73540

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ

Лекция

Физика

Фильтры применяются для выделения или подавления определенных колебаний разделения частотных каналов формирования спектра сигналов. По расположению на шкале частот полосы пропускания различают следующие фильтры: а нижних частот...

Русский

2014-12-17

168.5 KB

5 чел.

2.5 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Фильтры применяются для выделения или подавления определенных колебаний, разделения частотных каналов, формирования спектра сигналов. Электрическим фильтром называется четырёхполюсник, пропускающий без ослабления или с малым ослаблением колебания определенных частот и пропускающий с большим ослаблением колебания других частот.

Полоса частот, в которой ослабление мало, называется полосой пропускания. Полоса частот, в которой ослабление велико, называется полосой непропускания (задерживания). Между этими полосами находится переходная область.

По расположению на шкале частот полосы пропускания различают следующие фильтры:

а) нижних частот (ФНЧ), в которых полоса пропускания располагается на шкале частот от ω = 0 до некоторой граничной частоты ω = ωср, а полоса непропускания (задерживания) — от частоты ω = ωср до бесконечно больших частот (рисунок 10.1, а);

Рисунок 10.1 - Электрические фильтры

б) верхних частот (ФВЧ) с полосой пропускания от частоты ω = ωср до бесконечно больших частот и полосой непропускания от частоты ω = 0 до ω = ωср (рисунок 10.1,6);

в) полосовые (ПФ), в которых полоса пропускания от ωсрн до ωсрв располагается между полосами непропускания 0 - ωЗ1 и ωЗ2 - µ (рисунок 10.1,в);

г) заграждающие (режекторные) (ЗФ или РФ), в которых между полосами пропускания 0 - ωсрн и ωсрв - µ находится полоса непропускания ωсрн - ωсрв (рисунок 10.1, г);

д) многополосные, имеющие несколько полос пропускания.

На рисунке 10.1 показаны также условные графические обозначения фильтров каждого типа в соответствии с ГОСТ. В соответствии с используемой элементной базой к настоящему моменту выделились несколько классов фильтров. Исторически первыми (и все еще наиболее широко применяемыми) являются пассивные фильтры, содержащие элементы L и С. Они носят название LC-фильтров.

Во многих случаях на практике требовалась крайне высокая избирательность (различие ослаблений в полосах пропускания и непропускания в десятки тысяч раз). Это привело к появлению фильтров с механическими резонаторами: кварцевых, магнито-стрикционных, электромеханических.

Самые значительные достижения в области теории и проектирования фильтров связаны с успехами микроэлектроники. Требования микроминиатюризации аппаратуры заставили отказаться от использования индуктивностей, которые имеют большие габаритные размеры, особенно на низких частотах, и не поддаются исполнению в микроминиатюрном виде. Появились активные RС-фильтры, состоящие из резисторов, конденсаторов и активных приборов (например, транзисторов). Эти фильтры могут быть выполнены в виде микромодульной конструкции или интегральной схемы. Применение активных RС-фильтров ограничивается пока сравнительно небольшим диапазоном частот до нескольких мегагерц.

Разработка цифровых систем и достижения в области цифровых вычислительных машин стимулировали создание фильтров на базе элементов цифровой и вычислительной техники - цифровых фильтров.

Требования к электрическим характеристикам фильтров. Избирательность фильтра (степень разграничения полос пропускания и непропускания) определяется крутизной характеристики рабочего ослабления. Чем больше крутизна этой характеристики и чем сильнее ослабление в полосе пропускания, тем лучше избирательность фильтра и, следовательно, меньше уровень помех от подавляемых колебаний. Реальные фильтры (т. е. фильтры, состоящие из реальных элементов) имеют характеристики рабочего ослабления и амплитудно-частотную, отличные от идеальных.

Требования к электрическим характеристикам фильтров задаются в виде допустимых пределов изменения этих характеристик. Так,

а) рабочее ослабление в полосе пропускания не должно превышать некоторого максимального допустимого значения Аp max, а в полосе непропускания не должно быть ниже некоторого минимально допустимого значения Аp min. Изображены эти требования графически, как это сделано на рисунке 10.2, а. На этом рисунке wср и wЗ —граничные частоты полос пропускания и непропускания.

