективы Донбасса. — Донецк, ДонНТУ, 2016, Том 8, с. 44–48. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://ipd.donntu.ru/dl/IPD2016/s8.pdf

В результате стихийных бедствий местные и региональные коммуникационные сети могут быть повреждены, что приводит к потере связи. Радиосвязь в этом случае остается единственным источником информации и средством связи при координации действий различных организаций и служб подразделений МЧС [1].

Фильтры являются одними из самых распространенных и значимых узлов РЭА. Они позволяют: выделить необходимую пользователю информацию из зашумленного сигнала; отфильтровать и подавить ненужные и паразитные частоты и полосы частот; улучшить соотношение сигнал/шум; повысить качество сигнала [2].

При нестабильности параметров фильтра с элементами R и C существенно изменяются его частотные характеристики, в связи с чем одной из наиболее важных проблем проектирования активных RC-фильтров является обеспечение малой чувствительности передаточной функции к изменениям параметров.

Объектом исследования является ARC-фильтр, схема приведена на рис. 1. Параметры: частота среза f₀=12 кГц; допустимое подавление в полосе пропускания А_п=3 дБ; минимальное подавление на частоте 10f₀ А_з=20 дБ; единичный коэффициент усиления.

Рисунок 1 — Схема фильтра с подключенными приборами

Коэффициент нелинейных искажений, а также АЧХ и ФЧХ исследуемого ФНЧ приведены на рис. 2.

Рисунок 2 — Результаты моделирования

На рис. 3 представлены осциллограммы входного сигнала — канал А (1) и выходного сигнала — канал В (2) для схемы ARC-фильтра.

Рисунок 3 — Осциллограммы входного и выходного сигналов

Для анализа вариации параметров элементов в меню Simulate/Analyses выберем Parameter sweep. В появившемся окне в поле Device Туре указывается тип радиоэлемента, а в Name его обозначение на схеме. В полях Start и Stop указываются пределы, в которых будет меняться значение параметра элемента, а в полях Increment и # of points — шаг изменения величины и количество точек, соответственно. Поле Analysis to sweep предназначено для выбора типа анализа [3].

Оценим влияние резистора R₂ на АЧХ и ФЧХ фильтра, для этого в соответствующих полях выберем Resistor R₂, начальное и конечное значения сопротивлений — 20 и 200 Ом, соответственно, а количество точек примем равное 6 (рис. 4). На вкладке Variables выберем для анализа переменную V (3), которая соответствует выходу ФНЧ. Результаты моделирования представлены на рис. 5.

Рисунок 4 — Выбор параметров анализа

Рисунок 5 — АЧХ и ФЧХ на выходе ARC-фильтра в зависимости от изменения сопротивления R₂

На рисунках 6–8 приведены графики зависимостей АЧХ и ФЧХ от параметров элементов R₁, C₂, C₂.

Рисунок 6 — АЧХ и ФЧХ на выходе ARC-фильтра в зависимости от изменения сопротивления R₁

Рисунок 7 — АЧХ и ФЧХ на выходе ARC-фильтра в зависимости от изменения емкости конденсаторов C₂

Рисунок 8 — АЧХ и ФЧХ на выходе ARC-фильтра в зависимости от изменения емкости конденсаторов C₂

Анализ графиков показывает, что:

-при уменьшении сопротивления R₂ АЧХ поднимается вверх в области подавления, характеристика становится более пологая, т.е. уменьшается подавление, при увеличении сопротивления подавление увеличивается. На частоте 100 кГц при R₂=20 Ом амплитуда равна 57,79 мВ, при R₂=200 — 17 мВ. При увеличении сопротивления происходит смещение ФЧХ в сторону увеличения частоты: от 120 кГц до 250,28 кГц. На частотах от 1 кГц до 125,58 кГц с уменьшением сопротивления R₁ происходит увеличение фазы (на частоте 100 кГц при R₁=20 Ом фаза равна -120,12^о, а при R₁=200 — -168,49^о;

-при уменьшении сопротивления R₁ АЧХ смещается вверх в области непропускания, и наоборот. Таким образом, на частоте 100 кГц при R₁=100 Ом амплитуда равна 110,22 мВ, а при R₁=600 Ом — 20,63 мВ. При изменении сопротивления R₁ от 100 Ом до 500 Ом все кривые ФЧХ практически сливаются в одну единственную, но уже при R₁=600 Ом ФЧХ смещается вправо на 38 Гц. В полосе частот от 1 кГц до 155,76 кГц происходит смещение характеристики вверх, то есть увеличение фазы. На частоте 100 кГц при R₁=100 Ом фаза равна -136,82^о, а при R₁=600 уже -160,87^о;

-при уменьшении емкости C₂ АЧХ поднимается вверх в области подавления, т.е. подавление уменьшается. На частоте 100 кГц при C₂=1 нФ амплитуда равна 50,59 мВ, а при C₂=50 нФ — 23,62 мВ. С уменьшением емкости C₂ ФЧХ сдвигается вправо на полосе от 100 кГц до 387,3 кГц. На частоте 100 кГц при C₂=50 нФ фаза равна -169,62^о, при C₂= нФ — -97,71^о;

-при уменьшении емкости C₂ происходит увеличение амплитуды в области подавления. На частоте 69 кГц при C₂=1 нФ наблюдается выброс величиной в 1,5 В, когда при C₂=50 нФ амплитуда равна 26,16 мВ. При уменьшении емкости C₂ происходит смещение ФЧХ влево в пределах 97,31 кГц — 159,07 кГц. В полосе частот от 1 кГц до 97 кГц ФЧХ поднимается вверх, т.е. фаза увеличивается. На частоте 16 кГц при C₂=50 нФ фаза равна -5,09^о, а при C₂=1 нФ — -87,83^о.

-при уменьшении емкости C₂ происходит увеличение амплитуды в области подавления. На частоте 69 кГц при C₂=1 нФ наблюдается выброс величиной в 1,5 В, когда при C₂=50 нФ амплитуда равна 26,16 мВ. При уменьшении емкости C₂ происходит смещение ФЧХ влево в пределах 97,31 кГц — 159,07 кГц. В полосе частот от 1 кГц до 97 кГц ФЧХ поднимается вверх, т.е. фаза увеличивается. На частоте 16 кГц при C₂=50 нФ фаза равна -5,09^о, а при C₂=1 нФ — -87,83^о.