Aktive filtre

Block 75: Aktive (Sallen-Key) Filter (Juni 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Aktive filtre

Analoge integrerede kredsløb


Spørgsmål 1

Lad ikke bare sidde der! Byg noget !!

At lære at matematisk analysere kredsløb kræver meget undersøgelse og praksis. Normalt praktiserer eleverne ved at arbejde igennem masser af prøveproblemer og kontrollere deres svar mod dem fra lærebogen eller instruktøren. Mens dette er godt, er der en meget bedre måde.

Du vil lære meget mere ved faktisk at opbygge og analysere rigtige kredsløb, så din testudstyr giver svarene "i stedet for en bog eller en anden person. Følg disse trin for succesfulde øvelser i kredsløbsopbygning:

  1. Mål og registrer omhyggeligt alle komponentværdier forud for kredsløbsopbygningen.
  2. Tegn skematisk diagram for kredsløbet, der skal analyseres.
  3. Opbyg forsigtigt dette kredsløb på et brødbræt eller andet passende medium.
  4. Kontroller nøjagtigheden af ​​kredsløbets konstruktion, efter hver ledning til hvert forbindelsessted, og kontroller disse elementer en for en på diagrammet.
  5. Matematisk analysere kredsløbet, løse for alle spændings- og strømværdier.
  6. Mål forsigtigt alle spændinger og strømme for at kontrollere nøjagtigheden af ​​din analyse.
  7. Hvis der er væsentlige fejl (mere end et par procent), skal du kontrollere dit kredsløbs konstruktion grundigt på diagrammet, og genkalder derefter værdierne og genmåles omhyggeligt.

Undgå at bruge model 741 op-amp, medmindre du vil udfordre dine kredsløbsdesign færdigheder. Der er mere alsidige op-amp modeller almindeligt tilgængelige for begynderen. Jeg anbefaler LM324 til DC og lavfrekvente AC-kredsløb, og TL082 til AC-projekter, der involverer lyd eller højere frekvenser.

Som sædvanlig, undgå meget høje og meget lave modstand værdier, for at undgå målefejl forårsaget af meter "loading". Jeg anbefaler modstandsværdier mellem 1 kΩ og 100 kΩ.

En måde du kan spare tid på og reducere muligheden for fejl er at begynde med et meget simpelt kredsløb og trinvis tilføje komponenter for at øge dens kompleksitet efter hver analyse, i stedet for at opbygge et helt nyt kredsløb for hvert øvelsesproblem. En anden tidsbesparende teknik er at genbruge de samme komponenter i en række forskellige kredsløbskonfigurationer. På den måde må du ikke måle en komponents værdi mere end én gang.

Reveal svar Skjul svar

Lad elektronerne selv give dig svarene på dine egne "praksisproblemer"!

Bemærkninger:

Det har været min erfaring, at eleverne kræver meget praksis med kredsløbsanalyse at blive dygtige. Til dette formål giver instruktører normalt deres elever mange øvelsesproblemer til at arbejde igennem og giver svar til, at eleverne tjekker deres arbejde imod. Mens denne tilgang gør eleverne dygtige i kredsløbsteori, undlader det at uddanne dem fuldt ud.

Studerende behøver ikke bare matematisk praksis. De har også brug for rigtige, praktisk praktiske bygningskredsløb og brug af testudstyr. Så jeg foreslår følgende alternative tilgang: eleverne skal bygge deres egne "praksisproblemer" med virkelige komponenter og forsøge at matematisk forudsige forskellige spændings- og aktuelle værdier. På den måde kommer den matematiske teori "levende", og de studerende får praktisk færdighed, de ikke ville vinde ved blot at løse ligninger.

En anden grund til at følge denne fremgangsmåde er at lære eleverne videnskabelig metode : processen med at teste en hypotese (i dette tilfælde matematiske forudsigelser) ved at udføre et rigtigt eksperiment. Studerende vil også udvikle rigtige fejlfindingskompetencer, da de lejlighedsvis laver kredsløbsbyggeri fejl.

Tilbring et par øjeblikke med din klasse for at gennemgå nogle af de "regler" for bygningskredsløb, før de begynder. Diskuter disse spørgsmål med dine elever på samme socratiske måde, som du normalt vil diskutere arbejdsarkets spørgsmål, snarere end blot at fortælle dem, hvad de burde og ikke burde gøre. Jeg ophører aldrig med at blive overrasket over, hvor dårlige eleverne får fat i instruktioner, når de præsenteres i et typisk foredrag (instruktørmonolog) format!

En note til de instruktører, der kan klage over den "spildte" tid, der kræves for at få eleverne til at opbygge virkelige kredsløb i stedet for bare at matematisk analysere teoretiske kredsløb:

Hvad er formålet med eleverne, der tager dit kursus? Panelarkontrolpanelets standardpanel?

Spørgsmål 2

I meget enkle, kvalitative termer, bedøm impedansen af ​​kondensatorer og induktorer som "set" af både lavfrekvente og højfrekvente signaler:

Kondensator som det "vises" til et lavfrekvente signal: (eller) impedans?
Kondensator som "vises" til et højfrekvente signal: (eller) impedans?
Induktor som "vises" til et lavfrekvente signal: (eller) impedans?
Induktor som "vises" til et højfrekvente signal: (eller) impedans?
Reveal svar Skjul svar

Kondensator som det "vises" til et lavfrekvente signal: høj impedans.
Kondensator som det "vises" til et højfrekvente signal: lav impedans.
Induktor som "vises" til et lavfrekvente signal: lav impedans.
Induktor som den "vises" til et højfrekvente signal: højimpedans.

Udfordringsspørgsmål: Hvad ser en kondensator ud som om et DC signal?

Bemærkninger:

Spørg dine elever om, hvordan de kom til deres svar på disse kvalitative vurderinger. Hvis de fandt vanskeligheder med at forstå forholdet mellem frekvens og impedans for reaktive komponenter, foreslår jeg at du arbejder gennem reaktansækningerne kvalitativt med dem. Med andre ord evaluere hver af reaktansformlerne (X L = 2 πf L og X C = (1 / (2 πf C))) med hensyn til f stigende og faldende for at forstå, hvordan hver af disse komponenter reagerer på low- og højfrekvente signaler.

Spørgsmål 3

Tegn Bode-plottet til et ideelt højpassfilterkrets:

Vær sikker på at bemærke "cutoff frekvensen" på dit plot.

Reveal svar Skjul svar

Opfølgningsspørgsmål: Et teoretisk filter med denne form for idealiseret reaktion kaldes nogle gange som et "murvæg" filter. Forklar hvorfor dette navn er passende.

Bemærkninger:

Plottet givet i svaret er selvfølgelig et ideelt højpassfilter, hvor alle frekvenser under f cutoff er blokeret, og alle frekvenser over f cutoff er bestået. I virkeligheden opnår filterkrets aldrig dette ideelle "square-edge" -svar. Drøft mulige anvendelser af et sådant filter med dine elever.

Udfordre dem til at tegne Bode-tegningerne for ideelle band-pass og band-stop filtre også. Øvelser som dette hjælper virkelig med at præcisere formålet med filter kredsløb. Ellers er der en tendens til at miste perspektivet af, hvad egentlige filterkretser med deres tilsvarende komplekse Bode-plot og matematiske analyser skal gøre.

Spørgsmål 4

Tegn Bode-plottet til et ideelt lavpasfilterkrets:

Vær sikker på at bemærke "cutoff frekvensen" på dit plot.

Reveal svar Skjul svar

Opfølgningsspørgsmål: Et teoretisk filter med denne form for idealiseret reaktion kaldes nogle gange som et "murvæg" filter. Forklar hvorfor dette navn er passende.

Bemærkninger:

Plottet givet i svaret er selvfølgelig et ideelt lavpasfilter, hvor alle frekvenser under f cutoff passeres og alle frekvenser over f cutoff er blokeret. I virkeligheden opnår filterkrets aldrig dette ideelle "square-edge" -svar. Drøft mulige anvendelser af et sådant filter med dine elever.

Udfordre dem til at tegne Bode-tegningerne for ideelle band-pass og band-stop filtre også. Øvelser som dette hjælper virkelig med at præcisere formålet med filter kredsløb. Ellers er der en tendens til at miste perspektivet af, hvad egentlige filterkretser med deres tilsvarende komplekse Bode-plot og matematiske analyser skal gøre.

Spørgsmål 5

Identificer, hvilken type filter dette kredsløb er og beregner dets cutoff-frekvens givet en modstandsværdi på 1 kΩ og en kondensatorværdi på 0, 22 μF:

Beregn impedansen af ​​både modstanden og kondensatoren ved denne frekvens. Hvad bemærker du om disse to impedansværdier "# 5"> Reveal svar Skjul svar

Dette er et lavpasfilter.

f cutoff = 723, 4 Hz

Bemærkninger:

Sørg for at spørge eleverne, hvor de fandt cutofffrekvensformlen for dette filterkredsløb.

Når elever beregner impedansen af ​​modstanden og kondensatoren ved cutoff frekvensen, bør de bemærke noget unikt. Spørg dine elever, hvorfor disse værdier er, hvad de er ved cutoff frekvensen. Er dette bare et tilfælde, eller fortæller det os mere om, hvordan "cutoff frekvensen" er defineret til en RC kredsløb?

Spørgsmål 6

Ægte filtre udviser aldrig perfekte "square-edge" Bode plot responser. Et typisk lavpasfilterkrets kan for eksempel have et frekvensrespons, der ser ud som dette:

Hvad refererer termen rolloff i forbindelse med filter kredsløb og Bode plots "# 6"> Reveal svar Skjul svar

"Rolloff" refererer til Bode-plotens hældning i filterkredsløbets dæmpningsområde, som oftest udtrykkes i enheder af decibel pr. Oktav (dB / oktav) eller decibel pr. Årti (dB / årti):

Bemærkninger:

Peg elevers opmærksomhed på den skala, der anvendes på dette særlige Bode-plot. Dette kaldes en log-log- skala, hvor hverken lodret eller vandret akse er lineært markeret. Denne skalering gør det muligt at vise en meget bred vifte af forhold på et relativt lille plot, og det er meget almindeligt i filterkretsanalyse.

