เอกสารประกอบการเรียนการสอน ใบความรู้ Low-Pass Filter Circit ( 3105-2005 ) ระดับ ปวส.1

1.นาย พศวัต โทษา

รหัสประจำตัว 6430105008

2.นาย ภัทรพล ศรีทองทา

รหัสประจำตัว 6430105009

3 .นาย วราพล สุนาดี

รหัสประจำตัว 64301050013

4 .นาย วราวุฒิ สุนาดี

รหัสประจำตัว 64301050014

นายวงษ์ทอง คีมราช สาขาวิชาอิเล็กทรอนิกส์ สาขางานเทคนิคคอมพิวเตอร์ วิทยาลัยเทคนิคนครพนม

การทดลองบทที่ 13 Low-Pass Filter Circit ฟิลเตอร์คือ วงจรที่ใช้สำหรับกรองสัญญาณให้ความเฉพาะที่ต้องการใช้ผ่านดอกมาได้ เท่านั้น ส่วนความถี่อื่น ๆ ที่ไม่ต้องการผ่านจะถูกลดทอน (alternate) จนหมดไป วงจรฟิลเตอร์ที่ ใช้งานกันมี อยู่ 2 ลักษณะคือ แบบที่เป็นวงจรพาสซีฟ (passive) และแบบแรกตีฟ (active) วงจรในแบบที่เป็นพาส ซีฟนั้น จะใช้เพียงอุปกรณ์ประเภทความต้านทาน ตัวเก็บประจุ และตัว เหนี่ยวนำเท่านั้น แต่ใน วงจรประเภทแอกตีฟจะรวมถึงทรานซิสเตอร์ และออปแอมป์ด้วย ในที่นี้จะเน้นเฉพาะวงจรที่มีออ ปแอมปีเป็นส่วนประกอบเท่านั้นสำหรับอุปกรณ์ หมายเหตุ แอกตีฟชนิดอื่นสามารถนำมาใช้เป็น แอกทีฟฟิลเตอร์ได้เช่นกันแต่ในที่นี้จะไม่กล่าวถึง

- ปกติในการสร้างวงจรใช้งานนั้นมักพยายามหลีกเลี่ยงไม่ใช้ตัวเหนี่ยวนำ เนื่องจากค่อนข้าง หายาก ราคาแพง และมีขนาดใหญ่ไม่สะดวกแก่การใช้งาน แบ่งตามหน้าที่การทำงานของวงจรฟิลเตอร์ เราสามารถแบ่งออกเป็น 4 ชนิด ด้วยกัน คือ แบบกรองความถี่ต่ำผ่าน (low-pass) แบบกรองความถสงผาน (high-pass ) แบบกรองความถผาน เฉพาะบางช่วง (band- pass) และแบบท1 บทกนไม่ให้ความถผานเฉพาะบางช่วง (bandeliminatc หรือ band-reject หรือ notch)

1.วงจรกรองความถีต่ ่ำผ่านแบบพื้นฐาน 1.1 ความรู้พื้นฐาน ในรูปที่ 2 (ก) เป็นวงจรแอกตีฟฟิลเตอร์กรองสัญญาณความถี่ต่ำแบบที่ใช้ กันโดยทั่วไป วงจรประกอบด้วยอุปกรณ์ R,C และออปแอป์ ซึ่งจากวงจรมีอัตราขยาย 1 เท่า กำหนดให้ Rr มีค่าเท่ากับ R และแรงดันออฟเซต มีคา่ เป็น 0 โวลต์ ดังนั้นแรงดันที่ขา 2 เท่ากับ แรงดันขา 3 สำหรับแรงดันขาที 2 ซึงมีค่าเท่ากับ Vo นั้น จะทำให้แรดันตร่อม C มีค่าเป็น Vo ด้วยเช่นกัน ถ้าเราพิจารณาในส่วน R และ C ที่ต่อกับ Ei เราจะได้สมการเป็น

(ก) ฟิลเตอร์ชนิดกรองความถี่ต่ำผ่าน -20 เดชิเบลต่อดีเคด

(ข) กราฟตอบสนองความถี่ของวงจรนี้

รูปที่ 2 กราฟแสดงการตอบสนองความถี่ของวงจรฟิลเตอร์ชนิดกรองความถี่ต่ำผ่านที่มีค่า -20 เดซิเบล ต่อ ดีเคด ในรูปที่ 2 (ก) จากทีไ่ ด้กล่าวไว้แล้วว่าเป็นวงจรประเภทกรองความถี่ต่ำผ่าน ต่อไปเราจะ ทำการวิเคราห์สมการนี้ จากสมการที่ (2) ที่ได้นี้แสดงถีงค่าของอัตราขยายแบบบลูปปิด Acl ซึ่งมี ค่าเปลี่ยนแปลงไปตามความถี่ 1.2 การออกแบบวงจนกรองความถี่ต่ำผ่าน สิ่งที่ต้องพิจารณาเป็นพิเศษสำหรับการออกแบบวงจรฟิลเตอร์ชนิดกรองความถี่ต่ำผ่านก็คือ ค่าความถี่คัตออฟ ωc ที่ต้องการใช้งาน ที่ค่าความถี่นี่อัตราขายจะมีค่าเป็น 0.707 ของอัตราขาย ที่ความถี่ต่ำ โดยที่ ωc มีหน่วยเป็น เรเดียนต่อวินาที (rad/s) Fc มีหน่วยเป็น เฮิรตซ์ (Hz) R มีหน่วยเป็น โอห์ม (Ω) C มีหน่วยเป็น ฟารัด (F) ในทางเดี่ยวกัน จากสมการที่ (3) เมื่อกำหนด ωc ไว้แล้ว ต้องการจะหาค่า R 1.3 ผลตอบสนองของฟิลเตอร์ ค่าของ Acl ที่ ωc นัน้ เราพบว่าเป็นค่าของความถี่ที่ ωc R x C = 1 จากค่านี้เมื่อ นำไป แทนมนสมการที่ (2) จะได้เป็น

1.4 ความรู้เบื่องต้นเกี่ยวกับบัตเตอร์เวิร์ทฟิลเตอร์ ในการออกแบบวงจรกรองสัญญาณความถี่ต่ำนั้น นอกจากจะต้องให้ได้จุดคัตออฟที่ ถูกต้อง แล้วยังต้องทำให้อัตราการขยายแบบลูปมีดมีค่าเท่ากับ 1 ในช่วงผ่าน บัตเตอร์เวิร์ทฟิล เตอร์เป็น วงจรที่มีคุณสมบัติเด่นในเรื่องของอัตราขยายของวงจร โดยจะให้ค่า Ac, ที่คงที่ตลอด สัญญาณช่วง ผ่าน บางครั้งจึงเรียกวงจรแบบนี้ว่า Maximaly flat หรือ flat-flat filter สำหรับวงจรฟิลเตอร์ใน บทนี้ทั้งหมดจะกล่าวเฉพาะวงจรแบบบัตเตอร์เวิร์ทฟิลเตอร์เท่านั้น ในรูปที่ 3 แสดงถึงผลตอบสนองทางความถี่ เส้นทึบแสดงถึงผลในทางอุดมคติ ส่วน เส้นประ แสดงถึงผลในทางความเป็นจริง ที่ค่าความชันในการลดลงแตกต่างกัน 3 แบบคือ -20 ซิเบลต่อดี เคด -40 เดซิเบลต่อดีเคด และ 60 เดซิเบลต่อดีเคด

รูปที่ 3 การตอบสนองความถี่ของวงจรกรองความถี่ต่ำผ่านชนิดบัติเตอร์เวิร์ท

1.5 วงจรบัตเตอร์เวิร์ทที่ให้ค่า -40 เดซิเบลต่อดีเคด 1.5.1 การออกแบบวงจรอย่างง่าย ใน รูปที่ 4 (ก) เป็นวงจรบัตเตอร์เวิร์ท แบบที่มีค่าความบันในการลดลงของ Acl, เป็น -4() เดซิเบลต่อดีเคดที่มักจะนำมาใช้งานกันโดยทั่วไป ค่าของความชันในการลดลงเป็น -40 เคซี เบล ต่อดีเคคนี้มีความหมายว่า ในช่วงที่ความถี่มีค่าตั้งแต่ ωc ขึ้นไป ค่าของอัตราการขยายจะมีค่า ลดลง 40 เคซิเบล ในขณะที่ความถี่เพิ่มขึ้นเป็น 10 เท่า ออปแอมป์ที่ต่อในวงจรนี้มีค่าอัตราขยายเป็น 1 สำหรับสัญญาณไป Dc สำหรับ Rr ที่ต่อที่ต่อ ไว้ในที่นี้ก็เพื่อลดผลของออฟเซทในทาง Dc ของตัวออปแอมป์

(ก) วงจรบัตเตอร์เวิร์ทที่ให้คำ -40 เดชิเบลต่อดีเคด

(ข) กราฟบัตเตอร์เวิร์ทที่ให้คำ -40 เดชิเบลดีเคด

วัตถุประวงค์ 1. สามารถประกอบวงจรกรองความถี่ต่ำได้ 2. สามารภเข้าหลักการทำงานของวงจรกรองความถี่ต่ำ ทฤษฎี ในการใช้งานอิเล็กทรอนิกส์บางครั้ง ต้องการให้สัญญาณความถี่ผ่านมาเพียงย่านเดียว เท่านั้น โดยที่สัญญาณอื่นๆ ถูกตัดทิ้งออกไป ในทางอุดมคติ วงครกรองความถี่ต่ำจะกั้นไม่ให้ สัญญาณที่มีความถี่สูงกว่าความถี่คัตออฟ (Fc) ผ่านเข้าไปในวงจรเลย ในทางปฏิบัติ สัญญาณจะ ค่อยๆ ถูกลดอัตราขยายลงเรื่อยๆ กล่าวโดยสรุปคือ วงจรที่จะลดทอนสัญญาณที่มีความถี่สูงกว่า ความถี่ (Fc) และช่วงที่มีความถี่ต่ำกว่าความถี่ (Fc) เรียกว่า ช่วงที่ผ่านได้ (BAND PASS) และช่วงที่ มี (fc) ความถี่สูงกว่าความถี่ (Fc) ว่าช่วงที่ถูกกัน (BAND STOP)

เครื่องมือและอุปกรณ์ที่ใช้ในการทดลอง 1. มัลติมิเตอร์

2. ออสซิลโลสโคป 2 บีม 3. ชุดทดลองหลัก BU-1 4. แผงโมดูลการทดลอง AL-1100E 4.1 IC OP-AMP เบอร์ 741 4.2 ความต้านทานที่ใช้ค่า 2k Ω 10k Ω x3 4.3 ตัวเก็บประจุ uF x2 5. สายต่อวงจร

ลำดับชั้นการทดลอง 1. การหาความถี่คัทออฟของวงจร Basic Low-Pass Filter 1.1 ต่อวงจรทดลองตามรูป 13-3

1.2 1.3

ปรับความถี่ fi = 100 Hz รูปคลื่นซายน์ ขนาด 10 Vp-p ป้อนเข้า Vi แล้วใช้ ออสซิลโลสโคปวัดขนาดรูปคลื่นทาง VO บันทึกผลลงในตารางที่ 13-1 เปลี่ยนความถี่ที่ป้อนให้ Vi ตามตารางที่ 13-1 แล้วใช้ออสซิลโลสโคปวัดขนาดของ รูปคลื่นทาง VO บันทึกผลลงในตารางที่ 13-1

1.4 1.5

หาค่าความถี่คัทออฟจากกราฟ fc = ……………………………….. Hz คำนวณหาค่าความถี่คัทออฟ fc = ……………………………… Hz

2.2 ปรับความถี่ fi = 50 Hz รูปคลื่นซายน์ ขนาด 10 Vp-p ป้อนเข้า Vi แล้วใช้ ออสซิลโลสโคปวัดขนาดรูปคลื่นทาง Vo บันทึกผลลงในตารางที่ 13-2 2.3 เปลี่ยนความถี่ที่ป้อนให้ Vi ตามตารางที่ 13-2 แล้วใช้ออสซิลโลสโคปวัดขนาด ของรูปคลื่นทาง VO บันทึกผลลงในตารางที่ 13-2

2.4 นำค่าผลการทดลองที่ได้ในตารางที่ 13-2 มาเขียนลงบนตารางกราฟรูปที่13-2 ตามสมการ Vo = g Z = (fi)

2.5 หาค่าความถี่คัทออฟจากกราฟ fc = …………………………………. Hz 2.6 คำนวณหาค่าความถี่คัทออฟ fc = ………………………………….. Hz สรุปผลการทดลอง .................................................................................................................................. ...................................................................................