02. Filtrado Analógico y Digital

Sistemas de Adquisición y Procesamiento de Señales (2008)
Electrónica IV (1993)
Trabajo Práctico Nº 3
Filtrado Analógico
Objetivos:
Mediante la realización de este trabajo práctico se pretende que el alumno logre:
o Ejercitar los conceptos, métodos y estrategias relacionados a la realización, mediante circuitos electrónicos
activos, de funciones de aproximaciones Butterworth y Chebyshev.
o Reestrenarse en el uso de lenguaje interpretado (Matlab).
o Reestrenarse en el uso de programas de simulación de circuitos electrónicos.
o Reestrenarse en el manejo de instrumentos de mediciones electrónicas y montaje de circuitos.
Materiales necesarios:
Provistos por la cátedra
o
o
o
o
o
Osciloscopio
Fuentes de alimentación
Generador de señales
Pc con matlab y software de simulación electrónica.
Generador de señales específicas (microcontrolado).
o
Componentes electrónicos varios (amplificadores operacionales, resistencias, capacitores, cables,
etc.)
Protoboard
Provisto por el grupo de alumnos
o
Condiciones de trabajo y aprobación:
A realizarse en grupos de 3 personas.
o Respetar la preinscripción a comisiones de TP
o Entrega de informe de resultados en formato PDF y ejecutables de Matlab y Multisim, en un archivo
comprimido respetando el siguiente nombre de archivo: TP[número]-[Apellido1]-[Apellido2][Apellido3].rar. (en el Campus Virtual de la cátedra).
o Fecha de entrega límite por el Campus: Lunes 19/10
o Fecha de evaluación oral: viernes 23/10 en las respectivas comisiones.
o Se dará por aprobado el trabajo práctico a aquellos grupos que obtengan evaluación satisfactoria en
el 70% de los puntos a desarrollar. Durante el TP se evaluará el desempeño grupal, desempeño en
laboratorio, presentación de informe, resolución de consignas, y se calificará particularmente el análisis
y conclusiones generadas a partir de discusiones en el grupo.
Introducción:
En el TP N° 1, se estudió un ejemplo asociado a la Modulación de Amplitud (AM) y se observó que señales con
información en baja frecuencia, mediante AM, son remapeadas en frecuencias que son lo suficientemente altas
para radiarse de manera eficiente por una antena EMISORA y propagarse por el espacio libre.Para recuperar
esta información en la salida de un RECEPTOR de AM, es necesario DEMODULAR la señal de AM. Existen
diversas estrategias para DEMODULAR las señales de AM, una de ellas se basa en un circuito detector de
envolvente y un filtro Pasa Banda(PBnd) sintonizado a la frecuencia de la información en baja frecuencia
según se muestra en la figura1.
Para una óptima recuperación de la señal modulante en la etapa de recepción es indispensable un correcto
diseño e implementación de las etapas involucradas. En el presente Trabajo Práctico se plantea realizar el
diseño e implementación del FILTRO PASA BANDA.
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Figura. 1: Diagrama de bloques Emisor Receptor
Consignas del Trabajo Práctico:
Como parte de la instrumentación del sistema de recepción y demodulación de la señal transmitida se desea
implementar electrónicamente un circuito que realice la función de transferencia
𝑎.𝑠2
𝐻(𝑠)𝑃𝐵 = 𝑠4 +𝑏.𝑠3 +𝑐.𝑠2 +𝑑.𝑠+𝑒 correspondiente al filtro PBnd, donde el tipo de aproximación(Butterworth o
Chevyshev), la frecuencia central (ω0) y el ancho de banda (BW) serán asignados oportunamente a cada grupo.
Las siguientes consignas deberán ser desarrolladas y presentadas en forma grupal:
a) Proponer una función 𝐻(𝑠)𝑃𝐵𝑛𝑑 que cumpla con las especificaciones presentadas
b) Presentar en forma gráfica (empleando MATLAB)los diagramas de magnitud y fase de 𝐻(𝑠)𝑃𝐵𝑛𝑑 .
Empleando las gráficas presentadas explique la forma en la cual puede usar el diagrama de fase para
verificar que se trata de un filtro pasa-banda. (complete los campos que se describen en la Tabla 2
Simulación Matemática)
c) Presentar en forma gráfica (empleando MATLAB) los polos y ceros de 𝐻(𝑠)𝑃𝐵𝑛𝑑 en el planos. A partir
del diagrama justifique porqué el sistema puede ser estable/inestable.
d) Factorizar la función 𝐻(𝑠)𝑃𝐵𝑛𝑑 en una función pasa altos𝐻(𝑠)𝑃𝑎 y una pasa bajos𝐻(𝑠)𝑃𝑏 .
e) Con la factorización obtenida en d) realizar el diseño de los circuitos correspondientes basándose en las
realizaciones de Sallen Key y Múltiples Realimentaciones, para esta última puede encontrar un
documento tutorial en el Campus Virtual de la cátedra.
f) Diseñar los circuitos propuestos, utilizando componentes de valores comerciales (Los capacitores
deberán ser ≤1uF).