Spørgsmål 7

Identificer, hvilken faktor (er) bestemmer afbrydelsesfrekvensen for dette passive filter kredsløb:

Giv en nøjagtig ligning, der forudser dette filterkreds cutoff-frekvens, og identificer også, hvilken type filter det er.

Reveal svar Skjul svar

Dette er et high-pass filter kredsløb med en cutoff frekvens på:

f -3 dB = 1


2 πR C

Bemærkninger:

Intet fancy her, bare en gennemgang af passiv RC filter kredsløb.

Spørgsmål 8

I dette passive filter kredsløb, hvordan vil filterets cutoff frekvens blive påvirket af ændringer i belastningsmodstanden "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/00701x01.png">

Reveal svar Skjul svar

f cutoff vil stige, da belastningsmodstanden falder.

Bemærkninger:

Bed dine elever om at definere, hvad "cutoff frekvens" betyder. Der er mere end én definition: en baseret på udgangsspænding og en baseret på udgangseffekt. Når den defineres i kraft, er cutofffrekvensen undertiden beskrevet som f -3 dB .

Spørgsmål 9

I dette aktive filter kredsløb, hvordan vil filterets cutoff frekvens blive påvirket af ændringer i belastningsmodstanden? Vær så specifik som du kan i dit svar.

Reveal svar Skjul svar

f cutoff er upåvirket af ændringer i belastningsmodstand.

Opfølgningsspørgsmål: Forklar opampens rolle i at tilvejebringe immunitet over for filterkredsløbet fra belastningsmodstandsændringer. Hvordan opnår det denne feat "noter skjult"> Noter:

Spørg dine elever, hvad opampens funktion er, taget af sig selv. Hvad kalder vi en opamp, der har sin output direkte forbundet til dens inverterende input? Hvordan er denne funktion og navn relateret til tildeling af impedansimmunitet i filterkredsløbet, der er vist i spørgsmålet?

Spørgsmål 10

I hvilket filter kredsløb, hvordan vil filterets cutoff frekvens blive påvirket af ændringer i potentiometer position? Vær så specifik som du kan i dit svar.

Reveal svar Skjul svar

Dette er et "trick" spørgsmål: f cutoff er upåvirket af ændringer i potentiometerets position.

Opfølgningsspørgsmål: Hvad ændrer sig, når potentiometerens visker bevæger sig frem og tilbage langs dens justeringsområde "noter skjult"> Noter:

Spørg dine elever, hvad funktionen af ​​op-amp er (med potentiometer feedback), taget af sig selv. Hvis der ikke var noget filter kredsløb på plads, men V i tilsluttet direkte til op-amp'ens ikke-inverterende indgang, hvilken funktion ville potentiometerjusteringen tjene?

Spørgsmål 11

Bestem typen (LP, HP, BP, BS) og cutoff frekvensen af ​​dette aktive filter kredsløb:

Reveal svar Skjul svar

Dette er et lavpasfilter kredsløb.

f -3dB = 7, 95 kHz

Opfølgningsspørgsmål: Forklar hvad formålet med 9, 1 kΩ feedback modstand er, da alt vi bruger opamp til, er alligevel en spændingsbuffer (som teoretisk ikke kræver modstand i tilbagekoblingssløjfen). Desuden skal du forklare, hvordan Superposition-sætningen bruges til at bestemme den optimale værdi af denne feedbackmodstand.

Bemærkninger:

Bed dine elever om at forklare, hvordan de ankom til deres svar: Hvilke formler har de brugt, og hvordan har de bestemt filterkredsens type, at dette er "panelpanelets standardpanel"

Spørgsmål 12

Bestem typen (LP, HP, BP, BS) og cutoff frekvensen af ​​dette aktive filter kredsløb:

Reveal svar Skjul svar

Dette er et high-pass filter kredsløb.

f -3dB = 482, 3 Hz

Opfølgningsspørgsmål: Tilbagemodstandsnetværket bestående af 52 kΩ og 91 kΩ modstande giver ikke kun en forstærkning på 1, 75 (4, 86 dB), men disse værdier blev også bevidst valgt til at kompensere for virkningerne af DC-biasstrøm gennem opamp-indgangen terminaler. Du vil bemærke, at parallelkombinationen på 52 kΩ og 91 kΩ er omtrent lig med 33 kΩ. Forklar hvorfor dette er signifikant med henvisning til Superposition sætningen.

Bemærkninger:

Bed dine elever om at forklare, hvordan de ankom til deres svar: Hvilke formler har de brugt, og hvordan har de bestemt filterkredsens type, at dette er "panelpanelets standardpanel"

Spørgsmål 13

Sammenlign spændingsgevinsterne ved disse to opamp-kredsløb:

Hvilken har den største A V, og hvorfor "# 13"> Reveal svar Skjul svar

Dette opamp-kredsløb har den større spændingsgevinst, fordi dens ((Z- feedback ) / (Z- indgang )) forhold er større.

