Реферат: Электрические фильтры
Электрическими частотными фильтрами называются четырехполюсники, ослаблениекоторых в некоторой полосе частот мало, а в другой полосе частот — велико.Диапазон частот, в котором ослабление мало, называется полосой пропускания, адиапазон частот, в котором ослабление велико — полосой задерживания. Междуэтими полосами часто вводят полосу перехода.
/> Фильтры могут быть пассивными, состоящими изиндуктивностей и емкостей (пассивные LC-фильтры), пассивными,состоящими из сопротивлений и емкостей (пассивные RC-фильтры),активными (ARC-фильтры), кварцевыми, магнитстрикционными, спереключающими конденсаторами, цифровыми (с использованием ЭВМ) и некоторымидругими. Фильтры LC имеют широкое распространение, но в настоящее времяинтенсивно вытесняются ARC-фильтрами. Чрезвычайно перспективными являютсяфильтры с переключающими конденсаторами (AC-фильтры).Кварцевые фильтры обеспецивают очень большие добротности (до десятков тысяч) навысоких частотах, а магнитострикционные--на низких.
Фильтры с характеристиками Баттерворта, Чебышева, Золотарева.
При синтезировании фильтров широкое распространение получили фильтры схарактеристиками, названными именами крупных ученых, чьи труды использовалисьпри разработке данных фильтров — Баттерворта, Чебышева, Золотарева(С.Баттерворт — инженер-электрик, исследовавший фильтры в 30-х годах прошлого(ХХ) века, П. Л. Чебышев (1821-1894) и Е. И. Золотарев (1847-1878) — крупныематематики, академики Петербургской академии наук).
Фильтрами с характеристиками Баттерворта называют фильтры, у которых в ФНЧ принулевой частоте ослабление = 0, в полосе пропускания оно монотонноувеличивается, на граничной частоте достигает 3 дБ, а затем в полосе задержкипостепенно возрастает. Чем больше звеньев имеет фильтр, т. е. чем выше егопорядок, тем круче идет характеристика в полосе задержки и тем меньшеослабление в полосе пропускания. При этом следует иметь в виду, что элементыфильтра считают чисто реактивными. При наличии потерь характеристикиискажаются и отличаются от рассматриваемых.
Фильтрами Чебышева называют фильтры, у которых характеристика ослабления вполосе пропускания имеет колебательный характер с амплитудой, не превышающей 3дБ, а в полосе задерживания — монотонно возрастающей, с крутизной, большей,чем у фильтра Баттерворта такого же порядка. Чем больше амплитуда ослабления вполосе пропускания, тем круче идет характеристика в полосе задерживания инаоборот, чем меньше амплитуда колебания в полосе пропускания, тем меньшекрутизна характеристики в полосе задерживания.
Характеристика фильтра Золотарева имеет в полосе пропускания колебательныйхарактер, а в полосе задерживания — немонотонный, с характерными всплесками.
Кварцевые фильтры.
В реальных условиях добротности катушек составляют десятки, иногда сотни, нодля получения требуемых харктеристик в ряде случаев необходимы добротностизначительно большие, прежде всего в полосовых фильтрах с узкой полосойпропускания. Для таких целей используют кварцевые фильтры.
Кварцевые фильтры работают по следующему принципу: в пластинке,вырезанной из природного материала — кварца, обнаруживаются прямой и обратныйпьезоэлектрический эффекты, состоящие в том, что при сжатии и растяжениипластинки, на одной ее поверхности появляется положительный заряд, а на другой-- отрицательный. Если же покрыть две грани пластинки металлом и приложить кним переменое напряжение, то пластинка станет сжиматься и растягиваться, т. е.получаются механические колебания. Это называется обратным пьезоэлектрическимэффектом. Как всякая колебательная система, кварцевая пластинка имеетсобственную частоту колебаний, которая зависит от её геометрических размеров.Собственная частота кварцевой пластинки при толщине 1 мм составляет единицымегагерц.
/>
Магнитострикционные фильтры.
Колебательные системымогут быть как электрическими, так и механическими. Например, камертон,натянутая струна и тому подобные устройства являются типично колебательнымисистемами. По принципу успользования колебательных свойств подобных деталейразработаны и используются в технике связи электромеханические фильтры,добротности которых весьма высокие — порядка единиц тысяч. Принцип действияэтих фильтров состоит в следующем. Оказалось, что некоторые материалы, напримерникель, феррит и другие, обладают свойствами изменять свою длинну при изменениимагнитного поля, в котором они находятся. Подобный эффект называют магнитострикционным.Он используется в электромеханических магнитострикционных фильтрах, состоящихиз жестко закреплённого никелевого или ферритового стержня длинной в несколькосантиметров. На стержне находится катушка с индуктивностью порядка десяткамикрогенри и постоянный магнит. При протекании по катушке переменного токамагнитное поле изменяется, что приводит к изменению длинны стержней и ихрезонансным частотам.
Подобные фильтры называюттакже магнитострикционными резонаторами. В таких фильтрах W2/W3= 1,01 — 1,10, что соответствует добротностям 2000...4000 и во много разпревышает добротности, которые можно получить в LC-фильтрах.
/>
Линиизадержки.
В любой цепи, содержащейнакопители энергии, максимальные значения мгновенных выходных напряженийсдвинуты по времени относительно аналогчных максимальных входных напряжений.Например в нижеприведенной схеме выходное напряжение отстает по фазе отвходного, из-за чего между этими напряжениями образуется сдвиг во времени.Такое время задержки называют групповым.
/>
Следует отметить, что сповышением частоты время задержки сокращается т. к. ёмкость являетсячастотозависимым элементом.
Активные фильтры.
Фильтры класса ARCназываются активными. На практике наибольшее распространение получили фильтры,у которых в качестве активных элементов используются операционные усилители. />
Цепис переключающими конденсаторами.
Современнаямикроэлектроника позволяет изготавливать на одном кристалле и за одинтехнологический цикл электронные устройства, содержащие большое число элементов-- резисторов, конденсаторов, транзисторов, ОУ и т. д… Однако объем,занимаемый резистором, значительно (иногда до 100 раз) превышает объем,занимаемый конденсатором, причем с увеличением сопротивления резистораувеличиваются его размеры. Таким образом оказалась чрезвычайно перспективнойидея — заменить резисторы некоторой, пусть даже многоэлементной схемой, но несодержащей резистивных элементов.
Такая замена весьмасущественна также и потому, что уменьшение числа резисторов снижаетпотребляемую мощность и выделение тепла в микросхеме.
Рассмотрим такую замену насхемах 1 и 2.
/>
Пусть имеется схема 1, если U1 > U2, то по цепи потечет ток от точки а к точке в. Заменим теперь схему 1схемой 2. переключатель К в некоторый момент переведём из положения 2 вположение 1. Поскольку напряжение на конденсаторе отлично от напряжения U1,конденсатор станет заряжаться и в ветви первого источника потечет ток, также,как он протекал в схеме 1. После переключения ключа в положение 2, конденсаторстанет разряжаться и в проводнике в окажется ток. Эти переключения производят сдостаточно большой частотой, которую называют тактовой. В качествепереключателя используют специальное электронное устройство, не содержащеерезисторов.
Цифровыефильтры.
Цифровые фильтры(эквалайзеры) получили широкое распространение благодаря интенсивному развитиюЭВМ.
Возможности такихэквалайзеров практически неограничены (зависит от сложности программы). Приобработке цифровым эквалайзером есть возможность установить добротность до10000,
коэффициент усиления наопределенной частоте может достигать 50 дБ, а ослабления — до отрицательнойбесконечности (полного подавления частоты), чего никогда не удастся получить нааналоговых фильтрах! Цифровые эквалайзеры не дают фазовых сдвигов частот, хотяесли надо это симитировать, то подобное не проблема. Цифровые эквалайзерыникогда не добавят шум в сигнал, т. к. обрабатывается оцифрованный сигнал икачество этой обработки зависит от сложности алгоритма, частоты дискретизации ибитности.