Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/8852
Title: Σχεδίαση εξομοιωτών πυκνωτή και πηνίου κλασματικής τάξης με χρήση τελεστικών ενισχυτών με ανάδραση ρεύματος (CFOAs)
Other Titles: Realization of fractional order capacitor and inductor emulators using current feedback operational amplifiers (CFOAs)
Authors: Δημέας, Ηλίας
Issue Date: 2015-10-12
Keywords: Κυκλώματα κλασματικής τάξης
Αναλογικά φίλτρα κλασματικής τάξης
Πυκνωτής κλασματικής τάξης
Πηνίο κλασματικής τάξης
Τοπολογίες φίλτρων πολλαπλής ανάδρασης
Μη γραμμικά συστήματα
Τελεστικός ενισχυτής με ανάδραση ρεύματος (CFOA)
Μεταφορέας ρεύματος (CCII)
Keywords (translated): Fractional-order circuits
Analog fractional-order filters
CPEs
Fractional-order capacitor
Fractional-order inductor
Multiple loop feedback filter topologies
Nonlinear systems
Current Feedback Operational Amplifier (CFOA)
Current conveyor (CCII)
Abstract: Το αντικείμενο της παρούσας Διπλωματική Εργασίας είναι η μελέτη και σχεδίαση κυκλωμάτων κλασματικής τάξης με ενεργά στοιχεία. Συγκεκριμένα, εξετάζονται τοπολογίες φίλτρων πολλαπλής ανάδρασης για την υλοποίηση εξομοιωτών πυκνωτή και πηνίου κλασματικής τάξης με χρήση τελεστικών ενισχυτών με ανάδραση ρεύματος (Current Feedback Operational Amplifiers - CFOAs) και μεταφορέων ρεύματος (Current Conveyors - CCIIs), ως ενεργά στοιχεία. Τα συστήματα κλασματικής τάξης αποτελούν γενίκευση των συστημάτων ακεραίας τάξης και έχουν διαμορφώσει ένα αναδυόμενο διεπιστημονικό και πολλά υποσχόμενο πεδίο έρευνας. Πολλές πρόσφατες μελέτες και έρευνες έχουν δείξει ότι τα συστήματα αυτά έχουν καθοριστική σημασία σε πολλές πρακτικές εφαρμογές, μεταξύ διαφόρων επιστημονικών ειδικοτήτων και για αυτό το λόγο έχουν αποτελέσει ένα σημαντικό πεδίο έρευνας για αρκετούς μηχανικούς και επιστήμονες. Παραδείγματα τέτοιων αξιοσημείωτων εφαρμογών απαντώνται στη ηλεκτρολογία, την επιστήμη των υλικών, τη φαρμακευτική, τη βιοχημεία κλπ.. Για παράδειγμα, η ηλεκτρική συμπεριφορά των βισκοελαστικών υλικών και των βιολογικών ιστών θα μπορούσε να προσομοιωθεί από κυκλώματα κλασματικής τάξης. Επιπλέον, τα ηλεκτρονικά φίλτρα κλασματικής τάξης προσφέρουν έναν πιο ακριβή έλεγχο του ρυθμού εξασθένισης κατά τη μετάβαση στη ζώνη αποκοπής, σε σύγκριση με τα αντίστοιχα φίλτρα ακεραίας τάξης, ενώ η υλοποίηση ταλαντωτών της ίδιας τάξης ωθεί τη λειτουργία αυτών σε υψηλές ιδιοσυχνότητες, των οποίων οι τιμές είναι ανεξάρτητες απ’ τις χωρητικότητες. Τοπολογίες διαφοριστών και ολοκληρωτών κλασματικής τάξης εξετάζονται επίσης στη συγκεκριμένη εργασία. Για την υλοποίηση αυτών γίνεται χρήση των τοπολογιών πολλαπλής ανάδρασης FLF (Follow-the-Leader Feedback) και IFLF (Inverse Follow-the-Leader Feedback) σε ρητή πολυωνυμική προσέγγιση 2ης τάξης χρησιμοποιώντας CFOAs και CCIIs, ως ενεργά στοιχεία. Χρησιμοποιώντας κατά βάση τις τοπολογίες αυτές και κάνοντας προσθήκη ενός μετατροπέα τάσης σε ρεύμα (Voltage-to-Current converter - V/I converter), είναι εφικτή η υλοποίηση των εξομοιωτών πυκνωτή και πηνίου κλασματικής τάξης, που αποτελούν τα κύρια δομικά παθητικά στοιχεία των κλασματικών κυκλωμάτων. Επίσης, παρουσιάζεται ως εφαρμογή η σχεδίαση και υλοποίηση παθητικών φίλτρων κλασματικής τάξης, κάνοντας χρήση των εξομοιωτών πυκνωτή και πηνίου που αναπτύχθηκαν. Η λειτουργική εξομοίωση όλων των προτεινόμενων κυκλωμάτων επιβεβαιώθηκε μέσα από το περιβάλλον του OrCad Capture CIS 16.3 και OrCad PSpice, ενώ η εγκυρότητα όλων των αποκρίσεων επαληθεύθηκε και πειραματικά πραγματοποιώντας κατασκευή του πιο βέλτιστου, από πλευράς υλικού, κυκλώματος. Η λήψη των απαιτούμενων μετρήσεων επιτεύχθηκε με τον Agilent Network - Spectrum Analyzer 4395A. Η υλοποίηση των CFOAs, έγινε με χρήση του εμπορικά διαθέσιμου μονολιθικού τελεστικού ενισχυτή AD844 της Analog Devices.
