Sistemas Electrónicos y Automáticos

Transcripción

1 Sistemas Electrónics y Autmátics PRÁCTICA 1 CARACTERIZACIÓ DE FILTROS RC 1. OBJETIVO DE LA PRÁCTICA. El bjetiv de la práctica es bservar las características de funcinamient de diferentes cmbinacines de cmpnentes eléctrics (resistencias y cndensadres) en función de la frecuencia de la señal eléctrica que se haga circular pr ells. Se pueden cnseguir cmbinacines de cmpnentes que sól dejan pasar las frecuencias altas (filtrs pas de alta), las frecuencias bajas (filtrs pas de baja) un interval de frecuencias en trn a una frecuencia central (filtrs pas de banda). Se utilizará para ell el simuladr PSPICE incluid en la herramienta de diseñ electrónic ORCAD 9.2. En el primer apartad de la práctica se da una breve intrducción teórica a filtrs RC y tras est se pasa a la realización de la práctica en sí. En ella se estudiará, usand la herramienta de simulación PSPICE, el cmprtamient en el dmini de la frecuencia (análisis AC) y en el dmini del tiemp de ls circuits prpuests en la intrducción teórica. Finalmente, se prpne un prblema para que ls alumns demuestren ls cncimients aprendids en esta práctica. 2. I TRODUCCIÓ TEÓRICA. Se denmina filtr electrónic a un circuit que permite el pas de una determinada frecuencia banda de frecuencias de una señal eléctrica que pasa a través de él, pudiend mdificar tant su amplitud cm su fase Filtr pas de baja. El esquema de la figura 1 representa un circuit RC en cnfiguración de filtr pas de baja (Lw Pass Filter). Si se estudia el cmprtamient de este circuit en el dmini de la frecuencia, se puede cmprbar que slamente permite el pas de frecuencias pr debaj de una frecuencia particular llamada frecuencia de crte (f c ) y elimina las frecuencias pr encima de ella. R=100K Vsin C=100p 0 Figura 1. La frecuencia de crte de dich filtr vendrá dada pr la siguiente expresión: 1

2 1 f c = 2πRC Dnde f c es la frecuencia de crte en Hertzis (Hz), R es la resistencia en Ohmis (Ω) y C es la capacidad en Faradis (F). Gráficamente, pdems hallar la frecuencia de crte de un filtr, también llamada frecuencia de 3dB, cm aquella frecuencia a la que la amplitud de la señal de salida es el 70.7% de la amplitud de la señal de entrada bien cm aquella frecuencia a la que la ganancia del filtr cae 3 db Filtr pas de alta. El esquema de un circuit RC en cnfiguración de filtr pas de alta (High Pass Filter) está presente en la figura 2. Al cntrari de l que curría en el cas descrit anterirmente, si estudiams el cmprtamient de este circuit en el dmini de la frecuencia, pdrems cmprbar que slamente permite el pas de frecuencias pr encima de la frecuencia de crte (f c ) y elimina las frecuencias pr debaj de ella. La frecuencia de crte para este tip de filtrs cincide cn la prprcinada para el cas anterir. Figura Filtr pas de banda. Si cnectams junts un filtr pas de baja y un filtr pas de alta btenems l que se denmina filtr pas de banda (figura 3). Figura 3. 2

3 Este tip de filtrs sól deja pasar un rang de frecuencia delimitada pr ds frecuencias de crte: -f c1 : frecuencia de crte del filtr pas de alta (frecuencia de crte inferir) -f c2 : frecuencia de crte del filtr pas de baja (frecuencia de crte superir) Si se mdifican estas frecuencias de crte, se mdifica el rang de frecuencias que es capaz de pasar el filtr. 3. REALIZACIÓ PRÁCTICA Cmprtamient en frecuencia de ls filtrs RC. Nuestr bjetiv será caracterizar la respuesta en frecuencia de ls tres tips de filtrs vists anterirmente. Para ell utilizarems, cm ya mencinams anterirmente, la herramienta de simulación de circuits PSPICE incluida en la herramienta de diseñ electrónic ORCAD Esquemátic del circuit. Lanzams el entrn de diseñ de ORCAD: Escritri -> Capture CIS y aparece la ventana OrCAD Capture dnde se va a trabajar. Se crea un nuev pryect: OrCAD Capture -> File -> New -> Prject Aparece la ventana New Prject dnde tenems que pner nmbre al pryect, elegir el tip de pryect a crear e indicar dnde se guardará el pryect: Name: prac1 Create a New Prject Using: Analg r Mixed-A/D Lcatin: c:\alumns\prac1 Create a blank prject OK Mntams ls esquemátics de ls circuits que vams simular (filtr pas de baja, filtr pas de alta y filtr pas de banda). Se añaden cmpnentes cn: Place -> Part -> seleccinar el cmpnente Mdificams las prpiedades de dichs cmpnentes acrde a ls valres que aparecen en las figuras 1, 2 y 3. Para mdificar las prpiedades de un cmpnente clcad en el esquema es suficiente cn hacer dble clic cn el ratón ( clic cn el btón derech del ratón y seleccinar Edit Prperties) sbre el cmpnente y rellenar la hja de características que se abre. Para mdificar la psición de un cmpnente se seleccina cn el ratón y: Edit -> Rtate Mirrr (también se puede cn el btón derech Ctrl + R)) 3

