Ανάλυση, σύνθεση και κατασκευή χαμηλοπέρατου φίλτρου υψηλής ακρίβειας και προδιαγραφών

Abstract

Μια από τις πλέον βασικές διαδικασίες στην επεξεργασία αναλογικού σήματος είναι το φιλτράρισμα (filtering), το οποίο έχει σαν σκοπό την αφαίρεση από το σήμα περιττών και ανεπιθύμητων πληροφοριών. Με την πάροδο των χρόνων, το φιλτράρισμα αποτέλεσε τον σημαντικότερη (αλλά όχι και την μοναδική) λειτουργία στον τομέα της επεξεργασίας σήματος, καθώς η αύξηση του όγκου των μεταδιδόμενων δεδομένων αύξησε και την ανάγκη για ασφαλέστερες και ποιοτικότερες μεταδόσεις. Ένα από τα σημαντικότερα είδη μηχανισμών που χρησιμοποιούνται για το φιλτράρισμα σημάτων αποτελούν τα χαμηλοδιαβατά φίλτρα (lowpass filters), δηλαδή φίλτρα τα οποία χρησιμεύουν για την αφαίρεση πληροφοριών η συχνότητα των οποίων υπερβαίνει ένα καθορισμένο όριο και την διατήρηση όλων των υπολοίπων. Η ανάλυση, η σύνθεση και η κατασκευή ενός τέτοιου χαμηλοδιαβατού φίλτρου υψηλής ακρίβειας και προδιαγραφών αποτελεί και το αντικείμενο της παρούσας πτυχιακής εργασίας. Περίληψη κεφαλαίων Στο 1ο κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη ανασκόπηση στην φύση του προβλήματος της ανάλυσης και της σύνθεσης ενός ηλεκτρικού κυκλώματος. Στην συνέχεια γίνεται αναφορά στον ορισμό της έννοιας των ηλεκτρικών φίλτρων, στους διάφορους τύπους φίλτρων που υπάρχουν (ανωδιαβατά, κατωδιαβατά κλπ.) και στα κριτήρια με τα οποία τους ξεχωρίζουμε. Στο 2ο κεφάλαιο αναλύεται το θεωρητικό και μαθηματικό υπόβαθρο, καθώς και οι ιδιότητες των κατωδιαβατών φίλτρων Chebyshev (τα οποία χρησιμοποιούνται στην παρούσα πτυχιακή εργασία) και περιγράφεται η διαδικασία υλοποίησής τους. Η διαδικασία αυτή περιλαμβάνει τον προσδιορισμό της συνάρτησης μεταφοράς του κυκλώματος και την καθ’αυτό υλοποίησή της, με βάση τα ενεργά κυκλώματα που αναλύθηκαν στο κεφάλαιο 1. Ειδικότερη μνεία γίνεται στον υπολογισμό των πόλων των φίλτρων Chebyshev καθώς και στις διαφορές τους από τα φίλτρα Butterworth. Στο 3ο κεφάλαιο παρατίθενται οι μαθηματικοί τύποι και σχέσεις που χρησιμοποιήθηκαν για την υλοποίηση του κατωδιαβατού φίλτρου της παρούσας πτυχιακής εργασίας, με βάση τις προδιαγραφές που έχουν τεθεί εξαρχής. Περιγράφεται βήμα προς βήμα η διαδικασία υπολογισμού της τάξης του φίλτρου, της συχνότητας ημίσειας ισχύος, των πόλων του φίλτρου Chebyshev που χρησιμοποιείται στο κύκλωμά μας, ενώ για την υλοποίηση της συνάρτησης μεταφοράς χρησιμοποιούνται τα κυκλώματα Sallen-Key(στρατηγική σχεδίασης 3) και γίνεται ρύθμιση του κέρδους του φίλτρου στις χαμηλές συχνότητες. Στο 4ο κεφάλαιο ξεφεύγουμε από το θεωρητικό και μαθηματικό υπόβαθρο των κατωδιαβατών φίλτρων, και περιγράφουμε τις λειτουργίες του λογισμικού Orcad-PSpice, το οποίο χρησιμοποιήθηκε για την σχεδίαση του ψηφιακού κυκλώματος της εργασίας. Ο λόγος για την χρησιμοποίηση του Orcad-PSpice ήταν ότι αποτελεί ένα ευρέως διαδεδομένο και διεθνώς αποδεκτό πρόγραμμα για την εξομοίωση της συμπεριφοράς των κυκλωμάτων σε επίπεδο μοντέλων. Η περιγραφή γίνεται με χρήση εικόνων που ελήφθησαν μέσα από το περιβάλλον του Orcad. Τέλος, στο 5ο κεφάλαιο περιγράφουμε (με εικόνες) το τελικό κύκλωμα που προέκυψε από τις διαδικασίες που αναλύθηκαν στο κεφάλαιο 3. Παράλληλα, παρατίθενται τα αποτελέσματα των πειραμάτων που έλαβαν χώρα στα πλαίσια της παρούσας πτυχιακής, και στα οποία ελέγχθηκε η αξιοπιστία του κυκλώματος που σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε.