Circuito Filtrador de Se ales





Circuito Filtrador de Señales

Descripción general del trabajo
Diseño y Construcción de un circuito de componentes activos capaz de recibir una señal de onda cuadrada con frecuencia de 5KHz como entrada y separarla en sus 3 primeros armónicos constituyentes.
Flujo de trabajo
Como todo proceso en ingeniería, para encontrar una solución a un determinado problema, se debe seguir una serie depasos que permita obtener los resultados deseados. Para el presente trabajo, se ha procedido de la siguiente manera:



Conceptos previos y planteamiento del problema

Conformación de una onda cuadrada: Según Fourier, una onda de este tipo se puede conformar mediante la suma de los infinitos armónicos impares que cumplen las siguientes relaciones de frecuencia y amplitud.
Armónico 1: f = 5*1 KHz,Amp = 5/1 [V]
Armónico 2: f = 5*3 KHz, Amp = 5/3 [V]
Armónico 3: f = 5*5 KHz, Amp = 5/5 [V]
Armónico 4: f = 5*7 KHz, Amp = 5/7 [V]
Armónico 5: f = 5*9 KHz, Amp = 5/9 [V]
….


Partiendo de este concepto, de conformación de una onda cuadrada, se plantea un esquema general del circuito cuya finalidad es filtrar y separar la señal de entrada.









El circuito debe ser capaz de recibir una señalcuadrada de 5V y 5 KHz generada mediante un oscilador y arrojar tres señales a su salida, las cuales representan sus 3 primeros armónicos constituyentes.
Diseño del filtro y simulación en software
El diseño de un dispositivo mediante software, brinda la posibilidad de simular el comportamiento real con gran aproximación, evitando la construcción prematura del mismo sin asegurarse de que realmentefunciona de la manera esperada, para este caso, se ha diseñado el Circuito filtrador de señales mediante el uso de PROTEUS, software líder en simulación de circuitos electrónicos.
Esquema detalladodel filtro









Circuito desmontable
Se ha diseñado el filtro tomando en cuenta la posibilidad de que cada etapa pueda ser desmontada del circuito y reemplazada si es requerido, sin afectar elfuncionamiento del resto de Filtros.









Se ha optado por un circuito de 4 placas impresas, donde 3 de ellas contienen los filtros propiamente dichos y la placa restante contiene los 3 restadores de señales, los cuales tienen una salida que representa un armónico filtrado respectivo, adicionalmente se ha construido una placa que por finalidad demostrar que la suma de las 3 señales de salidas es lamisma que la señal de entrada.

Diseño del circuito en PROTEUS






Componentes

20 Amplificadores Operacional LM741
Resistencias 10 KΩ
Resistencias 12 KΩ
Resistencias 6.8 KΩ
Resistencias 100 KΩ
Resistencias 180 KΩ
Condensadores 1 uF

Detalles del Amplificador operacionalLM741 (8 pines)
Resultados de Simulación
Señal filtrada 1

Gráfico Voltaje - Tiempo
Tiempo de Simulación = 1 ms
Interpretación deresultados: La señal que se puede apreciar en la figura anterior es la señal resultante después de pasar por el primer filtro y representa la suma de armónicos constituyentes de la señal cuadrada con frecuencias superiores a la frecuencia de corte del primer filtro, para este caso la señal será la suma de las frecuencias de 15 KHz, 25 KHz, 35 KHz…
Diagrama de Bode(Ganancia – frecuencia)
Tiempo deSimulación = 1 ms

Interpretación de resultados: Se puede apreciar que la frecuencia de corte del primer filtro está próxima a los 10 KHz, lo que significa que dejaría pasar la frecuencias a partir segundo armónico de la señal cuadrada (15 KHz) sin problemas con una Ganancia teórica de 1.52, pero debido a que se está simulando con componentes que imitan el comportamiento real, se ha calculado unaganancia de 1.8 aproximadamente para valores de frecuencia alejados de la frecuencia de corte (Valores donde la señal la ganancia se vuelve estable – Línea horizontal).
¿Cómo se encontró la ganancia real?
Para poder determinar el valor real de ganancia de los filtros, se hizo pasar una señal senoidal de 1V de amplitud con una frecuencia muy alejada de la frecuencia del corte del filtro, esto...