Bemærkninger:

Det er almindeligt at se impedanser, der er repræsenteret som kasser, hvis deres bestanddele ikke er tyske til driften af ​​kredsløbet.

Spørgsmål 14

Beskriv hvad der vil ske med impedansen af ​​både kondensatoren og modstanden, da indgangssignalfrekvensen stiger:

Beskriv også hvilket resultat forandringen i impedanser vil have på op-amp kretsens spændingsgevinst. Hvis inputsignalamplituden forbliver konstant, da frekvensen stiger, hvad sker der med amplitude af udgangsspændingen "# 14"> Reveal svar Skjul svar

Som hyppigheden af ​​V i stiger, falder Z C og Z R forbliver uændret. Dette vil resultere i en øget A V for forstærkerkredsløbet.

Opfølgningsspørgsmål: Normalt beregner vi frakoblingsfrekvensen for et simpelt RC-filter kredsløb ved at bestemme frekvensen, hvor R = X C. Her er tingene lidt anderledes. Bestem spændingsforstærkningen (A V ), når R = X C, og bestem også faseskiftet fra input til udgang.

Udfordringsspørgsmålet # 1: Forklar hvorfor faseskiftet fra input til output til dette kredsløb altid er konstant, uanset signalfrekvens.

Udfordringsproblem nr. 2: Forklar hvorfor denne type kredsløb normalt er udstyret med en lavværdismotstand (R 1 ) i serie med indgangskondensatoren:

Bemærkninger:

Svaret jeg har givet er teknisk korrekt, men der er en praktisk grænse her. Som vi ved, forbliver den intrinsieke forstærkning af en op-amp ikke konstant, da signalfrekvensen stiger. Bed dine elever om at beskrive virkningen af ​​dette fænomen på kredsløbets ydeevne ved meget høje frekvenser.

På en anden note er dette samme op-amp-kredsløb kendt af et bestemt navn, når det anvendes med DC-indgangssignaler. Spørg dine elever om, hvad dette kredsløbsdesign kaldes.

Spørgsmål 15

Beskriv hvad der vil ske med impedansen af ​​både kondensatoren og modstanden, da indgangssignalfrekvensen stiger:

Beskriv også hvilket resultat forandringen i impedanser vil have på op-amp kretsens spændingsgevinst. Hvis indgangssignalamplituden forbliver konstant, da frekvensen stiger, hvad sker der med amplitude af udgangsspændingen "# 15"> Reveal svar Skjul svar

Som hyppigheden af ​​V i stiger, falder Z C og Z R forbliver uændret. Dette vil resultere i en reduceret A V for forstærkerkredsløbet.

Udfordringsspørgsmål: Forklar hvorfor denne type kredsløb normalt er udstyret med en højverdig modstand (R2) parallelt med tilbagekoblingskondensatoren:

Bemærkninger:

Dette samme op-amp-kredsløb er kendt af et bestemt navn, når det anvendes med DC-indgangssignaler. Spørg dine elever om, hvad dette kredsløbsdesign kaldes. Når der modtages et DC-indgangssignal, hvilken funktion tjener det "panelpanelets standardpanel" på standardpanelet>

Spørgsmål 16

Anslå spændingsgevinsterne for dette aktive filter kredsløb ved f = 0 og f = ∞ (antag ideel op-amp adfærd):

Anslået spændingsgevinsten ved dette andet "aktivt filter" kredsløb ved f = 0 og f = ∞ (antag ideel op-amp adfærd):

Hvilken type filtreringsfunktion (lavpas, højpas, båndpas, båndstop) leveres af begge disse filterkredsløb "# 16"> Reveal svar Skjul svar

Disse er begge lavpasfiltre. Kredsløbet med shunt kondensatoren er det mere praktiske, fordi dets spændingsforøgelse forbliver begrænset for alle mulige indgangssignalfrekvenser:

Bemærkninger:

Diskuter med dine elever deres metoder til at bestemme filtertype. Hvordan henvendte de sig til dette problem for at se, hvilken type filter begge disse kredsløb var "panelpanelets standardpanel"

Spørgsmål 17

Anslå spændingsgevinsterne for dette aktive filter kredsløb ved f = 0 og f = ∞ (antag ideel op-amp adfærd):

Anslået spændingsgevinsten ved dette andet "aktivt filter" kredsløb ved f = 0 og f = ∞ (antag ideel op-amp adfærd):

Hvilken type filtreringsfunktion (lavpas, højpas, båndpas, båndstop) leveres af begge disse filterkredsløb "# 17"> Reveal svar Skjul svar

Disse er begge højpasfiltre. Kredsløbet med seriekondensatoren er det mere praktiske, fordi dets spændingsforøgelse forbliver begrænset for alle mulige indgangssignalfrekvenser:

Bemærkninger:

Diskuter med dine elever deres metoder til at bestemme filtertype. Hvordan henvendte de sig til dette problem for at se, hvilken type filter begge disse kredsløb var "panelpanelets standardpanel"

Spørgsmål 18

Identificer funktionen af ​​dette aktive filter:

Det er lavpas, højpas, bandpas eller bandstop "# 18"> Reveal svar Skjul svar

Dette er et bandpassfilter kredsløb.