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g) Realizar la simulación del circuito propuesto en el punto f), empleando Multisim, caracterizar su diagrama
de magnitud y fase (completando los campos que se describen en la Tabla 2 Simulación Electrónica)
y comparar la magnitud y fase del circuito implementado con la magnitud y fase del punto b). Explicar las
diferencias y similitudes observadas.
h) Montar el circuito en protoboard y caracterizar su diagrama bode de magnitud y fase (completando los
campos que se describen en la Tabla 2 Medidas reales), comparar con lo observado en b), e) y g).
Explicar las diferencias y similitudes observadas.
i) Empleando el Generador de señales microcontrolado, provisto por la cátedra el cual proporcionará la
señal que se obtendría en la salida del detector de envolvente, evaluar el desempeño del filtro
implementado.Para éste propósito, el generador provee tres señales derivadas de la envolvente original
a las que se les ha agregado ruido, las características se detallan a continuación( Tabla 1).
Tabla 1
1ra señal
Señal envolvente obtenida del TP1. (f=110Hz)
2da señal
1ra señal de base a la que se le agrega ruido de 30Hz con una RSR=8dB.
3ra señal
1ra señal de base a la que se le agrega ruido de 30Hz con una RSR=13dB.
4ta señal
1ra señal de base a la que se le agrega ruido de 300Hz con una RSR=10dB.
Figura. 2: Gráficas de las señales del generador.
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Nota importante:
En el caso que el desarrollo de la consigna 8 no arrojara los resultados esperados,
aprovechar las herramientas de simulación matemática y/o electrónica para ensayar
alternativas, que aclaren el desvío de los resultados obtenidos anteriormente
Referencias para las Tablas de Datos
fo:
fa:
fb:
fy:
fx:
f z:
Frecuencia en la que el desfasaje es cero
Frecuencia menor a fo donde tenemos una atenuación de 3db o fin de ripple respecto de la magnitud para fo
Frecuencia mayor a fo donde tenemos una atenuación de 3db o fin de ripple respecto de la magnitud para fo
Frecuencia menor a fo donde tenemos una atenuación de 6db respecto de la magnitud para fo
Frecuencia mayor a fo donde tenemos una atenuación de 20db respecto de la magnitud para fo
Frecuencia mayor a fo donde tenemos una atenuación de 40db respecto de la magnitud para fo
Tabla 2
Simulación Matemática
𝐹𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎[𝐻𝑧]
𝑉0
𝑉𝑖
20𝑙𝑜𝑔
𝑉0
𝑉𝑖
𝐷𝑒𝑓𝑎𝑠𝑎𝑗𝑒
𝑉0 − 𝑉𝑖 [°]
f0:
0°
fa:
fb:
fy:
fx:
fz:
Simulación Electrónica
𝐹𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎[𝐻𝑧]
𝑉0
𝑉𝑖
20𝑙𝑜𝑔
𝑉0
𝑉𝑖
𝐷𝑒𝑓𝑎𝑠𝑎𝑗𝑒
𝑉0 − 𝑉𝑖 [°]
f0:
0°
fa:
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fb:
fy:
fx:
fz:
Medidas con instrumentos
𝐹𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎[𝐻𝑧]
𝑉0
𝑉𝑖
20𝑙𝑜𝑔
𝑉0
𝑉𝑖
𝐷𝑒𝑓𝑎𝑠𝑎𝑗𝑒
𝑉0 − 𝑉𝑖 [°]
f0:
0°
fa:
fb:
fy:
fx:
fz:
Parte 2: Procesamiento Digital
1. Realice el mismo filtro pasabanda, solo que esta vez se deben realizar dos secciones digitales de filtro
pasabanda de segundo orden y con un ancho de banda de 30 hz cada uno.
2. Implemente el filtro diseñado en Simulink.
3. Luego realice las ecuaciones en diferencia del filtro, y discuta de que manera las implementaria.
4. Diseñe un filtro pasabanda de orden 10 utilizando la herramienta FDATool de Matlab, mantenga el mismo
ancho de banda.
5. Compare ambos filtros diseñados, utilizando la herramienta FVtool de matlab.
Syms s
Tf(‘s’)
Pzmap()
Códigos de Matlab que pueden ser de utilidad para el Trabajo práctico
Bode()
Poly()
Bodeplot()
Fvtool()
Mineral()
Pole()
Roots()
Bode()
Zero()
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