Penapis Aktif

Experiment, unique water filter - Percobaan unik saringan air (Jun 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Penapis Aktif

Litar Bersepadu Analog


soalan 1

Jangan hanya duduk di sana! Bina sesuatu !!

Belajar menganalisis litar memerlukan banyak kajian dan amalan. Lazimnya, pelajar mengamalkan dengan bekerja melalui banyak masalah sampel dan menyemak jawapan mereka terhadap yang disediakan oleh buku teks atau pengajar. Walaupun ini bagus, ada cara yang lebih baik.

Anda akan belajar lebih banyak dengan sebenarnya membina dan menganalisis litar sebenar, membiarkan peralatan ujian anda memberikan "jawaban" daripada buku atau orang lain. Untuk latihan pembinaan litar yang berjaya, ikuti langkah berikut:

  1. Berhati-hati mengukur dan merekod semua nilai komponen sebelum pembinaan litar.
  2. Lukis gambarajah skematik untuk litar untuk dianalisis.
  3. Berhati-hati membina litar ini pada papan roti atau medium mudah lain.
  4. Periksa ketepatan pembinaan litar, mengikuti setiap wayar ke setiap titik sambungan, dan mengesahkan unsur-unsur ini satu demi satu pada rajah.
  5. Matematik menganalisis litar, menyelesaikan semua voltan dan nilai semasa.
  6. Berhati-hati mengukur semua voltan dan arus, untuk mengesahkan ketepatan analisis anda.
  7. Sekiranya terdapat sebarang kesilapan besar (lebih daripada beberapa peratus), semak dengan teliti memeriksa pembinaan litar anda terhadap gambarajah, kemudian berhati-hati mengira semula nilai-nilai dan mengukur semula.

Elakkan menggunakan model 741 op-amp, melainkan jika anda mahu mencabar kemahiran reka bentuk litar anda. Terdapat lebih banyak model op-amp yang biasa tersedia untuk pemula. Saya cadangkan LM324 untuk DC dan rangkaian frekuensi rendah AC, dan TL082 untuk projek AC yang melibatkan audio atau frekuensi yang lebih tinggi.

Seperti biasa, elakkan nilai resistor yang sangat tinggi dan sangat rendah, untuk mengelakkan kesilapan pengukuran yang disebabkan oleh "beban" meter. Saya cadangkan nilai resistor antara 1 kΩ dan 100 kΩ.

Salah satu cara anda boleh menjimatkan masa dan mengurangkan kemungkinan kesilapan adalah dengan memulakan litar yang sangat mudah dan menambahkan secara tambahan komponen untuk meningkatkan kerumitannya selepas setiap analisis, dan bukannya membina litar baru untuk setiap masalah amalan. Satu lagi teknik penjimatan masa adalah untuk menggunakan semula komponen yang sama dalam pelbagai konfigurasi litar yang berbeza. Dengan cara ini, anda tidak perlu mengukur sebarang nilai komponen lebih daripada satu kali.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Biarkan elektron itu sendiri memberi anda jawapan kepada "masalah praktik" anda sendiri!

Nota:

Telah menjadi pengalaman saya bahawa pelajar memerlukan banyak latihan dengan analisis litar untuk menjadi mahir. Untuk tujuan ini, para pengajar biasanya memberikan pelajar mereka dengan banyak masalah amalan untuk bekerja, dan memberi jawapan kepada pelajar untuk memeriksa kerja mereka. Walaupun pendekatan ini menjadikan pelajar mahir dalam teori litar, ia gagal mendidik mereka sepenuhnya.

Pelajar tidak hanya memerlukan amalan matematik. Mereka juga memerlukan litar bangunan amalan sebenar dan menggunakan peralatan ujian. Oleh itu, saya cadangkan pendekatan alternatif berikut: pelajar perlu membina "masalah amalan" mereka sendiri dengan komponen sebenar, dan cuba meramal secara matematik pelbagai nilai voltan dan semasa. Dengan cara ini, teori matematik "menjadi hidup, " dan pelajar memperoleh kecekapan praktikal yang tidak mereka dapat semata-mata dengan menyelesaikan persamaan.

Satu lagi sebab untuk mengikuti kaedah amalan ini adalah untuk mengajar pelajar kaedah saintifik : proses menguji hipotesis (dalam kes ini, ramalan matematik) dengan melakukan eksperimen yang sebenar. Pelajar juga akan membangunkan kemahiran penyelesaian masalah yang sebenar kerana mereka kadang-kadang membuat kesalahan pembinaan litar.

Luangkan sedikit masa bersama kelas anda untuk mengkaji semula beberapa "peraturan" untuk membina litar sebelum mereka mula. Bincangkan isu-isu ini dengan pelajar anda dengan cara Socratic yang sama yang anda biasanya akan membincangkan soalan-soalan lembaran kerja, dan bukan sekadar memberitahu mereka apa yang patut dan tidak patut dilakukan. Saya tidak pernah terkejut melihat betapa lemahnya pelajar memahami arahan apabila dibentangkan dalam format kuliah tipikal (instruktur monolog)!

Nota kepada pengajar yang mungkin mengadu tentang masa "sia-sia" yang diperlukan untuk membolehkan pelajar membina litar sebenar dan bukan hanya menganalisis litar teori secara matematik:

Apakah maksud pelajar mengambil kursus "panel kerja panel panel lalai" anda?