Bemærkninger:

Diskuter med dine elever deres metoder til at bestemme filtertype. Hvordan henvendte de sig til dette problem for at se, hvilken type filter dette kredsløb var? Fastlæggelse af identifikationen af ​​et "band" -filter er vanskeligere end med et lav- eller et højpassfilterkredsløb, fordi opførelsen er omtrent det samme ved begge ekstremer af frekvensområdet.

Spørgsmål 19

Identificer funktionen af ​​dette aktive filter:

Det er lavpas, højpas, bandpas eller bandstop "# 19"> Reveal svar Skjul svar

Dette er et band stop filter kredsløb.

Udfordringsspørgsmål: Hvor meget spændingsforøgelse har denne forstærker ved resonans? Hvor meget spændingsforøgelse har det ved f = 0 og f = ∞, hvis de to modstandsværdier er ens?

Bemærkninger:

Hvis nogle studerende har svært ved at analysere funktionen af ​​dette kredsløb, bede dem om at identificere den samlede impedans af en serieforbundet induktor og kondensator ved resonans, og overfør så denne impedans til kredsløbet for at se, hvad virkningerne vil være ved resonansfrekvensen .

Spørgsmål 20

En meget populær aktiv filtertopologi hedder Sallen-Key . To eksempler på Sallen-Key aktive filter kredsløb er vist her:

Bestem, hvilken af ​​disse Sallen-Key-filtre er lavpas, og som er højpasset. Forklar dine svar.

Reveal svar Skjul svar

Det første viste filter er lavt pass, mens det andet viste filter er højpasset.

Udfordringsspørgsmål: Hvad er formålet med modstand R 3 i hvert kredsløb "Noter skjult"> Noter:

Ordet "topologi" kan være mærkeligt for dine elever. Hvis nogen af ​​dem spørger dig, hvad det betyder, så spørg dem, om de ejer en ordbog!

Ligesom alle de andre aktive filterkredsløb kan den grundlæggende karakteristik af hvert filter bestemmes ved kvalitativ analyse ved f = 0 og f = ∞. Dette er en form for tankeeksperiment : Bestemmelse af et kredsløbs egenskaber ved at forestille virkningerne af visse givne forhold, idet man gennem analyser baserer sig på "første principper" af kredsløb, snarere end ved at undersøge, hvad kredsløbets mål er.

Modstand R 3 er faktisk ikke afgørende for kredsløbets drift, men findes normalt i Sallen-Key-filtre alligevel. Hvis det gør det enklere for analysen af ​​kredsløbet, fortæl dine elever, at de kan erstatte modstanden med en lige ledning i deres skematiske diagrammer.

Spørgsmål 21

I aktiv og passiv filterdesignlitteratur kommer du ofte på tværs af filter kredsløb klassificeret som et af tre forskellige navne:

Chebyshev
Butterworth
Bessel

Beskriv hvad hver af disse navne betyder. Hvad skelner præcist et "Chebyshev" filter kredsløb fra et "Butterworth" filter kredsløb?

Reveal svar Skjul svar

Hvert af disse udtryk beskriver en klasse af filterresponser, snarere end en bestemt kredsløbskonfiguration (topologi). Formen på Bode-plottet for et filter kredsløb er afgørende for, om det vil være et "Chebyshev", "Butterworth" eller "Bessel" filter.

Bemærkninger:

Jeg forsætligt udeladte Bode plot eksempler for disse tre filter klassifikationer. Præsentation og undersøgelse af Bode plots er en passende aktivitet til diskussionstid. Tegn et sæt Bode plot-akser på tavlen, og lad eleverne tegne omtrentlige Bode-plots for hvert filterrespons, som bestemt af deres forskning.

Spørgsmål 22

Vælg passende værdier for dette Sallen-Key højpassfilterkredsløb for at give det en cutoff-frekvens på 7 kHz med et "Butterworth" -svar:

f -3dB = √2


2 πR C

En god retningslinje at følge er at sikre, at ingen komponentimpedans (Z R eller Z C ) ved cutoff-frekvensen er mindre end 1 kΩ eller større end 100 kΩ.

Reveal svar Skjul svar

Husk på, at dette kun er et muligt sæt af komponentværdier:

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

Opfølgningsspørgsmål: Hvordan vil du foreslå, at vi opnår de præcise modstandsværdier, der er nødvendige for at opbygge dette kredsløb "noter skjult"> Noter:

For at eleverne skal kunne løse for R skal de algebraisk manipulere cutofffrekvensformlen. Spørg dem hvorfor vi kan vælge en standardværdi for kapacitans og derefter beregne en ikke-standardværdi for modstand. Hvorfor ikke omvendt (først vælg R, og bereg derefter C)?

Spørgsmål 23

Vælg passende værdier for dette Sallen-Key lavpasfilterkrets for at give det en cutoff-frekvens på 4, 2 kHz med et "Butterworth" -svar:

f -3dB = 1


2 √2 πR C

En god retningslinje at følge er at sikre, at ingen komponentimpedans (Z R eller Z C ) ved cutoff-frekvensen er mindre end 1 kΩ eller større end 100 kΩ.

Reveal svar Skjul svar

Husk på, at dette kun er et muligt sæt af komponentværdier:

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

Opfølgningsspørgsmål: mens 0, 0047 μF er en fælles kondensatorstørrelse, er 0, 0094 μF ikke. Forklar hvordan du kunne opnå denne præcise værdi af kapacitans, der er nødvendig for at opbygge dette kredsløb.

Bemærkninger:

For at eleverne skal kunne løse for R skal de algebraisk manipulere cutofffrekvensformlen. Spørg dem hvorfor vi kan vælge en standardværdi for kapacitans og derefter beregne en ikke-standardværdi for modstand. Hvorfor ikke omvendt (først vælg R, og bereg derefter C) "panelpanelets standardpanel-standard" itemscope>

Spørgsmål 24

Et populært passivt filtreringsnet kaldet twin-tee er ofte forbundet med en operationsforstærker til at producere et aktivt filter kredsløb. Her vises to eksempler:

Identificer hvilket af disse kredsløb der er band-pass, og som er båndstop. Identificer også den type svar, der typisk leveres af twin-tee-netværket alene, og hvordan dette svar udnyttes til at lave to forskellige typer aktive filterresponser.

Reveal svar Skjul svar

Det første viste filter er et båndstop, mens det andet viste filter er et båndpas.

Bemærkninger:

Ligesom alle de andre aktive filterkredsløb kan den grundlæggende karakteristik af hvert filter bestemmes ved kvalitativ analyse ved f = 0 og f = ∞.

Et interessant koncept på arbejde her er inversionen af ​​en funktion ved placering i tilbagekoblingssløjfen af ​​et negativt feedback-opamp-kredsløb. Hvad er et band-stop-filter, alt i sig tvinger opampen til at være et band-pass, hvis det placeres inden for den negative feedback signalbane. Diskuter dette meget vigtige koncept med dine elever, da dette absolut ikke er den eneste ansøgning til det!

Spørgsmål 25

Sangere, der ønsker at øve sig til folkemusik, finder ud af at følgende vokal eliminator kredsløb er nyttigt:

Kredsløbet virker på princippet om, at vokalspor normalt optages via en enkelt mikrofon i optagestudiet og således repræsenteres lige på hver kanal i et stereolydsystem. Dette kredsløb eliminerer effektivt vokalsporet fra sangen, idet kun musikken bliver hørt gennem hovedtelefonen eller højttaleren.

Operationsforstærkere U 1 og U 2 tilvejebringer inputbuffering, så de andre opamp-kredsløb ikke lægger for stor indlæsning af venstre og højre kanalindgangssignaler. Opamp U 3 udfører den subtraktionsfunktion, der er nødvendig for at fjerne vokalsporet.

Du tror måske, at disse tre opamps ville være tilstrækkelige til at lave et vokal eliminator kredsløb, men der er en yderligere nødvendig funktion. Ikke alene er vokalsporet almindeligt for både venstre og højre kanal, men det er også de fleste bass (lavfrekvent) toner. Således eliminerer de første tre opamps (U 1, U 2 og U 3 ) både vokal- og bassignaler fra at komme til output, hvilket ikke er det, vi ønsker.

Forklar hvordan de andre tre opamps (U 4, U 5 og U 6 ) arbejder for at genoprette basetoner til output, så de ikke går tabt sammen med vokalsporet.

Reveal svar Skjul svar

Jeg vil lade dig regne ud funktionen af ​​opamps U 4, U 5 og U 6 alene!

Bemærkninger:

Ikke alene illustrerer dette kredsløb en pæn anvendelse af opamps, men den viser også modulært operationelt kredsløbsdesign, hvor hver opamp (og dens understøttende passive komponenter) udfører nøjagtig en opgave.

Spørgsmål 26

Forudsig, hvordan driften af ​​dette aktive filter kredsløb vil blive påvirket som følge af følgende fejl. Overvej hver fejl uafhængigt (dvs. en ad gangen, ingen flere fejl):

Modstand R 1 fejler åben:
Kondensator C 1 fejler åben:
Loddebro (kort) over modstand R 1 :
Loddebro (kort) over kondensator C 1 :
Modstand R 2 fejler åben:
Modstand R 3 fejler åben:

For hver af disse betingelser, forklar hvorfor de resulterende virkninger vil forekomme.

Reveal svar Skjul svar

Modstand R 1 fejler åben: Filter kredsløb stopper filtrering, passerer alle frekvenser.
Kondensator C 1 fejler åben: Ingen signaludgang overhovedet fra kredsløbet.
Loddebro (kort) over modstand R 1 : Ingen signaludgang overhovedet fra kredsløbet.
Loddebro (kort) over kondensator C 1 : Filter kredsløbet stopper filtrering, passerer alle frekvenser.
Modstand R 2 fejler åben: Spændingsforøgelse af kredsløb falder til værdi på 1 (0 dB).
Modstand R 3 fejler åben: Filter kredsløb udsender firkantbølge på alle frekvenser.

