Исследование фильтров и в среде Proteus

Цель работы
Изучить инструментарий для исследования электрических схем. Научиться строить АЧХ и спектр сигнала.

Типы фильтров
Фильтр высоких частот — ослабляет (обычно значительно) амплитуды гармонических составляющих сигнала выше частоты среза.
Фильтр низких частот — ослабляет (обычно значительно) амплитуды гармонических составляющих сигнала ниже частоты среза.
Полосовой фильтр — ослабляет (обычно значительно) амплитуды гармонических составляющих сигнала выше и ниже некоторой полосы.
Режекторный фильтр — ослабляет (обычно значительно) амплитуды гармонических составляющих сигнала в определённой ограниченной полосе частот.

Фильтр верхних частот (ФВЧ)

Фильтр нижних частот (ФНЧ)

Полосовой фильтр (ПФ)

Полосно-заграждающий фильтр (режекторный фильтр)
(ПЗФ)

Как построить АЧХ фильтра
Для примера возьмем RC-фильтр верхних частот, настроенный на частоту 318 Гц. Для этого необходимо рассчитать номиналы.
f_0 = 318 Гц;
R = 500 Ом;
C = 1 мкФ.
Соберем данную схему в ISIS.
На вход подаем источник гармонического сигнала.
На выход устанавливаем Voltage Probe

Как построить АЧХ фильтра
Теперь необходимо выбрать FREQUENCY из Graph mode и разместить данный график на свободном месте. Для этого после выбора нажмите ЛКМ на месте где будет верхний левый угол, переместите курсор в то место где будет нижний правый угол и снова нажмите ПКМ. Получим такой вот график.
Перейдем к настройке.

Как построить АЧХ фильтра
Нажмите ПКМ на графике и выберите Add traces.
В появившемся выберите PROBE 1 – R1(2)
Нажмите OK. График немного изменится.

Как построить АЧХ фильтра
Теперь нажмите двойным щелчком ЛКМ по графику. В появившемся окне необходимо настроить следующим образом. Мы выбрали источник сигнала.
Нажимаем OK. Теперь запускаем расчет. Для этого нажмите ПКМ на графике и выберите Simulate Graph:

Спектр сигнала
Теперь более продвинутая ботва. Научимся строить спектры сигналов. Для этого нужно будет изучить сразу несколько фишек. Во-первых научимся вгружать звуковые файлы в Proteus, во-вторых построим спектры исходного сигнала и фильтрованного.
Я не знаю, что там сейчас модно у молодежи, так что портить мы кусок мною записанной песни, чтоб не воровать чужую музыку.
Отрывок этой песни находится в папке лабораторной работы.
Следует отметить, что Proteus способен схавать только файлы формата wav, так что если дома захотите добиться с помощью Proteus нормального звучания какой-нибудь условной Гречки – вам необходимо найти конвертер с mp3 в wav (https://www.online-convert.com/ru/result/6cbe1851-3c8e-457a-8cea-0e893dd2a067 - тут в принципе все неплохо работает)

Спектр сигнала
Теперь добавляем источник сигнала AUDIO, заходим к нему в настройки и настраиваем, как на скриншоте: в первой строке – путь до файла (можно нажать Browse и в диалоге его выбрать) Остальное пока не меняем.
Теперь найдите в библиотеке Speaker, добавьте на рабочее поле и соберите по схеме ниже.

Спектр сигнала
Если есть проводные наушники со штекером 3.5 – можете воткнуть их в комп, настроить громкость, включить симуляцию и музон послушать (лучше не слушать, честное слово).
Теперь давайте соберем схему, состоящую из регулятора громкости и фильтра высоких частот.
IN и OUT – это Voltage Probe. Можете запустить и ничего не произойдет. В онлайн режиме Proteus со звуком работает не очень хорошо.

Спектр сигнала
Теперь добавим графиков. Нам понадобится Analogue, Fourier и Audio. Добавьте все 4 и далее мы их настроим.
(На картинке уже спойлер с результатами моделирования)

Спектр сигнала
Настройки для аналогового режима ?
Добавляем оба пробника в Trace (и IN и OUT)
Настройки для преобразования Фурье ?
Добавляем оба пробника в Trace (и IN и OUT)

Спектр сигнала
Настройки для аудио режима ?
В Trace добавляем выходной пробник.
Все, можно просимулировать отдельно каждый режим и получить картинки как на 15-м слайде. Если не вышло – зовите преподавателя.
Давайте теперь проанализируем что у нас тут получилось

Спектр сигнала
На первом графике мы видим зеленых исходный сигнал и красный результирующий – после фильтра амплитуда в целом просела
На втором графике мы видим работу фильтра низких частот, хорошо видно что, высокие частоты выше 1 кГц значительно просели (а теперь посчитайте частоту среза нашего фильтра на схеме)

Спектр сигнала
Если мы запустим симуляцию аудио-режима то проиграется 2 с фрагмент трека который мы загрузили. Для чистоты эксперимента можете сделать еще один аудио график и в Trace добавить уже пробник IN. Явно слышно, как звук стал намного глуше. Это означает что наш фильтр работает.

Задание
Построить все пассивные фильтры с частотами среза по вариантам.
1 вариант: 500 Гц
2 вариант: 1 кГц
3 вариант: 5 кГц
4 вариант: 10 кГц
Построить их АЧХ, схемы и графики занести в протокол.
Подать на вход фильтра звуковой файл (любой, можно предложенный), построить на одном графике входной и выходной сигнал и спектр по фурье входного и выходного сигнала на одном графике.

Активные фильтры

Задание
Построить все активные фильтры с частотами среза по вариантам.
1 вариант: 500 Гц
2 вариант: 1 кГц
3 вариант: 5 кГц
4 вариант: 10 кГц
Построить их АЧХ, схемы и графики занести в протокол.
Подать на вход фильтра звуковой файл (любой, можно предложенный), построить на одном графике входной и выходной сигнал и спектр по фурье входного и выходного сигнала на одном графике.
Треугольник – это операционный усилитель (OPAMP компонент).