4 Para realizar las cnexines entre cmpnentes: Place -> Wire La fuente senidal presente en ls esquemátics anterires es un cmpnente llamad VSI de la librería SOURCE, y se caracterizará cn ls siguientes valres: AC= 1V, FREQ = 500k (frecuencia); VAMPL = 200m (amplitud para el análisis transitri) y VOFF = 0 (valr de cntinua). Ls cmpnentes pasivs, capacidades y resistencias, pdems encntrarls en la librería ANALOG. Cm símbl de tierra debe utilizarse un que se llame 0 (el nd de tierra siempre debe tener nmbre 0 en PSPICE): Place -> Grund -> seleccinar la librería SOURCE -> seleccinar el símbl 0 Es recmendable añadir etiquetas a ls nds del circuit cuyas tensines querams visualizar después: Place -> Net Alias -> escribir la etiqueta deseada, pulsar OK y clcarla cn el ratón en un cable. Una vez finalizad el esquema se guardará. Si se ha cmetid algún errr de tip eléctric (cables sin cnectar, ausencia de nd de tierra,...) éste se mstrará cuand realicems la simulación Análisis AC. Este tip de análisis ns permite hallar la respuesta en frecuencia de nuestrs circuits. El resultad es una representación en función de la frecuencia. Para ell necesitams definir l que se denmina un perfil de simulación. Un perfil de simulación define el tip de simulación ( análisis) a realizar (AC, transitri,...), ls rangs de las variables a simular (rang de frecuencia, de tiemp,...) y trs parámetrs que afectan a la exactitud y cnvergencia. Para crear un perfil: PSpice -> New Simulatin Prfile -> pnerle el nmbre que deseems Aparece la ventana Simulatin Settings dnde pdems mdificar ls parámetrs de simulación. Aunque PSPICE tiene muchs parámetrs de simulación, para cass sencills sól es necesari tener en cuenta uns pcs de ls que aparecen en la pestaña Analysis. Definams, pues, el análisis AC: PSpice -> Edit Simulatin Prfile -> Analysis -> Analysis type: AC Sweep / Nise AC Sweep type: Lgarítmic y pr décadas Start Frequency: 10 End Frequency: 10meg (m indica mili y meg indica Mega en PSPICE) Pints/Decade: 50 Una vez definid el tip de análisis, hay que simular el circuit y aparece la ventana de ndas que permite visualizar ls resultads gráficamente. Ventana de ndas -> Trace -> Add Trace -> Escribir v(2)/v(1) 4

5 Representar esa misma ganancia en decibelis. Para ell se puede usar la función db: Ventana de ndas -> Trace -> Add Trace -> Escribir db(v(2)/v(1)) Calcular teórica y analíticamente el valr de las frecuencias de crte de ls distints filtrs que has implementad (adjunta la gráfica de las distintas respuestas en frecuencia) Cmprtamient en el dmini del tiemp de ls filtrs RC. Se utiliza para btener el cmprtamient del circuit en función del tiemp. Para ell prcedems cm sigue: PSpice -> Edit Simulatin Prfile -> Analysis -> Analysis type: Time Dmain (Transient) Run t time: 20u (simular hasta 20µs) Ls demás parámetrs se pueden dejar tal cm están. Lanzams la simulación y seleccinams las ndas que querams visualizar perand cm hicims en el cas anterir. También pdems visualizar de frma directa las ndas que querams visualizar del circuit, si en el esquemátic en lugar de etiquetar ls nds, clcams marcas de tensión: Pspice -> Markers -> Vltage Level También es psible lanzar la ventana de ndas desde el esquema, una vez simulad, mediante: PSpice -> View Simulatin Results Dentr de la ventana de ndas es psible pner y quitar señales Ventana de ndas -> Trace -> Add Trace/ Delete Trace/... En la ventana de ndas es psible utilizar ds cursres para medir cn precisión: Ventana de ndas -> Trace -> Cursr -> Display Un cursr se mueve pulsand el btón derech del ratón y el tr pulsand el izquierd. Se puede cambiar de nda pulsand cn el ratón en el símbl de la nda de la leyenda en la parte inferir de la ventana de ndas. En el cas del filtr pas de baja, realizar un análisis transitri cn una fuente VSIN y representar la tensión de salida para frecuencias de la señal de entrada de 100KHz y 10MHz. En el cas del filtr pas de alta, realizar un análisis transitri cn una fuente VSIN y representar la tensión de salida para frecuencias de la señal de entrada de 100Hz y 100kHz. En el cas del filtr pas de banda, realizar un análisis transitri cn una fuente VSIN y representar la tensión de salida para frecuencias de la señal de entrada de 100Hz y 800kHz. Explica las cnclusines que btienes tras ls análisis realizads. 5

6 PROBLEMA Se desea diseñar un filtr pas de banda para una aplicación de WLAN (wireless lcal area netwrk) cn una frecuencia central de 20 MHz. Se pide: Calcular ls valres de R 1, C 1, R 2 y C 2 para que cumpla las especificacines. Respuesta en frecuencia del filtr. Adjunta la gráfica crrespndiente. Especifica la frecuencia de un tn que pase el filtr. Haz un análisis transitri y verifícal. Adjunta una gráfica dnde aparezca la entrada y la salida del filtr. Especifica la frecuencia de un tn que n pase el filtr, es decir, que sea atenuad pr él. Haz un análisis transitri y verifícal. Adjunta una gráfica dnde aparezca la entrada y la salida del filtr. 6