Bemærkninger:

Formålet med dette spørgsmål er at nærme sig domænet for kredsløbsfejlfinding ud fra et perspektiv om at vide, hvad fejlen er, snarere end kun at vide, hvad symptomerne er. Selvom dette ikke nødvendigvis er et realistisk perspektiv, hjælper det eleverne med at opbygge den grundlæggende viden, der er nødvendig for at diagnosticere et fejlet kredsløb fra empiriske data. Spørgsmål som dette skal følges (til sidst) af andre spørgsmål, der beder eleverne om at identificere sandsynlige fejl baseret på målinger.

Spørgsmål 27

Forudsig, hvordan driften af ​​dette aktive filter kredsløb vil blive påvirket som følge af følgende fejl. Overvej hver fejl uafhængigt (dvs. en ad gangen, ingen flere fejl):

Modstand R 1 fejler åben:
Kondensator C 1 fejler åben:
Loddebro (kort) over modstand R 1 :
Loddebro (kort) over kondensator C 1 :
Modstand R 2 fejler åben:
Modstand R 3 fejler åben:

For hver af disse betingelser, forklar hvorfor de resulterende virkninger vil forekomme.

Reveal svar Skjul svar

Modstand R 1 fejler åben: Ingen signaludgang overhovedet fra kredsløbet.
Kondensator C 1 fejler åbent: Filter kredsløb stopper filtrering, passerer alle frekvenser.
Loddebro (kort) over modstand R 1 : Filter kredsløb stopper filtrering, passerer alle frekvenser.
Loddebro (kort) over kondensator C 1 : Ingen signaludgang overhovedet fra kredsløbet.
Modstand R 2 fejler åben: Spændingsforøgelse af kredsløb falder til værdi på 1 (0 dB).
Modstand R 3 fejler åben: Filter kredsløb udsender firkantbølge på alle frekvenser.

Bemærkninger:

Formålet med dette spørgsmål er at nærme sig domænet for kredsløbsfejlfinding ud fra et perspektiv om at vide, hvad fejlen er, snarere end kun at vide, hvad symptomerne er. Selvom dette ikke nødvendigvis er et realistisk perspektiv, hjælper det eleverne med at opbygge den grundlæggende viden, der er nødvendig for at diagnosticere et fejlet kredsløb fra empiriske data. Spørgsmål som dette skal følges (til sidst) af andre spørgsmål, der beder eleverne om at identificere sandsynlige fejl baseret på målinger.

Spørgsmål 28

Foregive, hvordan driften af ​​dette aktive differentiator kredsløb vil blive påvirket som følge af følgende fejl. Overvej hver fejl uafhængigt (dvs. en ad gangen, ingen flere fejl):

Modstand R 1 fejler åben:
Kondensator C 1 fejler åben:
Loddebro (kort) over modstand R 1 :
Loddebro (kort) over kondensator C 1 :

For hver af disse betingelser, forklar hvorfor de resulterende virkninger vil forekomme.

Reveal svar Skjul svar

Modstand R 1 fejler åben: Udgangssignalet er altid en firkantbølge.
Kondensator C 1 fejler åben: Overhovedet ingen udgangssignal.
Loddebro (kort) over modstand R 1 : Intet udgangssignal overhovedet.
Loddebro (kort) over kondensator C 1 : Udgangssignalet er altid en firkantet bølge.

Bemærkninger:

Formålet med dette spørgsmål er at nærme sig domænet for kredsløbsfejlfinding ud fra et perspektiv om at vide, hvad fejlen er, snarere end kun at vide, hvad symptomerne er. Selvom dette ikke nødvendigvis er et realistisk perspektiv, hjælper det eleverne med at opbygge den grundlæggende viden, der er nødvendig for at diagnosticere et fejlet kredsløb fra empiriske data. Spørgsmål som dette skal følges (til sidst) af andre spørgsmål, der beder eleverne om at identificere sandsynlige fejl baseret på målinger.

Spørgsmål 29

Forudsig, hvordan driften af ​​dette aktive filter kredsløb vil blive påvirket som følge af følgende fejl. Overvej hver fejl uafhængigt (dvs. en ad gangen, ingen flere fejl):

Modstand R 1 fejler åben:
Modstand R 2 fejler åben:
Kondensator C 1 fejler åben:
Loddebro (kort) over modstand R 1 :
Loddebro (kort) over modstand R 2 :
Loddebro (kort) over kondensator C 1 :

For hver af disse betingelser, forklar hvorfor de resulterende virkninger vil forekomme.

Reveal svar Skjul svar

Modstand R 1 fejler åben: Overhovedet ingen udgangssignal.
Modstand R 2 fejler åben: Outputmætninger (enten positive eller negative), når der er nogen DC-spændingsindgang til kredsløbet.
Kondensator C 1 fejler åben: Ingen filtreringshandling overhovedet, fungerer kun som en forstærkningsforstærker.
Loddebro (kort) over modstand R 1 : Udgangssignalet er altid en firkantbølge.
Loddebro (kort) over modstand R 2 : Intet udgangssignal overhovedet.
Loddebro (kort) over kondensator C 1 : Intet udgangssignal overhovedet.

