Амплитудно-частотные фильтры

 

По виду амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) фильтры подразделяются следующим образом:

фильтры нижних частот (ФНЧ);

фильтры верхних частот (ФВЧ);

полосно-пропускающие фильтры (ППФ);

полосно-заграждающие фильтры (ПЗФ).

Фильтры нижних частот пропускают сигналы с частотами ниже частоты среза и исключают прохождение сигналов с частотами выше частоты среза. Фильтры верхних частот пропускают сигналы выше частоты среза и исключают прохождение сигналов с частотами ниже частоты среза.

Полосно-пропускающие фильтры (полосовые фильтры, фильтры сосредоточенной селекции) пропускают сигналы с частотами в диапазоне между заданными частотами среза, исключая прохождение сигналов с частотами в диапазоне между заданными частотами среза, пропуская сигналы с частотами вне этого диапазона частот.

Полосно-заграждающие фильтры исключают прохождение сигналов с частотами в диапазоне между заданными частотами среза, пропуская сигналы с частотами вне этого диапазона частот.

 

Пассивные фильтры

 

Пассивный фильтр - электронный фильтр, состоящий только из пассивных компонентов. Пассивные фильтры не требуют никакого источника энергии для своего функционирования. В отличие от активных фильтров в пассивных фильтрах не происходит усиления сигнала по мощности. Практически всегда пассивные фильтры являются линейными. Пассивные фильтры реализуются на основе пассивных элементов - резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности. Такие фильтры просты в реализации, реализуются в широком диапазоне частот (от инфразвуковых частот, до ультракоротковолнового диапазона радиочастот), обладают большим динамическим диапазоном. Но при реализации пассивных фильтров следует учитывать, что на их элементах рассеивается энергия сигнала. Поэтому необходимо учитывать ослабление полезного сигнала в полосе пропускания пассивного фильтра, которая увеличивается при увеличении числа звеньев фильтра. При этом ослабление полезного сигнала в полосе пропускания больше у фильтров реализованных на резисторах и конденсаторах, чем у фильтров, реализованных на катушках индуктивности и конденсатора. Поэтому многозвенные пассивные фильтры реализуют в основном на катушках индуктивности и конденсаторах.

Структуры схем фильтров

 

Фильтры типа k называются электрические фильтры состоящие из последовательного и параллельного соединений простейших Г-образных «полузвеньев». Такие фильтры имеют несколько разновидностей:

фильтры нижних частот;

фильтры верхних частот;

полосовые фильтры;

режекторные фильтры.

Свойства фильтра характеризуются частотами среза (ƒ с1 и ƒ с2), полосой пропускания (П) или задержания (ƒ с2-ƒ с1) и коэффициентом затухания (b).

По своей структуре схемы фильтры подразделяют на фильтры Г-, Т- и П- структур. Простейшим является фильтр Г- структуры(рис.1.1). Модель фильтра при этом состоит Z₁ и Z₂ . Параметр Z обозначает сопротивление схемного элемента фильтра сигнальным током.

Рис.1.1 Модель фильтра Г-структуры

 

Переход к другим структурам фильтров осуществляется за счет добавления в схему фильтра Г-структуры дополнительного элемента.

Модель фильтра Т-структуры состоит из 3-х системных элементов: 2-х элементов Z₁ / 2, и одного элемента Z₂ (рис.1.2).

 

Рис.1.2 Модель фильтра Т-структуры

 

При изменении схемы их соединения можно получить модель фильтра П-структуры(рис.1.3).

Модель фильтра П-структуры состоит из 3-х схемных элементов: одного элемента Z₁ и 2-х элементов 2Z₂ .

 

Рис.1.3 Модель фильтра П-структуры

Одно из отличий фильтров Т- и П-структур заключается в характере их входных и выходных сопротивлений и изменения их с частотой, что необходимо учитывать при проектировании конкретных электронных устройств.

Отмеченные типы фильтров могут применяться как в виде первичной простой структуры, так и в виде цепочки, составленной из нескольких простых структур, количество которых зависит от требуемой селективности фильтра.

Фильтры типа k:

1. Фильтры нижних частот - один из видов аналоговых < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%92%D0%9C> или электронных фильтров < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B8%D0%BB%D1%8C%D1%82%D1%80_(%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B0)>, эффективно пропускающий частотный спектр сигнала < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B8%D0%B3%D0%BD%D0%B0%D0%BB> ниже некоторой частоты (частоты среза < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A7%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%82%D0%B0_%D1%81%D1%80%D0%B5%D0%B7%D0%B0> ), и уменьшающий (подавляющий) частоты сигнала выше этой частоты. Степень подавления каждой частоты зависит от вида фильтра.

В схемах пассивных аналоговых фильтров используют реактивные элементы < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B5%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D1%81%D0%BE%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5>, такие как катушки индуктивности < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%88%D0%BA%D0%B0_%D0%B8%D0%BD%D0%B4%D1%83%D0%BA%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8> и конденсаторы < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D0%BD%D0%B4%D0%B5%D0%BD%D1%81%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80>. Сопротивление реактивных элементов зависит от частоты сигнала, поэтому, комбинируя такие элементы, можно добиться усиления или ослабления гармоник < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B0%D1%80%D0%BC%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B5_%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%B1%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F> с нужными частотами.

