Detail předmětu

Elektronické filtry

FEKT-BPC-ELFAk. rok: 2021/2022

Analogové filtry jsou stále nedílnou součástí všech složitějších elektronických zařízení. Jejich analýza a proces návrhu tak patří mezi základní, aplikačně zaměřené, dovednosti bakalářů. V předmětu jsou vyučovány pasivní a aktivní filtrační struktury s tradičními i nekonvenčními funkčními bloky (syntetické induktory, prvky známé jako FDNR, superinduktory), filtry využívající speciální fyzikální principy (SAW, krystalové filtry) a filtry založené na spínaných dějích (spínané kapacitory). Z hlediska praktické použitelnosti se jedná o setrvačné elektronické systémy zpracovávající v reálném čase spojité signály o kmitočtech do zhruba 100MHz. V počítačových cvičeních je řešena problematika analýzy a syntézy typických zapojení filtrů pomocí dostupných programů (Orcad Pspice, Snap, NAF, Matlab, Mathcad) včetně optimalizace návrhu filtru z různých hledisek.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

5

Garant předmětu

doc. Ing. Jiří Petržela, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav radioelektroniky (UREL)

Výsledky učení předmětu

Absolvent předmětu:
1. rozumí základním vlastnostem elektrických filtrů a principu filtrace v časové i kmitočtové oblasti
2. umí interpretovat libovolnou přenosovou funkci a odvodit příslušné kmitočtové charakteristiky
3. je schopen navrhnout pasivní i aktivní filtr pro danou aplikaci včetně výpočtu numerických hodnot všech součástek
4. popsat funkci krystalových a SAW filtrů i struktur se spínanými kapacitory
5. kompletně analyzovat a navrhovat filtrační obvod na počítači, případně prakticky změřit jeho kmitočtové charakteristiky

Prerekvizity

Jsou požadovány středoškolské znalosti matematiky (operace se zlomky, řešení soustavy lineárních rovnic, algebraické úpravy rovnic, Laplaceova transformace) a elektroniky (princip pasivních a základních aktivních součástek), sestavení diferenciálních rovnic jednoduchého obvodu rovněž patří mezi požadované schopnosti.
Práce v laboratoři je podmíněna platnou kvalifikací „pracovníka poučeného“ dle Vyhl. 50/1978 Sb., kterou musí studenti získat před zahájením výuky. Informace k této kvalifikaci jsou uvedeny ve Směrnici děkana Seznámení studentů s bezpečnostními předpisy.

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Metody vyučování zahrnují přednášky, cvičení na počítači a laboratoře. Předmět využívá e-learning (Moodle), kde studenti naleznou veškeré studijní materiály.

Způsob a kritéria hodnocení

Počítačová cvičení během semestru (18 bodů), laboratorní měření (18 bodů), písemná závěrečná zkouška (64 bodů).

Osnovy výuky

1. Základy časově spojité filtrace, typy kmitočtových filtrů a jejich základní parametry.
2. Přenosové funkce bilineárních filtračních obvodů.
3. Přenosové funkce bikvadratických filtrů.
4. Pasivní filtry RC a RLC.
5. Návrh pasivních příčkových filtrů podle tolerančního pole.
6. Aktivní prvky používané ve filtračních obvodech, základní struktury aktivních filtrů.
7. Gm-C topologie filtrů, multifunkční filtry.
8. Elektronicky rekonfigurovatelné filtry, teorie a praxe.
9. Všepropustné fázovací články, vlastnosti a různá zapojení.
10. Filtry pro audio aplikace, ekvalizéry a filtry necelistvého matematického řádu.
11. Imitanční konvertory a invertory, syntetické funkční bloky, příklady použití.
12. Filtry se spínanými kapacitory, vlastnosti a praktické využití.
13. Krystalové filtry, SAW filtry a electromechanické koncepce.

Učební cíle

Cílem předmětu je seznámit studenty s problematikou filtrace spojitých signálů a návrhu pasivních i aktivních analogových filtrů pro praktické aplikace v kmitočtových pásmech do 100 MHz.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění stanoví každoročně aktualizovaná vyhláška garanta předmětu.

Základní literatura

T. DOSTÁL: Elektrické filtry - počítačová cvičení. Elektronická skripta. UREL, 2004. (CS)

Doporučená literatura

K. HÁJEK, J. SADLÁČEK: Kmitočtové filtry. BEN, 2002, 536 stran. ISBN: 80-7300-023-7. (CS)

Elearning

eLearning: aktuální otevřený kurz

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program BPC-AMT bakalářský 0 ročník, letní semestr, volitelný

  • Program BPC-AUD bakalářský

    specializace AUDB-TECH , 2 ročník, letní semestr, povinně volitelný

  • Program BPC-EKT bakalářský 2 ročník, letní semestr, povinně volitelný
  • Program BPC-IBE bakalářský 0 ročník, letní semestr, volitelný
  • Program BPC-MET bakalářský 3 ročník, letní semestr, povinně volitelný
  • Program BPC-SEE bakalářský 0 ročník, letní semestr, volitelný
  • Program BPC-TLI bakalářský 3 ročník, letní semestr, povinně volitelný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Jiří Petržela, Ph.D.

Osnova

1. Princip, účel, typy, vlastnosti a parametry EF.
2. RLC filtry druhého řádu. Pasivní filtry RC.
3. RLC filtry vyšších řádů a prostředky k jejich návrhu.
4. Aktivní prvky a funkční bloky ve filtrech a jejich modelování.
5. Základní bikvady (DP, HP, PP) s jedním operačním zesilovačem.
6. Filtry s více aktivními prvky.
7. Eliptické ARC bikvady a pásmové ARC zádrže.
8. Návrh filtrů ARC vyšších řádů, kaskádní syntéza.
9. Filtry s funkčními bloky a syntetickými prvky.
10. Fázovací (všepropustné) dvojbrany a korektory.
11. Elektrické filtrační obvody se spínanými kapacitory.
12. Elektromechanické, piezoelektrické a EF s povrchovou vlnou.
13. Optimalizace navrženého filtru. Přelaďování a nastavování parametrů filtrů.

Cvičení na počítači

13 hod., povinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Jiří Petržela, Ph.D.

Osnova

1. Jednoduché pasivní filtry RC a RLC.
2. Návrh pasivních filtrů RLC vyšších řádů. Program NAF.
3. Analýza vybraného typu aktivního filtru.
4. Optimalizace navrženého filtru.
5. Porovnání citlivostí aktivních a pasivních filtrů.
6. Hierarchické modelování aktivní prvků a funkčních bloků.
7. Bikvady s jedním a více aktivními prvky. Studium parazitních jevů na vf.
8. Přelaďování a nastavování parametrů aktivních filtrů, zvyšování Q.

Laboratorní cvičení

13 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Miroslav Rujzl

Osnova

1. Pasivní příčkové články druhého a třtího řádu.
2. Pasivní RLC příčkové filtrační struktury vyšších řádů.
3. Aktivní dolní propust Sallen-Key with operational amplifier.
4. Syntetické prvky ve filtračních aplikacích s nezávislým nastavováním parametrů.
5. Kerwin-Huelsman-Newcomb filtr s transadmitančními zesilovači.
6. Univerzální filtr čtvrtého řádu vícesmyčkové integrátorové struktury.
7. Bikvadratický filtr v proudovém režimu.
8. Obvody se spínanými kapacitory - univerzální integrovaný SC filtr.

Elearning

eLearning: aktuální otevřený kurz