Bemærkninger:

Formålet med dette spørgsmål er at nærme sig domænet for kredsløbsfejlfinding ud fra et perspektiv om at vide, hvad fejlen er, snarere end kun at vide, hvad symptomerne er. Selvom dette ikke nødvendigvis er et realistisk perspektiv, hjælper det eleverne med at opbygge den grundlæggende viden, der er nødvendig for at diagnosticere et fejlet kredsløb fra empiriske data. Spørgsmål som dette skal følges (til sidst) af andre spørgsmål, der beder eleverne om at identificere sandsynlige fejl baseret på målinger.

Spørgsmål 30

Forudsig, hvordan driften af ​​dette aktive filter kredsløb vil blive påvirket som følge af følgende fejl. Overvej hver fejl uafhængigt (dvs. en ad gangen, ingen flere fejl):

Modstand R 1 fejler åben:
Modstand R 2 fejler åben:
Kondensator C 1 fejler åben:
Loddebro (kort) over modstand R 1 :
Loddebro (kort) over modstand R 2 :
Loddebro (kort) over kondensator C 1 :

For hver af disse betingelser, forklar hvorfor de resulterende virkninger vil forekomme.

Reveal svar Skjul svar

Modstand R 1 fejler åben: Overhovedet ingen udgangssignal.
Modstand R 2 fejler åben: Udgangssignalet er altid en firkantet bølge.
Kondensator C 1 fejler åben: Overhovedet ingen udgangssignal.
Loddebro (kort) over modstand R 1 : Udgangssignalet er en firkantbølge ved høje frekvenser (for meget højfrekvensforstærkning).
Loddebro (kort) over modstand R 2 : Intet udgangssignal overhovedet.
Loddebro (kort) over kondensator C 1 : Ingen filtreringshandling overhovedet, fungerer kun som en forstærkningsforstærker.

Bemærkninger:

Formålet med dette spørgsmål er at nærme sig domænet for kredsløbsfejlfinding ud fra et perspektiv om at vide, hvad fejlen er, snarere end kun at vide, hvad symptomerne er. Selvom dette ikke nødvendigvis er et realistisk perspektiv, hjælper det eleverne med at opbygge den grundlæggende viden, der er nødvendig for at diagnosticere et fejlet kredsløb fra empiriske data. Spørgsmål som dette skal følges (til sidst) af andre spørgsmål, der beder eleverne om at identificere sandsynlige fejl baseret på målinger.

Spørgsmål 31

Denne vokal eliminator kredsløb bruges til at fungere helt fint, men da det en dag syntes at miste en masse af sin bas. Det gjorde stadig sit job om at fjerne vokalsporet, men i stedet for at høre hele spektret af musikalske toner reproderede den kun de høje frekvenser, mens lavfrekvenstonerne gik tabt:

Identificer følgende fejlmuligheder:

Én modstandsfejl (enten åben eller kortsluttet), der kan få det til at ske:

En kondensatorfejl (enten åben eller kortsluttet), der kan få det til at ske:

Et opampfejl, der kan få det til at ske:

For hver af disse foreslåede fejl, forklar hvorfor bass tonerne ville gå tabt.

Reveal svar Skjul svar

Bemærk venligst, at nedenstående liste ikke er udtømmende. Det vil sige, at andre komponentfejl kan være mulige!

Én modstandsfejl (enten åben eller kortsluttet), der kunne få det til at ske: R 8 mislykkedes åbent.

En kondensatorfejl (enten åben eller kortsluttet), der kan få det til at ske: C 2 mislykkedes kortere.

En opamp fiasko, der kan få det til at ske: U 4 mislykkedes.

Bemærkninger:

Bed dine elever om at forklare, hvordan de identificerede deres foreslåede fejl, og også hvordan de kunne identificere komponent, der stadig skal fungere korrekt.

Spørgsmål 32

Dette vokal eliminator kredsløb bruges til at fungere helt fint, men da en dag det stoppede eliminere vokal spor. Musikens tone lød lidt tung på basen, og vokalsporet var der, da det ikke burde have været der:

Identificer følgende fejlmuligheder:

Én modstandsfejl (enten åben eller kortsluttet), der kan få det til at ske:

Et opampfejl, der kan få det til at ske:

For hver af disse foreslåede fejl, forklar hvorfor bass tonerne ville gå tabt.

Reveal svar Skjul svar

Bemærk venligst, at nedenstående liste ikke er udtømmende. Det vil sige, at andre komponentfejl kan være mulige!

Én modstandsfejl (enten åben eller kortsluttet), der kan få det til at ske: R 2 mislykkedes åbent.

En opamp fiasko, der kan få det til at ske: U 2 mislykkedes.

Bemærkninger:

Bed dine elever om at forklare, hvordan de identificerede deres foreslåede fejl, og også hvordan de kunne identificere komponent, der stadig skal fungere korrekt.

  • ← Forrige regneark

  • Regneark Indeks

  • Næste regneark →