Рисунок 10.2 - АЧХ  ФНЧ

Помимо требований к частотной зависимости рабочего ослабления (а значит, и к АЧХ) могут задаваться также требования к

б) фазочастотной характеристике фильтра (скажем, допустимые отклонения от линейного закона) и величине

в) нелинейных искажений (обусловленных, например, наличием железа в катушках индуктивности). Могут предъявляться требования и к другим характеристикам и параметрам фильтра. Ниже будем учитывать только требования к рабочему ослаблению и АЧХ.

Идеальные частотные характеристики фильтра заведомо нереализуемы. Частотные характеристики реальных фильтров могут лишь приближаться к ним с той или иной степенью точности в зависимости от сложности схемы фильтра.

Перед тем как перейти к конкретным электрическим фильтрам, необходимо сделать два замечания. 

Во-первых, в теории фильтров принято иметь дело не с обычной угловой частотой w, а с нормированной частотой Ω = w/wн, 

где wн - нормирующая частота. Обычно в качестве нормирующей частоты выбирают граничную частоту полосы пропускания wср, так что Ω = wср /wн = wср /wср = 1 .

Во-вторых, имеет смысл подробно изучать только фильтры нижних частот, так как остальные типы фильтров (верхних частот, полосовые и заграждающие) могут быть легко получены из ФНЧ с помощью замены переменной (частоты) или, как принято говорить, с помощью преобразования частоты.

Фильтры типа k и m. Фильтром типа k называются лестничные схемы с взаимно-обратными сопротивлениями плеч =r2. Элементарным фильтром типа k является Г-образная схема, представленная на рисунке 10.3, а. Сопротивления плеч этого фильтра взаимообратны: = L/C = r2. Сопротивление r =  называется номинальным характеристическим сопротивлением фильтра. 

Характеристика собственного ослабления Ас фильтра (рисунок 10.3,6) равна нулю в диапазоне частот 0≤Ω≤1 и монотонно растет по закону Ас= ArchΩ при изменении частоты от 1 до  . Характеристические сопротивления фильтра и в полосе пропускания являются активными, но изменяются с ростом частоты по законам (рисунок 10.3, в):

и .                                                  (1)

Из двух Г-образных фильтров можно образовать симметричные Т-образные и П-образные фильтры.

Рисунок 10.3 - Фильтр типа k (Г-образная схема)

Фильтры типа k обладают двумя существенными недостатками. Во-первых, они имеют малую крутизну характеристики ослабления Ас, что требует использования при построении реальных фильтров очень большого числа Г-, Т- или П-образных схем. Во-вторых, частотная зависимость характеристических сопротивлений в полосе пропускания не позволяет удовлетворительно согласовать фильтр с нагрузкой и генератором. Это приводит к потерям энергии за счет ее отражения и, как следствие, рабочее ослабление фильтра в полосе пропускания значительно отличается от нуля, особенно на краях полосы пропускания, где рассогласование наибольшее.

Чтобы избежать этих недостатков, используют фильтры типа т (рисунок 10.4), которые дают всплески ослабления Ас на частоте резонанса контуров Wµ. Своё название фильтры получили из-за того, что значения элементов фильтра типа m определяются значениями фильтра типа k и параметра . Фильтры типа m 

а) обладают меньшей частотной зависимостью характеристических сопротивлений в полосе пропускания, и

б) лучше согласуются с генератором и нагрузкой.

Но фильтры типа т 

в) имеют в полосе непропускания глубокий спад ослабления Ас. Обычно используют каскадное соединение фильтров типа т и k. Фильтры типа k увеличивают ослабление в полосе непропускания, а фильтры типа т поднимают крутизну характеристики ослабления вблизи частоты среза. 

Ввиду того, что фильтры типа т лучше согласуются с генератором и нагрузкой, их ставят по краям, а звенья типа k - в середине составного фильтра.

На рисунке 10.4 показан фильтр, состоящий из звеньев типа m.

