DEPARTAMENTO DE TEORÍA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES ANÁLISIS Y SÍNTESIS DE CIRCUITOS PRÁCTICA 3: Diseño de Filtros Activos

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1 DEPARTAMENTO DE TEORÍA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES ANÁLISIS Y SÍNTESIS DE CIRCUITOS PRÁCTICA 3: Diseño de Filtros Activos Curso

2 ÍNDICE 1. Objetivos Herramientas Desarrollo y cuestiones Memoria 3

3 Práctica 2: Diseño de filtros. Aproximación 2 1. Objetivos. Esta práctica tiene por objeto diseñar un filtro de orden N en cascada, usando algunos de los circuitos de primer y segundo orden estudiados. Además se simulará para conocer el comportamiento real de los componentes utilizados en el diseño y ver los efectos que sobre el comportamiento de los filtros tienen las distintas variaciones de los componentes. 2. Herramientas. Para el desarrollo de esta práctica necesitaremos únicamente el programa de simulación de circuitos PSPICE. La versión que se va a utilizar es la PSPICE 9.1 (Versión de estudiante) que incluye las mismas herramientas que la versión profesional pero con algunas limitaciones en cuanto al tipo y el número de librerías que se pueden utilizar y, sobre todo, respecto al tamaño de los circuitos a simular. En la página web de la asignatura se pueden encontrar tanto el programa de instalación como algún manual de utilización. En el diseño de los circuitos se puede utilizar MATLAB para los cálculos de la función de transferencia y así como obtener los valores de los componentes de los circuitos partiendo de dicha función. Sin embargo, como guía para el diseño también se pueden utilizar herramientas de diseño de filtros. En la página de la asignatura se puede encontrar el programa Filter Wiz Pro que permite el diseño de filtros activos. Este programa realiza todos los cálculos partiendo de las especificaciones de diseño y obtiene los valores de los componentes además de realizar un análisis de la sensibilidad. Sin embargo la versión que se encuentra en la página es de demostración y no calculará los valores de los componentes. Éstos deben ser calculados a mano siguiendo lo estudiado en teoría. El operacional que se ha de utilizar en las simulaciones es el UA Desarrollo y cuestiones. 1. Calcular el orden de un filtro paso alto con rizado constante en la banda de paso y con atenuación monótona creciente en la banda eliminada que cumpla las siguientes condiciones: a) Frecuencia de corte en la banda de paso f p =2 khz b) Frecuencia de corte en la banda eliminada f a = 1 khz. c) Rizado máximo en la banda de paso α p = 3 db. d) Atenuación mínima en la banda atenuada α a = 30 db. 2. Calcular la función de transferencia de dicho filtro y dividirla en secciones de primer y segundo orden, realizables mediante los circuitos estudiados en teoría. Se puede realizar directamente o bien utilizando Matlab (función tf2sos y todas las relacionadas). Representar con Matlab las respuestas en amplitud de cada sección y de todas las secciones juntas.

4 Práctica 2: Diseño de filtros. Aproximación 3 3. Diseñar los circuitos necesarios teniendo en cuenta las siguientes restricciones: a) La sección bicuadrátrica de mayor Q se realizará con un operacional e invertirá la señal. b) La sección de segundo orden de menor Q se realizará con un único operacional. c) El filtro total será inversor y no debe tener ni ganancia ni atenuación a frecuencias altas. d) Los operacionales serán del tipo ua741 (disponibles en las librerías de Pspice), todos los condensadores serán de valor C=10 nf y las resistencias de cualquier valor. La alimentación será de 15 V. 4. Sobre el circuito resultante se realizarán las siguientes medidas usando la simulación PSPICE: a) Haciendo un barrido entre 100 Hz y 100 Khz con 1001 puntos y en décadas, comprobar la función de transferencia de cada sección por separado y juntas en un mismo circuito. Visualizar los resultados usando el eje de frecuencias logarítmico. Comprobar el comportamiento con las gráficas obtenidas en el apartado 2. Comprobar si cumple la plantilla inicial, frecuencias de corte y atenuaciones máxima en la banda de paso y mínima en la banda atenuada. b) Realizar un barrido de 100 Hz a 10 Mhz con 1001 puntos y décadas. Comentar el resultado e indicar a qué puede ser debido. c) Sustituir los valores de las resistencias calculados por otros de valores estándar de la serie de resistencias de tolerancia 1%. Realizar la simulación del apartado a). Qué efectos se producen sobre la frecuencia de corte y el factor de calidad?. d) Realizar un análisis Montecarlo con PSPICE. Para ello hemos de poner el valor de tolerancia en resistencias (1%) y en condensadores (5%). En el PSPICE es necesario poner expresamente el símbolo % en el valor de las tolerancias. Realizar el análisis con 10 simulaciones. Visualizar los resultados del análisis del apartado a) y comentar y explicar los resultados. e) Realizar un análisis de caso peor (Worst Case) en las mismas condiciones que antes. Comentar los resultados relacionándolos con los vistos en el apartado anterior. 5. Hacer los cambios que considere oportuno en el circuito completo para que la frecuencia de corte en la banda de paso sea de 20 Khz y la frecuencia de corte en la banda eliminada sea de 10 Khz. Realizar la simulación del circuito completo mediante un barrido de 100 Hz a 10 Mhz con 1001 puntos de resolución. Comentar el resultado obtenido (comprobar también la adecuación del filtro a la plantilla) e indicar las posibles causas de este efecto. 4. Memoria La memoria de esta práctica explicará paso a paso el diseño del circuito que responda a las características de filtrado enunciadas. Además se incluirán en ella las

5 Práctica 2: Diseño de filtros. Aproximación 4 respuestas pedidas en el desarrollo de la práctica así como las gráficas que resulten de los barridos. Así mismo se comentará el porqué de las soluciones adoptadas para la resolución del circuito y los problemas encontrados. Los cálculos podrán ser realizados a mano o bien con ayuda de Matlab. Igualmente se puede utilizar el programa de diseño FilterWizPro para comprobar las soluciones tomadas. Se entregará en el disco adjunto a la memoria, los diseños de los circuitos realizados, sin incluir las simulaciones.