Реферат: Электрические фильтры
Электрические фильтры.
Электрическими частотными фильтраминазываются четырехполюсники, ослабление которых в некоторой полосе частот мало,а в другой полосе частот — велико. Диапазон частот, в котором ослабление мало,называется полосой пропускания, а диапазон частот, в котором ослабление велико-- полосой задерживания. Между этими полосами часто вводят полосу перехода.
<img src="/cache/referats/7022/image002.jpg" v:shapes="_x0000_i1025"> Фильтрымогут быть пассивными, состоящими из индуктивностей 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 LCимеют 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 широкоераспространение получили фильтры с характеристиками, названными именами крупныхученых, чьи труды использовались при разработке данных фильтров — Баттерворта,Чебышева, Золотарева (С.Баттерворт — инженер-электрик, исследовавший фильтры в30-х годах прошлого (ХХ) века, П. Л. Чебышев (1821-1894) и Е. И. Золотарев(1847-1878) — крупные математики, академики Петербургской академии наук).
Фильтрами с характеристиками Баттервортаназывают фильтры, у которых в ФНЧ при нулевой частоте ослабление = 0, в полосепропускания оно монотонно увеличивается, на граничной частоте достигает 3 дБ, азатем в полосе задержки постепенно возрастает. Чем больше звеньев имеет фильтр,т. е. чем выше его порядок, тем круче идет характеристика в полосе задержки итем меньше ослабление в полосе пропускания. При этом следует иметь в виду, чтоэлементы фильтра считают чисто реактивными. При наличии потерь характеристикиискажаются и отличаются отрассматриваемых.
Фильтрами Чебышева называют фильтры, укоторых характеристика ослабления в полосе пропускания имеет колебательныйхарактер с амплитудой, не превышающей 3 дБ, а в полосе задерживания — монотонно возрастающей, с крутизной, большей, чем у фильтра Баттерворта такогоже порядка. Чем больше амплитуда ослабления в полосе пропускания, тем кручеидет характеристика в полосе задерживания и наоборот, чем меньше амплитуда колебания в полосе пропускания, темменьше крутизна характеристики в полосе задерживания.
Характеристика фильтра Золотарева имеет вполосе пропускания колебательный характер, а в полосе задерживания — немонотонный, с характерными всплесками.
Кварцевые фильтры.
В реальных условиях добротности катушексоставляют десятки, иногда сотни, но для получения требуемых харктеристик вряде случаев необходимы добротностизначительно большие, прежде всего в полосовых фильтрах с узкой полосойпропускания. Для таких целей используют кварцевые фильтры.
Кварцевые фильтры работают по следующемупринципу:в пластинке, вырезанной из природного материала — кварца, обнаруживаются прямой и обратный пьезоэлектрический эффекты, состоящиев том, что при сжатии и растяжении пластинки, на одной ее поверхностипоявляется положительный заряд, а на другой — отрицательный. Если же покрытьдве грани пластинки металлом и приложить к ним переменое напряжение, топластинка станет сжиматься и растягиваться, т. е. получаются механическиеколебания. Это называется обратным пьезоэлектрическим эффектом. Как всякаяколебательная система, кварцевая пластинка имеет собственную частоту колебаний,которая зависит от её геометрических размеров. Собственная частота кварцевойпластинки при толщине 1 мм составляет единицы мегагерц.
<img src="/cache/referats/7022/image004.jpg" v:shapes="_x0000_i1026">
Магнитострикционные фильтры.
Колебательныесистемы могут 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 фильтрыназывают также магнитострикционными резонаторами. В таких фильтрах W2/W3= 1,01-- 1,10, что соответствует добротностям 2000...4000 и во много раз превышаетдобротности, которые можно получить в LC-фильтрах.
<img src="/cache/referats/7022/image006.jpg" v:shapes="_x0000_i1027">
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.
<img src="/cache/referats/7022/image008.jpg" v:shapes="_x0000_i1028">
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. <img src="/cache/referats/7022/image010.jpg" v:shapes="_x0000_i1029">
Цепи с 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 весьма существенна также и потому, чтоуменьшение числа резисторов снижает потребляемую мощность и выделение тепла вмикросхеме.
Рассмотрим такуюзамену на схемах 1 и 2.
<img src="/cache/referats/7022/image012.jpg" v:shapes="_x0000_i1030">
Пусть имеется схема 1, если U1 > U2, то поцепи потечет ток от точки а к точке в. Заменим теперь схему 1 схемой 2.переключатель К в некоторый момент переведём из положения 2 в положение 1.Поскольку напряжение на конденсаторе отлично от напряжения U1,конденсатор станет заряжаться и в ветвипервого источника потечет ток, также, как он протекал в схеме 1. Послепереключения ключа в положение 2, конденсатор станет разряжаться и в проводникев окажется ток. Эти переключения производят с достаточно большой частотой,которую называют тактовой. В качестве переключателя используют специальноеэлектронное устройство, не содержащее резисторов.
Цифровые фильтры.
Цифровые фильтры(эквалайзеры) получили широкое распространение благодаря интенсивному развитиюЭВМ.
Возможности таких эквалайзеров практически неограничены(зависит от сложности программы). При обработке цифровым эквалайзером естьвозможность установить добротность до 10000,
коэффициент усиления на определенной частоте можетдостигать 50 дБ, а ослабления — до отрицательной бесконечности (полногоподавления частоты), чего никогда не удастся получить на аналоговых фильтрах!Цифровые эквалайзеры не дают фазовых сдвигов частот, хотя если надо это симитировать,то подобное не проблема. Цифровые эквалайзеры никогда не добавят шум в сигнал,т. к. обрабатывается оцифрованный сигнал и качество этой обработки зависит отсложности алгоритма, частоты дискретизации и битности.