Рисунок 10.4 - Фильтры типа m

Переходные процессы в цепи RC


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

33188. Сущность аудита и его задачи. Постулаты аудита. Классификация видов аудита 15.83 KB
  Постулаты аудита. Классификация видов аудита.68 Аудит предпринимательская деятельность аудиторов аудиторских организаций по осуществлению независимых проверок бухгалтерской отчетности платежнорасчетной документации налоговых декларации и других финансовых обязательств и требований экономических субъектов с целью установления достоверности их бухгалтерской отчетности и соответствия совершенных ими финансовых и хозяйственных операций нормативным актам действующим в Российской Федерации.
33189. Финансовая аренда (лизинг). Виды лизинга. Преимущества лизинга. Схемы расчета лизинговых платежей 15.32 KB
  Финансовый лизинг характеризуется длительным сроком контракта от 5 до 10 лет и амортизацией всей или большей части стоимости оборудования. Возвратный лизинг заключается в продаже собственником промышленным предприятием оборудования лизинговой компании с одновременным заключением договора лизинга на это оборудование в качестве пользователя. В результате первоначальный собственник получает от лизинговой компании полную стоимость оборудования сохраняет за собой право владения и периодически платит за пользование оборудованием. Лизинг это...
33190. Понятие инвестиционного портфеля. Типы портфеля, принципы и этапы формирования, стратегия управления 14.84 KB
  90 Инвестиционный портфель совокупность ценных бумаг приобретенных инвесторами. Существует три типа портфеля ценных бумаг: рискованный портфель консервативный портфель и комбинированный портфель. Рискованный портфель формируется из рискованных ценных бумаг доля которых в портфеле составляет 70. Комбинированный портфель формируется из надежных ценных бумаг приобретаемых на отностительно большой период времени и из рискованных с повышенным доходом состав которых все время обновляется.
33191. ВАЛЮТНЫЕ ОТНОШЕНИЯ И ВАЛЮТНАЯ СИСТЕМА 790.1 KB
  Развитие международных валютных отношений обусловлено ростом производительных сил созданием мирового рынка углублением международного разделения труда МРТ формированием мировой системы хозяйства интернационализацией и глобализацией хозяйственных связей. Различаются национальная мировая международная региональная валютные системы. Исторически вначале возникли национальные валютные системы закрепленные национальным законодательством с учетом норм международного права. Национальная валютная система является составной частью денежной...
33192. Сущность страхования. Классификация видов страхования. Формы страхования 13.43 KB
  41 Страхование это отношение по защите имущественных интересов хозяйствующих субъектов и граждан при наступлении определенных событий страховых случаев за счет денежных фондов формируемых из уплачиваемых ими страховых взносов страховых премий. К таким имущественным интересам относятся интересы связанные: с жизнью здоровьем трудоспособностью и пенсионным обеспечением страхователя или застрахованного лица личное страхование; с владением пользованием распоряжением имуществом имущественное страхование;...
33193. Рынок ценных бумаг и его роль в современной экономике. Виды рынков ценных бумаг и их функции 15.34 KB
  Виды рынков ценных бумаг и их функции.47 В общем виде рынок ценных бумаг можно определить как совокупность экономических отношений по поводу выпуска и обращения ценных бумаг между его участниками. Однако товары продаваемые на рынке ценных бумаг являются товаром особого рода поскольку ценные бумаги это лишь титул собственности документы дающие право на доход но не реальный капитал.
33194. Участники рынка ценных бумаг: эмитенты, инвесторы, фондовые посредники 12.95 KB
  48 Участники рынка ценных бумаг это физические лица или организации которые продают или покупают ценные бумаги или обслуживают их оборот и расчеты по ним; это те кто вступает между собой в определенные экономические отношения по поводу обращения ценных бумаг. Существуют следующие основные группы участников рынка ценных бумаг в зависимости от их функционального назначения: эмитенты; инвесторы; фондовые посредники; организации обслуживающие рынок ценных бумаг; государственные органы регулирование и контроля. Эмитент это...
33195. Медицинская классификация Л.В.Неймана 13.88 KB
  Важное значение для правильного понимания особенностей психического развития детей с нарушениями слуха для своевременной диагностики и организации их обучения и воспитания в частности для определения типа учреждения в котором должен учиться ребенок имеет классификация таких детей. Проблема дифференциации лиц имеющих нарушения слуха интересовала как врачей так и сурдопедагогов. В нашей стране наибольшее распространение получила медицинская классификация нарушений слуха у детей предложенная Л. Если нарушение слуха распространяется на...
33196. ПСИХОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГЛУХИХ ДЕТЕЙ 14.42 KB
  Отсутствие речи влечет за собой различные отклонения психического развития. Словесноречевую систему глухого в основном формируют экспрессивные и импрессивные виды письменной речи. Потребность в общении реализуется с помощью предметов действий рисунков и жестовой речи. Наиболее трудной задачей учебновоспитательного процесса является формирование словесной речи и речевого мышления.