Soalan 2

Secara ringkas, istilah kualitatif, kadar impedans kapasitor dan induktor sebagai "dilihat" oleh isyarat frekuensi rendah dan frekuensi tinggi sama:

Kapasitor kerana ia "muncul" kepada isyarat frekuensi rendah: (atau) impedans?
Kapasitor kerana ia "muncul" kepada isyarat frekuensi tinggi: (atau) impedans?
Induktor kerana ia "muncul" kepada isyarat frekuensi rendah: (atau) impedans?
Induktor kerana ia "muncul" kepada isyarat frekuensi tinggi: (atau) impedans?
Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Kapasitor kerana ia "muncul" kepada isyarat frekuensi rendah: impedans yang tinggi .
Capacitor kerana ia "muncul" kepada isyarat frekuensi tinggi: impedans yang rendah .
Induktor kerana ia "muncul" kepada isyarat frekuensi rendah : impedans rendah .
Induktor kerana ia "muncul" kepada isyarat frekuensi tinggi : impedans yang tinggi .

Soalan cabaran: apa kapasitor "muncul" sebagai isyarat DC ?

Nota:

Tanya pelajar anda bagaimana mereka sampai jawapan mereka untuk penilaian kualitatif ini. Jika mereka mendapati kesukaran memahami hubungan frekuensi kepada impedans untuk komponen reaktif, saya cadangkan anda bekerja melalui persamaan reaktan secara kualitatif dengan mereka. Dalam erti kata lain, menilai setiap formula reaktansi (X L = 2 πf L dan X C = (1 / (2 πf C))) dari segi peningkatan dan penurunan f, untuk memahami bagaimana setiap komponen ini bertindak balas kepada tahap rendah- dan isyarat frekuensi tinggi.

Soalan 3

Lukis plot Bode untuk litar penapis lulus tinggi yang ideal :

Pastikan anda mencatat "frekuensi cutoff" pada plot anda.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Soalan susulan: penapis teori dengan jenis tindak balas yang ideal ini kadang-kadang disebut sebagai "tembok bata" penapis. Terangkan mengapa nama ini sesuai.

Nota:

Plot yang diberikan dalam jawapannya, tentu saja, adalah untuk penapis lulus tinggi yang ideal, di mana semua kekerapan di bawah f cutoff disekat dan semua frekuensi di atas f cutoff diluluskan. Pada kenyataannya, litar penapis tidak pernah mencapai tindak balas "halus" ideal ini. Bincangkan kemungkinan aplikasi penapis sedemikian dengan pelajar anda.

Cabaran mereka untuk menarik plot Bode untuk penapis band-pass dan penamat band yang ideal juga. Latihan seperti ini benar-benar membantu untuk menjelaskan maksud litar penapis. Jika tidak, terdapat kecenderungan untuk kehilangan perspektif tentang litar penapis sebenar, dengan plot Bode yang sama kompleks dan analisis matematik, yang sepatutnya dilakukan.

Soalan 4

Lukiskan plot Bode untuk litar penapis rendah lulus yang ideal :

Pastikan anda mencatat "frekuensi cutoff" pada plot anda.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Soalan susulan: penapis teori dengan jenis tindak balas yang ideal ini kadang-kadang disebut sebagai "tembok bata" penapis. Terangkan mengapa nama ini sesuai.

Nota:

Pelan yang diberikan dalam jawapan itu, tentu saja, adalah untuk penapis pasir rendah yang ideal, di mana semua kekerapan di bawah f cutoff diluluskan dan semua kekerapan di atas f cutoff disekat. Pada kenyataannya, litar penapis tidak pernah mencapai tindak balas "halus" ideal ini. Bincangkan kemungkinan aplikasi penapis sedemikian dengan pelajar anda.

Cabaran mereka untuk menarik plot Bode untuk penapis band-pass dan penamat band yang ideal juga. Latihan seperti ini benar-benar membantu untuk menjelaskan maksud litar penapis. Jika tidak, terdapat kecenderungan untuk kehilangan perspektif tentang litar penapis sebenar, dengan plot Bode yang sama kompleks dan analisis matematik, yang sepatutnya dilakukan.

Soalan 5

Kenal pasti jenis penapis litar ini, dan hitung kekerapan potongannya yang diberi nilai perintang 1 kΩ dan nilai kapasitor 0.22 μF:

Hitung impedans kedua-dua perintang dan kapasitor pada frekuensi ini. Apa yang anda perhatikan mengenai kedua-dua nilai impedans ini "# 5"> Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Ini adalah penapis lulus rendah.

f cutoff = 723.4 Hz

Nota:

Pastikan anda bertanya kepada pelajar di mana mereka mendapati formula frekuensi cutoff bagi litar penapis ini.

Apabila pelajar mengira impedans perintang dan kapasitor pada frekuensi cutoff, mereka perlu melihat sesuatu yang unik. Tanya pelajar anda kenapa nilai-nilai ini adalah apa yang mereka ada pada frekuensi cutoff. Adakah ini hanya satu kebetulan, atau adakah ini memberitahu kami lebih lanjut mengenai bagaimana "frekuensi cutoff" ditakrifkan untuk litar RC?