Abstract (translated): This B.Sc. Thesis is focused on the study and design of fractional-order circuits with active elements. Specifically, we examine multiple-loop feedback filter topologies, for the realization of fractional-order capacitor and inductor emulators using Current Feedback Operational Amplifiers (CFOAs) and Current Conveyors (CCIIs), as active elements. Fractional-order systems are a generalization of integer-order systems and have shaped an emerging interdisciplinary and quite promising field of research. Many recent studies and surveys, have shown that these systems are essential in many practical applications between different disciplines, and for this reason, they have become an important area of study for many scientists and engineers. Examples of such remarkable applications are found in electrical engineering, material science, pharmacy, biochemistry etc. For example, the electrical behavior of viscoelastic materials and biological tissues could be simulated by fractional-order circuits. In addition, electronic fractional order filters, offer a more precise control of the attenuation gradient, as compared with the corresponding integer order filters, while the implementation of oscillators in decimal order, boosts their operation at high resonant frequencies, whose values are independent from the capacitances. Fractional order differentiation and integration topologies, are also examined in this work. For the manufacturing of these, the well - known FLF and IFLF multiple loop feedback filter topologies are proposed, in rational 2nd order polynomial approximation, using CFOAs and CCIIs, as active elements. Using these topologies and employing a voltage to current converter (V/I converter), it is possible to implement fractional-order capacitor and inductor emulators, which are the main structural passive elements of fractional-order circuits. Moreover, it is introduced as an application, the design and realization of passive fractional order filters, using the proposed capacitor and inductor emulators’ schemes of the same order. The functional simulation of all the proposed circuits, has been performed through the design & simulation interfaces, OrCad Capture CIS 16.3 and OrCad PSpice, while the validity of all responses was verified experimentally, by constructing the more optimal, in terms of hardware, circuitry. The taking of the necessary measurements was achieved with Agilent Network - Spectrum Analyzer 4395Α. As CFOAs, we used the commercially available monolithic operational amplifier AD844 of Analog Devices.
Appears in Collections:Τμήμα Φυσικής (ΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
BSc_Dimeas.pdfΔιπλωματική Εργασία8.61 MBAdobe PDFView/Open


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons