М і н і с т е р с т в о о с в і т и та н а у к и У к р а ї н и Львівський державний інститут новітніх технологій та управління ім.В.Чорновола Мережні активні фільтри Методичні вказівки до лабораторної роботи з к у р с у “Методи та засоби захисту інформації” для студентів напряму підготовки 1601 “Інформаційна безпека” Затверджено на засіданні кафедри ,,Комп’ютерні системи і мережі’’ Протокол № 1 від 29.08 .2007р. Львів 2007 “Мережні активні фільтри”. Методичні вказівки до лабораторної роботи з курсу ,,Методи та засоби захисту інформації’’ для студентів напряму підготовки 1601 “Інформаційна безпека” /Упорядник: З.А.Шандра. - Львів: ЛДІНТУ, 2007. – 9 с. Мета роботи: Вивчення властивостей активних фільтрів низьких і високих частот і смугово-пропускальних фільтрів, моделювання роботи фільтрів в середовище програми Elektronics Workbench. 1.2. Завдання ЛР Зняти експериментальні амплітудно-частотні характеристики фільтрів низьких частот, високих частот і смугово-пропускального фільтра з параметрами елементів, заданих викладачем, та визначити смугу пропускання фільтрів. 1.3. Засоби для виконання роботи Для виконання ЛР використовують: персональний комп’ютер під керуванням операційної системи Windows; програма розрахунку електронних схем Electronics Workbench 2. Короткі теоретичні відомості про смугово-загороджувальні та смугово-пропускальні фільтри Одним із методів локалізації небезпечних сигналів, що циркулюють в технічних засобах і системах обробки інформації є фільтрація. В джерелах електромагнітних полів і наведень фільтрація здійснюється для запобігання розповсюдженню небажаних електромагнітних коливань за межі пристрою – джерела небезпечного сигналу. В залежності від типів елементів, з яких складаються фільтри, вони можуть бути: - реактивні, що складаються з елементів L і C; - п’езоелектричні, що складаються з кварцевих пластин; - безіндуктивні пасивні, що складаються з елементів R і C. Можливим є також застосування активних RC - фільтрів на основі мікросхем (операційних підсилювачів). Це може бути доцільним у випадках, якщо пасивні LC - фільтри набувають великих розмірів при зниженні частоти зрізу до звукових частот, коли навіть при виборі конденсаторів відносно малої ємності (наприклад, 0,01 мкФ) дросель стає надто великого розміру і ваги. В активному фільтрі операційний підсилювач перетворює імпеданс RC - кола, що підключається до нього, в такий спосіб, що пристрій поводить себе як індуктивність.
Для розв’язання конкретних задач по забезпеченню надійності функціонування, сумісності, завадозахищенності апаратури та інших традиційних задач електромагнітної сумісності використовуються фільтри низьких частот, фільтри високих частот, смугові (смугово-пропускальні) і режекторні (смугово-загороджувальні) фільтри. Амплітудно-частотна характеристики таких фільтрів показані на рис.1. Більшість високоякісних фільтрів реалізується на основі котушок індуктивності і конденсаторів. LC-фільтри можуть містити також і резистори. Зв’язок вхідного і вихідного кіл більшості фільтрів відповідно з джерелом сигналу і навантаженням здійснюється в такий спосіб, щоб величина їх реактивних або повних опорів дорівнювали нулю. В схемах активних фільтрів використовуються активні елементи (транзистори, мікросхеми). Шляхом вибору відповідного типу активного фільтра можна досягнути максимальної рівномірності підсилення в смузі пропускання, крутизни перехідної області характеристики або незалежності часу запізнення від частоти. Можна також побудувати так звані «всепропускальні фільтри» з плоскою амплітудно-частотною характеристикою, але з нестандартною фазочастотною характеристикою (вони відомі як «фазові коректори»), або навпаки – з постійним фазовим зсувом, але з довільною амплітудно-частотною характеристикою. Коефіцієнт передачі фільтра (відношення амплітуди сигналу на виході до амплітуди сигналу на вході) і форма амплітудно-частотної характеристики залежать від глибини зворотного зв’язку (визначається номіналами елементів). Зворотний зв’язок є додатнім, тобто вихідний сигнал збільшує вхідний сигнал, але амплітуда сигналу зворотного зв’язку для всього діапазону частот є меншою того значення, при якому виникає самозбудження. 3. Порядок виконання завдання Запустити моделюючу програму EWB 5. Набрати схему активного фільтра низьких частот за схемою рис.2. Згідно заданого викладачем варіанту (табл.1) відредагувати схему за номіналами елементів (для всіх варіантів E = 60 В, R = 1 kOhm, R4 = 510 Ohm).
Рис.2. Схема активного фільтра низьких частот Таблиця 1 Варіанти завдань для схеми активного фільтра низьких частот Номер варіантa  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  R1, kOhm  10  5  5  5  7  5  6  5  9  5  R2, kOhm  65  20  20  20  20  65  65  50  20  50  R3, kOhm  10  10  10  10  10  8  10  8  8  8  C1, nF  20  8  12  14  14  30  30  30  18  18  C2, nF  1  1  1  1  1  1  1  1  1  1   Увімкнути схему, подвійним натисканням клавіши миші по зображенню вимірювача частотних характеристик розкрити його і в лінійному режимі зняти амплітудно-частотну характеристику. Визначити смугу пропускання фільтра (в тому місці, де значення амплітудно-частотної характеристики знижується до 0,707 (-3 дБ) від максимального значення. Набрати схему активного фільтра високих частот за схемою рис.3. Згідно заданого викладачем варіанту (табл.2) відредагувати схему за номіналами елементів (для всіх варіантів E = 60 В, R = 1 kOhm, R4 = 510 Ohm).
Рис.3. Схема активного фільтра високих частот Таблиця 2 Варіанти завдань для схеми активного фільтра високих частот Номер варіантa  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  R1, kOhm  10  10  10  12  12  12  12  185  7  10  R2, kOhm  10  10  10  12  12  12  12  10  7  10  R3, kOhm  2  2  2  2  8  12  2  2  1.8  1,8  C1, nF  9,5  8  6  6  6  12  12  7  7  7  C2, nF  9,5  8  6  6  6  12  12  7  6,5  7   Увімкнути схему, подвійним натисканням клавіши миші по зображенню вимірювача частотних характеристик розкрити його і в лінійному режимі зняти амплітудно-частотну характеристику. Визначити смугу пропускання фільтра (в тому місці, де значення амплітудно-частотної характеристики знижується до 0,707 (-3 дБ) від максимального значення 10. Набрати схему активного смугово-пропускального фільтра за схемою рис.4. 11. Згідно заданого викладачем варіанту (табл.3) відредагувати схему за номіналами елементів (для всіх варіантів E= 10 В, R= 10 kOhm, R5= 510 Ohm).
Рис.4. Схема активного смугово-пропускального фільтра Таблиця 3 Варіанти завдань для схеми активного смугово-пропускального фільтра Номер варіантa  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  R1, kOhm  5  8  8  7  7  7  7  6  4,5  3,9  R2, kOhm  2,2  1,8  2  2  2  2  2  2,2  2,5  2,9  R3, kOhm  200  250  250  250  250  300  350  150  220  280  R4, kOhm  10  10  10  10  10  10  20  8  10  10  C1, nF  5  2  2  2  3  1,7  1,7  5  2,4  2,8  C2, nF  0,5  0,8  0,8  0,4  0,4  0,3  0,3  0,7  0,21  0,17   12. Увімкнути схему, подвійним натисканням клавіши миші по зображенню вимірювача частотних характеристик розкрити його і в лінійному режимі зняти амплітудно-частотну характеристику. 13. Визначити смугу пропускання фільтра (в тих місцях, де значення амплітудно-частотної характеристики знижується до 0,707 (-3 дБ) від максимального значення 14. Оформити звіт про виконану роботу. В звіті подати завдання, принципові схеми фільтрів, експериментальні амплітудно-частотні характеристики фільтрів і відобразити отримані результати вимірювань. Зробити висновки і відповісти на контрольні запитання. 4. Контрольні запитання Наведіть визначення смуги пропускання фільтрів. В чому полягає різниця між пасивними і активними фільтрами? Які переваги мають активні фільтри порівняно з пасивними? Як визначаються частота зрізу фільтрів? Як визначається коефіцієнт передачі фільтра? Які задачі розв’язують фільтри в системах захисту інформації? Навчальне видання Мережні активні фільтри Методичні вказівки до лабораторної роботи з курсу “Методи та засоби захисту інформації” для студентів напряму підготовки 1601 “Інформаційна безпека” Укладач [ім’я автора приховано] Редактор Тиражування здійснене на кафедрі КСМ. Відповідальний