Soalan 6

Penapis sebenar tidak pernah mempamerkan tindak balas plot Bode "sampingan" yang sempurna. Litar penapis lulus rendah biasa, contohnya, mungkin mempunyai tindak balas frekuensi yang kelihatan seperti ini:

Apakah istilah rolloff merujuk, dalam konteks litar penapis dan plot Bode "# 6"> Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

"Rolloff" merujuk kepada lereng plot Bode dalam litar penapis yang melemahkan, biasanya dinyatakan dalam unit desibel setiap oktaf (dB / oktaf) atau decibel setiap dekad (dB / dekad):

Nota:

Tumpukan perhatian pelajar kepada skala yang digunakan pada plot Bode tertentu ini. Ini dipanggil skala log log, di mana tiada paksi menegak dan mendatar ditandakan secara linear. Penggredan ini membolehkan pelbagai syarat untuk ditunjukkan pada plot yang agak kecil, dan sangat biasa dalam analisis litar penapis.

Soalan 7

Kenal pasti faktor yang menentukan kekerapan potong litar penapis pasif ini:

Berikan persamaan tepat yang meramalkan kekerapan litar penapis litar penapis ini, dan juga mengenal pasti jenis penapis itu.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Ini adalah litar penapis lulus tinggi, dengan frekuensi cutoff:

f -3 dB = 1


2 πR C

Nota:

Tidak ada yang mewah di sini, hanya semakan litar penapis RC pasif.

Soalan 8

Dalam litar penapis pasif ini, bagaimana kekerapan potongan penapis dipengaruhi oleh perubahan rintangan beban "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/00701x01.png">

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

f cutoff akan meningkat apabila rintangan beban berkurangan.

Nota:

Tanya pelajar anda untuk menentukan apa yang "frekuensi cutoff" bermakna. Terdapat lebih daripada satu definisi: satu berdasarkan voltan keluaran, dan satu berdasarkan kuasa keluaran. Apabila ditakrif dari segi kuasa, frekuensi cutoff kadang-kadang digambarkan sebagai f -3 dB .

Soalan 9

Dalam litar penapis aktif ini, bagaimanakah kekerapan potongan penapis dipengaruhi oleh perubahan rintangan beban? Jadilah seperti yang anda boleh jawapan anda.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

f cutoff tidak terjejas oleh perubahan rintangan beban.

Soalan susulan: menerangkan peranan opamp dalam menyediakan imuniti kepada litar penapis daripada perubahan rintangan beban. Bagaimanakah ia dapat dicapai dengan "nota yang disembunyikan" ini Nota:

Tanya pelajar anda apa fungsi opamp itu, diambil dengan sendirinya. Apa yang kita panggil opamp yang mempunyai keluarannya terus berkaitan dengan input pembaliknya? Bagaimana fungsi dan nama ini berkaitan dengan pemberian imuniti beban-impedans dalam litar penapis yang ditunjukkan dalam soalan?

Soalan 10

Dalam litar penapis ini, bagaimanakah kekerapan potongan penapis dipengaruhi oleh perubahan dalam kedudukan potensiometer? Jadilah seperti yang anda boleh jawapan anda.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Ini adalah "helah" soalan: f cutoff tidak terjejas oleh perubahan dalam kedudukan potensiometer.

Persoalan susulan: apa yang berubah sebagai pengelap potensiometer berpindah ke belakang dan sebagainya di sepanjang pelarasannya "nota tersembunyi"> Nota:

Tanya pelajar anda apa fungsi op-amp adalah (dengan maklum balas potensiometer), diambil dengan sendirinya. Sekiranya tiada litar penuras berlaku sama sekali, tetapi V di dalam terus disambungkan ke input bukan pembalik op-amp, apakah fungsi yang akan disesuaikan dengan pelarasan potensiometer?

Soalan 11

Tentukan jenis (LP, HP, BP, BS) dan frekuensi cutoff litar penapis aktif:

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Ini adalah litar penapis lulus rendah.

f -3dB = 7.95 kHz

Soalan susulan: terangkan apa tujuan perintang maklum balas 9.1 kΩ, kerana semua yang kita gunakan opamp untuk adalah penampan voltan pula (yang secara teorinya tidak memerlukan ketahanan dalam gelung umpan balik). Tambahan pula, jelaskan bagaimana teorem Superposition digunakan untuk menentukan nilai optimum rintangan maklum balas ini.

Nota:

Tanyakan kepada pelajar anda untuk menjelaskan bagaimana mereka sampai pada jawapan mereka: formula apa yang mereka gunakan, dan bagaimana mereka menentukan jenis litar penapis bahawa ini adalah "panel kerja panel panel lalai"

Soalan 12

Tentukan jenis (LP, HP, BP, BS) dan frekuensi cutoff litar penapis aktif:

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Ini adalah litar penapis lulus tinggi.

f -3dB = 482.3 Hz

Persoalan susulan: rangkaian perintang maklum balas yang terdiri daripada 52 kΩ dan 91 kΩ resistor bukan sahaja memberikan keuntungan sebanyak 1.75 (4.86 dB), tetapi nilai-nilai ini juga sengaja dipilih untuk mengimbangi kesan aliran bias DC melalui input opamp terminal. Anda akan melihat bahawa kombinasi selari 52 kΩ dan 91 kΩ adalah lebih kurang sama dengan 33 kΩ. Terangkan mengapa ini penting dengan merujuk kepada teorem Superposisi.

Nota:

Tanyakan kepada pelajar anda untuk menjelaskan bagaimana mereka sampai pada jawapan mereka: formula apa yang mereka gunakan, dan bagaimana mereka menentukan jenis litar penapis bahawa ini adalah "panel kerja panel panel lalai"

Soalan 13

Bandingkan keuntungan voltan dua litar opamp ini:

Mana yang mempunyai A V lebih besar, dan mengapa "# 13"> Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Litar opamp ini mempunyai peningkatan voltan yang lebih tinggi, kerana nisbah ((Z input ) / (Z input )) lebih tinggi.