Идеальный фильтр нижних частот (sinc-фильтр < http: //ru.wikipedia.org/wiki/Sinc-%D1%84%D0%B8%D0%BB%D1%8C%D1%82%D1%80> ) полностью подавляет все частоты входного сигнала выше частоты среза и пропускает без изменений все частоты ниже частоты среза. Переходной зоны между частотами полосы подавления < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D1%81%D0%B0_%D0%BF%D0%BE%D0%B4%D0%B0%D0%B2%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F> и полосы пропускания < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D1%81%D0%B0_%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%BF%D1%83%D1%81%D0%BA%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F> не существует. Идеальный фильтр нижних частот может быть реализован лишь теоретически с помощью умножения входного сигнала на прямоугольную функцию < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D1%80%D1%8F%D0%BC%D0%BE%D1%83%D0%B3%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%84%D1%83%D0%BD%D0%BA%D1%86%D0%B8%D1%8F> в частотной области, или, что даёт тот же эффект, свёртки < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B2%D1%91%D1%80%D1%82%D0%BA%D0%B0_(%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D0%B0%D0%BD%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D0%B7)> сигнала во временно́ й области с sinc < http: //ru.wikipedia.org/wiki/Sinc> -функцией.

. Фильтры верхних частот - электронный < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B8%D0%BB%D1%8C%D1%82%D1%80_(%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B0)> или любой другой фильтр, пропускающий высокие частоты < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A7%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%82%D0%B0> входного сигнала, при этом подавляя частоты сигнала ниже частоты среза < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A7%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%82%D0%B0_%D1%81%D1%80%D0%B5%D0%B7%D0%B0>. Степень подавления зависит от конкретного типа фильтра. Схемы таких фильтров можно получить, заменив в схемах фильтров нижних частот, выполняющих обратную задачу, элементы, плохо проводящие токи высоких частот на хорошо проводящие и наоборот, т.е. заменив конденсаторы на катушки индуктивности, а катушки на конденсаторы Простейший электронный фильтр верхних частот состоит из последовательно соединённых конденсатора < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D0%BA%D0%BE%D0%BD%D0%B4%D0%B5%D0%BD%D1%81%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80> и резистора < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B5%D0%B7%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%80>. Конденсатор пропускает лишь переменный ток, а выходное напряжение снимается с резистора.

. Полосовой фильтр (полосно-пропускающий) - фильтр < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B8%D0%BB%D1%8C%D1%82%D1%80>, который пропускает частоты < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A7%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%82%D0%B0>, находящиеся в некоторой полосе частот.

Полосовой фильтр - линейная система < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B8%D0%BD%D0%B5%D0%B9%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%81%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0> и может быть представлен в виде последовательности, состоящей из фильтра нижних частот < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B8%D0%BB%D1%8C%D1%82%D1%80_%D0%BD%D0%B8%D0%B6%D0%BD%D0%B8%D1%85_%D1%87%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%82> и фильтра верхних частот < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B8%D0%BB%D1%8C%D1%82%D1%80_%D0%B2%D0%B5%D1%80%D1%85%D0%BD%D0%B8%D1%85_%D1%87%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%82>.

Идеальные полосовые фильтры характеризуются двумя характеристиками

·         нижняя частота среза ;

·      верхняя частота среза .

В свою очередь, реализация полосового фильтра характеризуется шестью характеристиками

·      нижняя граница частоты пропускания ;

·      верхняя граница частоты пропускания .

·      нижняя граница частоты задержания ;

·      верхняя граница частоты задержания ;

а также

·      максимальное подавление в полосе пропускания ;

·      минимальное подавление в полосе подавления .

Примером реализации такого фильтра может служить колебательный контур < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%B1%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BA%D0%BE%D0%BD%D1%82%D1%83%D1%80> (цепь из последовательно соединенных резистора, конденсатора и индуктивности)

. Режекторные фильтры (Полосно-заграждающие фильтр < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B8%D0%BB%D1%8C%D1%82%D1%80_(%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B0)> ы) - электронный < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%84%D0%B8%D0%BB%D1%8C%D1%82%D1%80> или любой другой фильтр, не пропускающий колебания < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%B1%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5> некоторой определённой полосы частот < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A7%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%82%D0%B0>, и пропускающий колебания с частотами < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A7%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%82%D0%B0>, выходящими за пределы этой полосы. Эта полоса подавления характеризуется шириной BW и расположена приблизительно вокруг центральной частоты ω 0 (рад/с), или fо=ω 0/2•3, 14 (Гц).Для реальной амплитудно-частотной характеристики частоты ω L и ω U представляют собой нижнюю и верхнюю частоты среза. Заграждающий фильтр, предназначенный для подавления одной определённой частоты, называется узкополосным заграждающим фильтром

⇐ Предыдущая123Следующая ⇒

Поделиться: