Filtru (electronic)

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 18 noiembrie 2020; verificările necesită 3 modificări .

Un filtru în electronică este un dispozitiv pentru separarea componentelor dorite ale unui spectru de semnal electric și/sau suprimarea celor nedorite.

Tipuri de filtre

Filtrele care găsesc aplicație în procesarea semnalului sunt

Printre numeroasele filtre recursive, următoarele filtre se disting separat (în funcție de tipul funcției de transfer ):

După ordinea (gradul ecuației) funcției de transfer (vezi și LAFCH ), se disting filtre de ordinul întâi, al doilea și superior [1] . Panta filtrului de ordinul 1 în banda de tăiere este de 20 dB pe decada , filtrul de ordinul 2 este de 40 dB pe deceniu etc.

În funcție de frecvențele pe care le trece filtrul (întârzieri), filtrele sunt împărțite

Cum funcționează filtrele analogice pasive

Designurile de filtre analogice pasive folosesc elemente reactive concentrate sau distribuite , cum ar fi inductori și condensatori . Rezistența elementelor reactive depinde de frecvența semnalului, prin urmare, prin combinarea acestora, se poate realiza amplificarea sau atenuarea armonicilor componentelor spectrului (s-ar putea să nu fie armonice) cu frecvențele dorite. Un alt principiu al construirii filtrelor analogice pasive este utilizarea oscilațiilor mecanice (acustice) într-un rezonator mecanic de un design sau altul.

Filtre pe elemente aglomerate

Ca cele mai simple filtre trece jos și înalt, se poate utiliza un circuit RC sau un circuit LR . Cu toate acestea, au o pantă de răspuns la frecvență joasă în banda de suprimare, insuficientă în multe cazuri: doar 6 dB pe octava (sau 20 dB pe decada ) - pentru filtrul RC, care este un filtru de ordinul 1 și 40 dB / decadă pentru Filtrul LC, care este filtrul de ordinul 2. În filtrele pasive, adăugarea oricărei componente reactive la circuitul filtrului crește ordinea filtrului cu 1.

Filtru trece-jos RC de ordinul 1

Cel mai simplu filtru trece-jos de ordinul 1 este prezentat în figură și constă dintr-un rezistor și un condensator conectate în serie , formând un divizor de tensiune al semnalului de intrare. Câștigul complex al unui astfel de divizor este: $R$ $C$ $K_{RC}$

K_{RC}={\frac {U_{a}}{U_{e}}}={\frac {Z_{C}}{R+Z_{C}}}={\frac {1/ j\omega C}{R+1/j\omega C}}={\frac {1}{T^{2}\omega ^{2}+1}}-j\cdot {\frac {T\omega }{T^{2}\omega ^{2}+1}},

unde este constanta de timp a circuitului RC.

T=RC

Modulul de amplificare al acestui circuit este:

|K_{RC}|={\sqrt {\frac {1}{\omega ^{2}/\omega _{0}^{2}+1))},

Unde $\omega _{0}=1/T.$

La frecvența de intrare , modulul câștigului este aproape de 1, cu modulul câștigului aproape de 0, la frecvența , modulul câștigului este - o scădere față de câștigul unitar de aproximativ 3,01 dB, această frecvență se numește frecvența de tăiere a filtrului. În banda de respingere, la o frecvență mult mai mare decât frecvența de tăiere, modulul de câștig scade cu 20 dB pe decada de schimbare a frecvenței. $\omega \ll \omega _{0)$ $\omega \gg \omega _{0)$ $\omega =\omega _{0)$ $|K_{RC}|=1/{\sqrt {2}}$

Filtru trece-jos LC de ordinul 2

Figura prezintă un exemplu de filtru trece-jos LC simplu de ordinul 2: atunci când la intrarea filtrului este aplicat un semnal armonic cu o anumită frecvență (în figura din dreapta), tensiunea la ieșirea filtrul (pe dreapta) în stare staționară este determinat de raportul dintre reactanțele inductorului ( ) și condensatorului ( ). $X_L = \omega L$ $X_C = 1/ \omega C$

Câștigul LPF poate fi calculat considerând acest filtru ca un divizor de tensiune format din reactanțe .

Rezistența complexă (ținând cont de defazajul dintre tensiune și curent) a inductorului este și rezistența complexă a condensatorului , unde este unitatea imaginară, este frecvența unghiulară a semnalului armonic de intrare, prin urmare, pentru un filtru LC descărcat . , coeficientul de transfer va fi exprimat prin formula pentru divizorul de tensiune: $Z_L = j\omega L = jX_L$ $Z_C = 1 / ( j\omega C ) = -j X_C$ ${j}^{2}=-1$ $\omega$ $K$

K={\frac {Z_{C}}{Z_{L}+Z_{C}}}

Înlocuind expresii pentru rezistențele complexe în formula , obținem pentru coeficientul de transfer dependent de frecvență:

$K(\omega )={\frac {1}{1-\omega ^{2}\,LC}}={\frac {1}{1-(\omega /\omega _{0}) ^{2}}}$ .

După cum puteți vedea, coeficientul de transfer al unui filtru trece-jos ideal descărcat, a cărui sursă de semnal este un generator de tensiune ideal cu rezistență internă zero , crește la infinit pe măsură ce frecvența de rezonanță se apropie , deoarece numitorul expresiei tinde spre zero. . Pe măsură ce frecvența crește peste frecvența de rezonanță, ea scade. La frecvențe foarte joase, câștigul LPF este aproape de unitate, la frecvențe foarte înalte este aproape de zero. $\omega_0=1/\sqrt{LC}$

Se obișnuiește să se numească dependența modulului câștigului complex al filtrului de frecvență caracteristica amplitudine-frecvență ( AFC ), iar dependența fazei de frecvență - caracteristica fază-frecvență ( PFC ).

În circuitele reale, o sarcină activă [2] este conectată la ieșirea filtrului , ceea ce scade factorul de calitate al filtrului și elimină o creștere bruscă a coeficientului de transfer în apropierea frecvenței de rezonanță . $\omega_0$

Valoarea se numește impedanța caracteristică a filtrului sau impedanța de undă a filtrului . Dacă filtrul trece-jos este încărcat pe o rezistență activă egală cu caracteristica, atunci funcția de transfer va deveni nerezonantă, coeficientul de transfer va fi aproximativ constant pentru frecvențele și scade ca la frecvențele de mai sus . La o frecvență , câștigul unui astfel de filtru trece-jos este redus cu 3 dB față de câștigul la o frecvență joasă, această frecvență se numește frecvența de tăiere a filtrului. La frecvențe mult peste frecvența de tăiere, câștigul scade cu 40 dB pe deceniu de schimbare a frecvenței. $\rho = \sqrt{L/C}$ $\omega < \omega_0$ $1/\omega^2$ $\omega_0$ $\omega_0$

Filtrul trece-înalt LC este construit într-un mod similar . În circuitul HPF, inductorul și condensatorul sunt interschimbate. Pentru un HPF descărcat, se obține expresia coeficientului de transmisie:

$K(\omega )={\frac {(\omega /\omega _{0})^{2}}{1-(\omega /\omega _{0})^{2}}}$ .

La frecvențe foarte joase, modulul de câștig HPF este aproape de zero. La foarte mare - la unu.

Filtre cu parametri distribuiți (filtre cu microunde)

La frecvențe ultraînalte , elementele concentrate (condensatori și inductori) practic nu sunt utilizate, deoarece odată cu creșterea frecvenței, ratingurile lor tipice pentru acest interval și, prin urmare, dimensiunile lor, scad atât de mult încât fabricarea lor devine imposibilă. Prin urmare, se folosesc așa-numitele linii cu parametri distribuiți, în care inductanța, capacitatea și sarcina activă sunt distribuite uniform sau neuniform pe întreaga linie. Deci, LPF-ul elementar, considerat în secțiunea anterioară, constă din două elemente aglomerate, care sunt un rezonator; în cazul parametrilor distribuiți, filtrul va consta dintr-un singur element rezonator (de exemplu, un segment al unei linii de microbandă sau o tijă metalică).