Nota:

Adalah biasa untuk melihat impedans yang diwakili sebagai kotak, jika komponen konstituen mereka tidak menjana operasi litar.

Soalan 14

Terangkan apa yang akan berlaku kepada impedans kedua-dua kapasitor dan perintang kerana frekuensi isyarat input meningkat:

Juga, gambarkan apa yang menyebabkan perubahan dalam impedans akan diperolehi pada voltan litar op-amp. Jika amplitud isyarat input tetap malar apabila peningkatan frekuensi, apa yang akan berlaku kepada amplitud voltan keluaran "# 14"> Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Kerana kekerapan V meningkat, Z C berkurangan dan Z R kekal tidak berubah. Ini akan menyebabkan peningkatan A V bagi litar penguat.

Soalan susulan: biasanya kita mengira frekuensi cutoff litar penapis RC mudah dengan menentukan kekerapan di mana R = X C. Di sini, perkara-perkara yang sedikit berbeza. Tentukan keuntungan voltan (A V ) apabila R = X C, dan juga menentukan peralihan fasa dari input ke output.

Cabaran soalan # 1: jelaskan mengapa pergeseran fasa dari input ke output untuk litar ini sentiasa tetap, tanpa mengira frekuensi isyarat.

Cabaran soalan # 2: menerangkan mengapa jenis litar ini biasanya dilengkapi dengan perintang nilai rendah (R1) secara bersiri dengan kapasitor input:

Nota:

Jawapan yang saya berikan secara teknikalnya betul, tetapi terdapat had praktikal di sini. Seperti yang kita ketahui, keuntungan intrinsik op-amp tidak tetap malar apabila kekerapan isyarat meningkat. Tanyakan kepada pelajar anda untuk menerangkan kesan fenomena ini pada prestasi litar pada frekuensi yang sangat tinggi.

Pada nota lain, litar op-amp yang sama dikenali dengan nama tertentu apabila digunakan dengan isyarat input DC. Tanya pelajar anda mengenai reka bentuk litar ini.

Soalan 15

Terangkan apa yang akan berlaku kepada impedans kedua-dua kapasitor dan perintang kerana frekuensi isyarat input meningkat:

Juga, gambarkan apa yang menyebabkan perubahan dalam impedans akan diperolehi pada voltan litar op-amp. Jika amplitud isyarat masukan kekal malar apabila peningkatan frekuensi, apa yang akan berlaku kepada amplitud voltan output "# 15"> Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Kerana kekerapan V meningkat, Z C berkurangan dan Z R kekal tidak berubah. Ini akan menyebabkan penurunan A V bagi litar penguat.

Soalan cabaran: jelaskan mengapa jenis litar ini biasanya dilengkapi dengan perintang bernilai tinggi (R 2 ) secara selari dengan kapasitor maklum balas:

Nota:

Litar op-amp yang sama dikenali dengan nama tertentu apabila digunakan dengan isyarat input DC. Tanya pelajar anda mengenai reka bentuk litar ini. Apabila menerima isyarat masukan DC, fungsi apa itu berfungsi sebagai "panel kerja lalai panel panel lalai"

Soalan 16

Anggarkan keuntungan voltan litar penapis aktif ini pada f = 0 dan f = ∞ (anggap tingkah laku op-am yang ideal):

Anggarkan keuntungan voltan ini "litar aktif" yang lain pada f = 0 dan f = ∞ (anggap tingkah laku op-am yang ideal):

Jenis jenis fungsi penapisan (pas rendah, pas tinggi, pas band, hentian band) disediakan oleh kedua-dua litar penapis ini "# 16"> Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Ini adalah kedua-dua penapis lulus rendah. Litar dengan kapasitor shunt adalah yang lebih praktikal, kerana keuntungan voltan kekal terbatas untuk semua kemungkinan frekuensi isyarat input:

Nota:

Bincangkan dengan pelajar anda kaedah mereka menentukan jenis penapis. Bagaimana mereka mendekati masalah ini, untuk melihat jenis penapis kedua-dua litar ini adalah "panel kerja panel panel lalai"

Soalan 17

Anggarkan keuntungan voltan litar penapis aktif ini pada f = 0 dan f = ∞ (anggap tingkah laku op-am yang ideal):

Anggarkan keuntungan voltan ini "litar aktif" yang lain pada f = 0 dan f = ∞ (anggap tingkah laku op-am yang ideal):

Fungsi penapisan apa jenis (lulus yang rendah, lulus tinggi, pas band, hentian band) disediakan oleh kedua-dua litar penapis ini "# 17"> Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Ini adalah penapis lulus yang tinggi. Litar dengan kapasitor siri adalah lebih praktikal, kerana keuntungan voltan kekal terbatas untuk semua frekuensi isyarat masukan yang mungkin:

Nota:

Bincangkan dengan pelajar anda kaedah mereka menentukan jenis penapis. Bagaimana mereka mendekati masalah ini, untuk melihat jenis penapis kedua-dua litar ini adalah "panel kerja panel panel lalai"

Soalan 18

Kenal pasti fungsi penapis aktif ini:

Ia adalah lulus yang rendah, pas yang tinggi, pas band, atau perhentian band "# 18"> Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Ini adalah litar penapis pas band.

Nota:

Bincangkan dengan pelajar anda kaedah mereka menentukan jenis penapis. Bagaimanakah mereka mendekati masalah ini, untuk melihat jenis penapis litar ini? Menentukan pengenalpastian penapis "band-" adalah lebih sukar daripada dengan litar penapis rendah atau lulus tinggi, kerana tingkah laku itu hampir sama pada kedua-dua keterlaluan julat frekuensi.

Soalan 19

Kenal pasti fungsi penapis aktif ini:

Ia adalah pas yang rendah, pas yang tinggi, pas band, atau hentian band "# 19"> Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Ini ialah litar penapis berhenti band.

Soalan cabaran: berapa banyak voltan yang mendapat penguat ini pada resonans? Berapakah voltan yang diperolehi pada f = 0 dan f = ∞, jika kedua-dua nilai resistor adalah sama?

Nota:

Sekiranya sesetengah pelajar mengalami kesukaran menganalisis fungsi litar ini, mintalah mereka mengenal pasti jumlah galangan induktor dan kapasitor bersambung siri pada resonans, kemudian pindahkan jumlah impedans ke litar untuk melihat kesannya pada frekuensi resonan .

Soalan 20

Topologi penapis aktif yang popular dipanggil Sallen-Key . Dua contoh litar penapis aktif Sallen-Key ditunjukkan di sini:

Tentukan mana-mana penapis Sallen-Key ini adalah lulus yang rendah, dan lulus yang tinggi. Terangkan jawapan anda.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Penapis pertama yang ditunjukkan adalah lulus yang rendah, manakala penapis kedua yang ditunjukkan adalah lulus yang tinggi.

Soalan cabaran: apakah tujuan perintang R 3 di setiap litar "nota tersembunyi"> Nota:

Perkataan "topologi" mungkin pelik kepada pelajar anda. Jika mana-mana daripada mereka bertanya kepada anda apa maksudnya, tanyakan kepada mereka jika mereka memiliki kamus!

Seperti semua litar penapis aktif yang lain, ciri asas setiap penapis boleh ditentukan oleh analisis kualitatif pada f = 0 dan f = ∞. Ini adalah satu bentuk percubaan pemikiran : menentukan ciri-ciri litar dengan membayangkan kesan-kesan tertentu syarat-syarat tertentu, berikut melalui analisis berdasarkan "prinsip pertama" litar, dan bukannya dengan meneliti apa yang dimaksudkan fungsi litar itu.

Resistor R 3 sebenarnya tidak penting untuk operasi litar, tetapi biasanya terdapat dalam penapis Sallen-Key pula. Sekiranya ia menjadikan analisis litar lebih mudah, beritahu pelajar anda bahawa mereka boleh menggantikan penghalang dengan dawai lurus dalam rajah skematik mereka.

Soalan 21

Dalam sastera reka bentuk penapis aktif dan pasif, anda sering melihat litar penapis dikelaskan sebagai salah satu daripada tiga nama yang berlainan:

Chebyshev
Butterworth
Bessel

Terangkan maksud setiap nama ini. Apa, membezakan litar penapis "Chebyshev" daripada litar penapis "Butterworth"?

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Setiap istilah ini menerangkan kelas tindak balas penapis, bukannya konfigurasi litar tertentu (topologi). Bentuk plot Bode untuk litar penapis adalah faktor penentu sama ada ia akan menjadi penapis "Chebyshev, " "Butterworth, " atau "Bessel".

Nota:

Saya dengan sengaja mengabaikan contoh plot Bode untuk ketiga klasifikasi penapis ini. Pembentangan dan pemeriksaan plot Bode adalah aktiviti yang sesuai untuk masa perbincangan. Lukis satu set kapak Bode plot pada papan putih, dan kemudian mempunyai pelajar melukiskan plot Bode untuk setiap tindak balas penapis, seperti yang ditentukan dari penyelidikan mereka.

Soalan 22

Pilih nilai yang bersesuaian untuk litar penapis pasca tinggi Sallen-Key ini untuk memberikan frekuensi cutoff 7 kHz dengan tindak balas "Butterworth":

f -3dB = √2


2 πR C

Garis panduan yang baik untuk diikuti adalah memastikan tiada komponen impedans (Z R atau Z C ) pada frekuensi cutoff kurang daripada 1 kΩ atau lebih besar daripada 100 kΩ.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Ingat bahawa ini hanya satu set nilai komponen yang mungkin:

C = 3.3 nF
R = 9.744 kΩ
R / 2 = 4.872 kΩ

Soalan susulan: bagaimana anda mencadangkan kita memperoleh nilai rintangan yang tepat yang diperlukan untuk membina litar ini "nota tersembunyi"> Nota:

Bagi pelajar untuk menyelesaikan R, mereka mesti algebraa memanipulasi formula frekuensi cutoff. Tanya kepada mereka mengapa kita boleh memilih nilai standard untuk kapasitansi dan kemudian hitung nilai bukan standard untuk rintangan. Mengapa tidak sebaliknya (pertama pilih R, kemudian hitung C)?

Soalan 23

Pilih nilai yang bersesuaian untuk litar penapis rendah Sallen-Key ini untuk memberikan frekuensi cutoff 4.2 kHz dengan tindak balas "Butterworth":

f -3dB = 1


2 √2 πR C

Garis panduan yang baik untuk diikuti adalah memastikan tiada komponen impedans (Z R atau Z C ) pada frekuensi cutoff kurang daripada 1 kΩ atau lebih besar daripada 100 kΩ.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Ingat bahawa ini hanya satu set nilai komponen yang mungkin:

C = 0.0047 μF
2C = 0.0094 μF
R = 5.701 kΩ
2R = 11.402 kΩ

Soalan susulan: manakala 0.0047 μF adalah saiz kapasitor biasa, 0.0094 μF tidak. Terangkan bagaimana anda boleh mendapatkan nilai kapasiti yang diperlukan untuk membina litar ini.

Nota:

Bagi pelajar untuk menyelesaikan R, mereka mesti algebraa memanipulasi formula frekuensi cutoff. Tanya kepada mereka mengapa kita boleh memilih nilai standard untuk kapasitansi dan kemudian hitung nilai bukan standard untuk rintangan. Mengapa tidak sebaliknya (pertama pilih R, kemudian hitung C) "workscopepanel panel panel-default" itemscope>

Soalan 24

Rangkaian penapisan pasif yang popular yang dipanggil kembar twin sering digabungkan dengan penguat operasi untuk menghasilkan litar penapis aktif. Dua contoh ditunjukkan di sini:

Kenal pasti mana dari litar-litar ini adalah band-pass, dan yang merupakan perhentian band. Juga, kenali jenis tindak balas yang biasanya disediakan oleh rangkaian twin-tee sahaja, dan bagaimana tindak balas itu dieksploitasi untuk membuat dua jenis tindak balas penapis aktif.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Penuras pertama yang ditunjukkan adalah hentian band, sementara penapis kedua yang ditunjukkan adalah band-pass.

Nota:

Seperti semua litar penapis aktif yang lain, ciri asas setiap penapis boleh ditentukan oleh analisis kualitatif pada f = 0 dan f = ∞.

Konsep yang menarik di tempat kerja di sini adalah penyongsangan fungsi dengan penempatan di dalam gelung umpan balik dari litar opamp negatif-umpan balik. Apakah penapis hentanan band dengan sendirinya memaksa opamp menjadi band-pass jika diletakkan di dalam laluan isyarat umpan balik negatif. Bincangkan konsep yang sangat penting ini dengan pelajar anda, kerana ini paling pasti bukan satu-satunya aplikasi untuknya!

Soalan 25

Penyanyi yang ingin berlatih bernyanyi kepada muzik popular mendapati bahawa litar elektro vokal berikut berguna:

Litar bekerja pada prinsip bahawa trek vokal biasanya direkodkan melalui mikrofon tunggal di studio rakaman, dan dengan itu diwakili sama pada setiap saluran sistem bunyi stereo. Litar ini berkesan menghapuskan lagu lantang dari lagu itu, hanya meninggalkan muzik untuk didengar melalui fon kepala atau pembesar suara.

Penguat operasi U 1 dan U 2 memberikan penampan input supaya litar opamp lain tidak berlebihan memuat isyarat input saluran kiri dan kanan. Opamp U 3 melakukan fungsi penolakan yang diperlukan untuk menghilangkan trek vokal.

Anda mungkin berfikir bahawa tiga opamp ini akan mencukupi untuk membuat litar elektro vokal, tetapi ada satu lagi ciri yang diperlukan. Bukan sahaja trek vokal biasa untuk kedua-dua saluran kiri dan kanan, tetapi begitu juga kebanyakan nada (rendah-frekuensi) nada. Oleh itu, tiga opamp pertama (U1, U2, dan U3) menghapuskan kedua-dua isyarat suara dan bass daripada mendapatkan output, yang bukan apa yang kita mahu.

Terangkan bagaimana tiga opamp lain (U 4, U5, dan U6) berfungsi untuk memulihkan nada bass ke output supaya mereka tidak hilang bersama dengan lagu vokal.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Saya akan membiarkan anda memikirkan fungsi opamps U 4, U5, dan U6 sendiri!

Nota:

Bukan sahaja litar ini menggambarkan penggunaan rapi opamp, tetapi ia juga mempamerkan reka bentuk litar operasi modular, di mana setiap opamp (dan komponen pasif yang menyokongnya) melakukan satu tugas yang tepat.

Soalan 26

Ramalkan bagaimana operasi litar penapis aktif ini akan terjejas akibat daripada kerosakan berikut. Pertimbangkan setiap kesalahan secara berasingan (iaitu satu pada satu masa, tidak banyak kesalahan):

Resistor R 1 gagal dibuka:
Capacitor C 1 gagal dibuka:
Jambatan pateri (pendek) merentasi perintang R 1 :
Jambatan pateri (pendek) merentas kapasitor C 1 :
Resistor R 2 gagal dibuka:
Resistor R 3 gagal dibuka:

Untuk setiap syarat ini, terangkan mengapa kesan yang dihasilkan akan berlaku.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Resistor R 1 gagal terbuka: Litar penapis menghentikan penapisan, melepasi semua frekuensi.
Kapasitor C 1 gagal dibuka: Tiada output isyarat sama sekali dari litar.
Jambatan pateri (pendek) merentasi perintang R 1 : Tiada output isyarat sama sekali dari litar.
Jambatan pateri (pendek) merentasi kapasitor C 1 : Litar penapis berhenti penapisan, melepasi semua frekuensi.
Resistor R 2 gagal dibuka: Peningkatan voltan litar berkurangan kepada nilai 1 (0 dB).
Resistor R 3 gagal terbuka: Litar penapis menghasilkan gelombang persegi pada semua frekuensi.