Designurile filtrelor cu microunde sunt foarte diverse, iar alegerea unei implementări specifice depinde de cerințele dispozitivului (valoarea frecvențelor de operare, factorul de calitate, atenuarea maximă în banda de oprire, locația benzilor de trecere parazite).

Proiectarea filtrelor pe parametrii distribuiți este un proces destul de complicat format din două etape: obținerea parametrilor electrici pe baza cerințelor pentru dispozitiv; obtinerea parametrilor de ansamblu din cei electrici obtinuti. În centrul metodelor moderne de proiectare a filtrului cu microunde se află teoria rezonatorului cuplat .

Filtre electromecanice

Un filtru electromecanic (EMF) conține un sistem rezonant mecanic (rezonator) de un design sau altul. La intrarea și la ieșirea filtrului există traductoare electromecanice care transformă vibrațiile electrice ale semnalului în vibrații mecanice ale fluidului de lucru al filtrului și invers.

EMF s-au răspândit pe căile de frecvență intermediară ale sistemelor radio de înaltă calitate (inclusiv radio militar, maritim, amator și altele). Avantajul lor este un factor de calitate mult mai mare decât filtrele LC echivalente , ceea ce face posibilă obținerea unei selectivități ridicate, care este necesară pentru separarea semnalelor radio apropiate de frecvență în receptoare.

Filtre de unde acustice de suprafață (SAW)

Cum funcționează filtrele analogice active

Filtrele analogice active se bazează pe amplificatoare acoperite de o buclă de feedback (pozitivă sau negativă). În filtrele active, este posibil să se evite utilizarea inductoarelor, ceea ce face posibilă reducerea dimensiunilor fizice ale dispozitivelor, simplificarea și reducerea costului fabricării acestora.

Aplicație

Filtrele LC sunt folosite în circuitele de alimentare pentru a atenua interferența și pentru a netezi ondulațiile de tensiune după redresor . În cascadele echipamentelor electronice, filtrele LC reglabile sunt adesea folosite, de exemplu, cel mai simplu circuit LC inclus la intrarea unui receptor radio cu unde medii oferă acordarea la un anumit post de radio.

Filtrele sunt utilizate în echipamentele audio din egalizatoarele multibandă pentru corectarea răspunsului în frecvență , pentru separarea semnalelor de frecvență audio joasă, medie și înaltă în sistemele acustice multibandă, în circuitele de corecție a frecvenței pentru magnetofone etc.

Vezi și

Note

↑ De regulă[ clarifica ] , ordinea filtrului este egală cu numărul de elemente reactive pe care le conține.
↑ De asemenea, există întotdeauna o rezistență activă a inductorului și o rezistență de ieșire diferită de zero a sursei de semnal, ceea ce scade și factorul de calitate al filtrului.
↑ De exemplu, filtre pe unde acustice de suprafață pentru electronicele receptoarelor staționare de televiziune color.

Literatură

R. Bogner, A. Konstantinides. Introducere în filtrarea digitală. - Moscova: Mir, 1976.
E. Oppenheim. Aplicarea procesării semnalelor digitale. - Moscova: Mir, 1980.
Hanzel G.E. Manual de calcul al filtrului. Ed. A. E. Znamensky. 288 p. din il .. - Moscova: Radio Sovietică, 1974.

Link -uri

Radio
Părți principale	Antenă Hrănitor dispozitiv de potrivire Amplificator Filtru Mixer heterodină sintetizator de frecventa AHR PLL Circuite de frecvență intermediară Detector decodor stereo AGC
Soiuri	detector amplificare directă regenerativ reflex neutrodină kristadin conversie directă Superheterodină Autodyne Radio digital CAM-D SDR DRM Radio HD RDS transceiver receptor de măsurare