Nota:

Tujuan soalan ini adalah untuk mendekati domain pemecahan litar dari perspektif mengetahui apa yang salah, bukan hanya mengetahui apa gejala. Walaupun ini tidak semestinya perspektif yang realistik, ia membantu pelajar membina pengetahuan asas yang diperlukan untuk mendiagnosis litar yang salah dari data empirikal. Soalan-soalan seperti ini harus diikuti (akhirnya) dengan soalan lain yang meminta pelajar mengenal pasti kemungkinan kesalahan berdasarkan pengukuran.

Soalan 27

Ramalkan bagaimana operasi litar penapis aktif ini akan terjejas akibat daripada kerosakan berikut. Pertimbangkan setiap kesalahan secara berasingan (iaitu satu pada satu masa, tidak banyak kesalahan):

Resistor R 1 gagal dibuka:
Capacitor C 1 gagal dibuka:
Jambatan pateri (pendek) merentasi perintang R 1 :
Jambatan pateri (pendek) merentas kapasitor C 1 :
Resistor R 2 gagal dibuka:
Resistor R 3 gagal dibuka:

Untuk setiap syarat ini, terangkan mengapa kesan yang dihasilkan akan berlaku.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Resistor R 1 gagal terbuka: Tiada output isyarat sama sekali dari litar.
Capacitor C 1 gagal dibuka: Litar penapis menghentikan penapisan, melepasi semua frekuensi.
Jambatan pateri (pendek) merentasi perintang R 1 : Litar penapis berhenti penapisan, melepasi semua frekuensi.
Jambatan pateri (pendek) merentasi kapasitor C 1 : Tiada output isyarat sama sekali dari litar.
Resistor R 2 gagal dibuka: Peningkatan voltan litar berkurangan kepada nilai 1 (0 dB).
Resistor R 3 gagal terbuka: Litar penapis menghasilkan gelombang persegi pada semua frekuensi.

Nota:

Tujuan soalan ini adalah untuk mendekati domain pemecahan litar dari perspektif mengetahui apa yang salah, bukan hanya mengetahui apa gejala. Walaupun ini tidak semestinya perspektif yang realistik, ia membantu pelajar membina pengetahuan asas yang diperlukan untuk mendiagnosis litar yang salah dari data empirikal. Soalan-soalan seperti ini harus diikuti (akhirnya) dengan soalan lain yang meminta pelajar mengenal pasti kemungkinan kesalahan berdasarkan pengukuran.

Soalan 28

Huraikan bagaimana operasi litar pembeza aktif ini akan terjejas akibat daripada kesilapan berikut. Pertimbangkan setiap kesalahan secara berasingan (iaitu satu pada satu masa, tidak banyak kesalahan):

Resistor R 1 gagal dibuka:
Capacitor C 1 gagal dibuka:
Jambatan pateri (pendek) merentasi perintang R 1 :
Jambatan pateri (pendek) merentas kapasitor C 1 :

Untuk setiap syarat ini, terangkan mengapa kesan yang dihasilkan akan berlaku.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Resistor R 1 gagal terbuka: Isyarat output sentiasa gelombang persegi.
Capacitor C 1 gagal dibuka: Tiada isyarat output sama sekali.
Jambatan pateri (pendek) merentasi perintang R 1 : Tiada isyarat output sama sekali.
Jambatan pateri (pendek) merentasi kapasitor C 1 : Isyarat output sentiasa gelombang persegi.

Nota:

Tujuan soalan ini adalah untuk mendekati domain pemecahan litar dari perspektif mengetahui apa yang salah, bukan hanya mengetahui apa gejala. Walaupun ini tidak semestinya perspektif yang realistik, ia membantu pelajar membina pengetahuan asas yang diperlukan untuk mendiagnosis litar yang salah dari data empirikal. Soalan-soalan seperti ini harus diikuti (akhirnya) dengan soalan lain yang meminta pelajar mengenal pasti kemungkinan kesalahan berdasarkan pengukuran.

Soalan 29

Ramalkan bagaimana operasi litar penapis aktif ini akan terjejas akibat daripada kerosakan berikut. Pertimbangkan setiap kesalahan secara berasingan (iaitu satu pada satu masa, tidak banyak kesalahan):

Resistor R 1 gagal dibuka:
Resistor R 2 gagal dibuka:
Capacitor C 1 gagal dibuka:
Jambatan pateri (pendek) merentasi perintang R 1 :
Jambatan pateri (pendek) merentasi perintang R 2 :
Jambatan pateri (pendek) merentas kapasitor C 1 :

Untuk setiap syarat ini, terangkan mengapa kesan yang dihasilkan akan berlaku.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Resistor R 1 gagal terbuka: Tiada isyarat output sama sekali.
Resistor R 2 gagal terbuka: Output saturates (baik positif atau negatif) apabila terdapat sebarang input voltan DC ke litar.
Capacitor C 1 gagal dibuka: Tiada tindakan penapisan sama sekali, hanya beroperasi sebagai penguat tetap-tetap.
Jambatan pateri (pendek) merentasi perintang R 1 : Isyarat output sentiasa gelombang persegi.
Jambatan pateri (pendek) merentasi perintang R 2 : Tiada isyarat output sama sekali.
Jambatan pateri (pendek) di kapasitor C 1 : Tiada isyarat output sama sekali.

Nota:

Tujuan soalan ini adalah untuk mendekati domain pemecahan litar dari perspektif mengetahui apa yang salah, bukan hanya mengetahui apa gejala. Walaupun ini tidak semestinya perspektif yang realistik, ia membantu pelajar membina pengetahuan asas yang diperlukan untuk mendiagnosis litar yang salah dari data empirikal. Soalan-soalan seperti ini harus diikuti (akhirnya) dengan soalan lain yang meminta pelajar mengenal pasti kemungkinan kesalahan berdasarkan pengukuran.

Soalan 30

Ramalkan bagaimana operasi litar penapis aktif ini akan terjejas akibat daripada kerosakan berikut. Pertimbangkan setiap kesalahan secara berasingan (iaitu satu pada satu masa, tidak banyak kesalahan):

Resistor R 1 gagal dibuka:
Resistor R 2 gagal dibuka:
Capacitor C 1 gagal dibuka:
Jambatan pateri (pendek) merentasi perintang R 1 :
Jambatan pateri (pendek) merentasi perintang R 2 :
Jambatan pateri (pendek) merentas kapasitor C 1 :

Untuk setiap syarat ini, terangkan mengapa kesan yang dihasilkan akan berlaku.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Resistor R 1 gagal terbuka: Tiada isyarat output sama sekali.
Resistor R 2 gagal terbuka: Isyarat output sentiasa gelombang persegi.
Capacitor C 1 gagal dibuka: Tiada isyarat output sama sekali.
Jambatan pateri (pendek) merentasi perintang R 1 : Isyarat output adalah gelombang persegi pada frekuensi tinggi (keuntungan frekuensi tinggi terlalu tinggi).
Jambatan pateri (pendek) merentasi perintang R 2 : Tiada isyarat output sama sekali.
Jambatan pateri (pendek) merentas kapasitor C 1 : Tiada tindakan penapisan sama sekali, hanya beroperasi sebagai penguat tetap-tetap.

Nota:

Tujuan soalan ini adalah untuk mendekati domain pemecahan litar dari perspektif mengetahui apa yang salah, bukan hanya mengetahui apa gejala. Walaupun ini tidak semestinya perspektif yang realistik, ia membantu pelajar membina pengetahuan asas yang diperlukan untuk mendiagnosis litar yang salah dari data empirikal. Soalan-soalan seperti ini harus diikuti (akhirnya) dengan soalan lain yang meminta pelajar mengenal pasti kemungkinan kesalahan berdasarkan pengukuran.

Soalan 31

Litar elektro vokal ini digunakan untuk bekerja dengan baik, tetapi pada suatu hari nampaknya kehilangan banyak bassnya. Ia masih melakukan tugasnya untuk menghilangkan lagu vokal, tetapi bukannya mendengar nada muzik penuh ia hanya menghasilkan semula frekuensi tinggi, manakala nada kekerapan rendah hilang:

Kenal pasti kemungkinan kesalahan berikut:

Satu kegagalan perintang (sama ada terbuka atau dipendekkan) yang boleh menyebabkan perkara ini berlaku:

Satu kegagalan kapasitor (sama ada terbuka atau pendek) yang boleh menyebabkan perkara ini berlaku:

Satu kegagalan opamp yang boleh menyebabkan perkara ini berlaku:

Untuk setiap kesilapan yang dicadangkan, terangkan kenapa nada bass akan hilang.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Sila ambil perhatian bahawa senarai berikut tidak lengkap. Iaitu, kesalahan komponen lain mungkin!

Satu kegagalan perintang (sama ada terbuka atau dipendekkan) yang boleh menyebabkan ini berlaku: R 8 gagal dibuka.

Satu kegagalan kapasitor (sama ada terbuka atau dipendekkan) yang boleh menyebabkan ini berlaku: C 2 gagal dipintas.

Satu kegagalan opamp yang boleh menyebabkan perkara ini berlaku: U 4 gagal.

Nota:

Tanyakan kepada pelajar anda untuk menjelaskan bagaimana mereka mengenal pasti kesalahan yang dicadangkan mereka, dan juga bagaimana mereka dapat mengenal pasti komponen yang masih harus berfungsi dengan baik.

Soalan 32

Litar elektro vokal ini digunakan untuk bekerja dengan baik, tetapi kemudian satu hari ia berhenti menghilangkan lagu vokal. Nada muzik terdengar agak berat pada bass, dan trek vokal berada di sana apabila ia tidak sepatutnya berada di sana:

Kenal pasti kemungkinan kesalahan berikut:

Satu kegagalan perintang (sama ada terbuka atau dipendekkan) yang boleh menyebabkan perkara ini berlaku:

Satu kegagalan opamp yang boleh menyebabkan perkara ini berlaku:

Untuk setiap kesilapan yang dicadangkan, terangkan kenapa nada bass akan hilang.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Sila ambil perhatian bahawa senarai berikut tidak lengkap. Iaitu, kesalahan komponen lain mungkin!

Satu kegagalan perintang (sama ada terbuka atau dipendekkan) yang boleh menyebabkan perkara ini berlaku: R 2 gagal dibuka.

Satu kegagalan opamp yang boleh menyebabkan perkara ini berlaku: U2 gagal.

Nota:

Tanyakan kepada pelajar anda untuk menjelaskan bagaimana mereka mengenal pasti kesalahan yang dicadangkan mereka, dan juga bagaimana mereka dapat mengenal pasti komponen yang masih harus berfungsi dengan baik.

  • ← Lembaran Kerja Sebelumnya

  • Indeks Lembaran Kerja

  • Lembaran kerja seterusnya →