Тема №39 Классификация устройств фильтрации

Тема №39

Классификация устройств фильтрации

1. Опишите электрические фильтры в зависимости от диапазона частот, пропускаемых фильтром

2. Опишите электрические фильтры в зависимости от типов, входящих в них элементов

3. Опишите разновидности электрических фильтров, различаемых по структуре соединения элементов

4. Опишите электрические фильтры по характеристикам

5. Опишите электрические фильтры по виду математических функций, аппроксимирующих частотные характеристики фильтра

6. Опишите пассивные фильтры

7. Опишите активные фильтры

Привести классификацию устройств фильтрации.

Электрическими фильтрами называются четырехполюсники предназначенные для пропускания сигналов в определенных частотных диапазонах с возможно малым затуханием и подавления сигналов на частотах вне этих диапазонов.

Классификация электрических фильтров может быть проведена по ряду признаков:

- по пропускаемым частотам;

- по типам входящих в фильтры элементов;

- по структуре соединения элементов;

- по характеристикам;

- по виду математических функций, аппроксимирующих частотные характеристики фильтра.

В зависимости от диапазона частот, пропускаемых фильтром различают фильтры:

- нижних частот, полоса пропускания которых лежит в диапазоне от до некоторой частоты среза (рис. 62, а);

- верхних частот, полоса пропускания которых находится в диапазоне от до (рис.62, б);

- полосовые, полоса пропускания которых лежит в диапазоне от до (рис 62, в);

- заграждающие, полоса пропускания которых находится в диапазоне от до , и от до , т.е. эти фильтры не пропускают сигналы, частоты которых лежат в диапазоне от до (рис. 62, г).

Рисунок 62 Амплитудно-частотные характеристики коэффициента передачи по напряжению идеальных фильтров

В зависимости от типов входящих в них элементов электрические фильтры подразделяют на следующие группы:

- пассивные(реактивные LC-фильтры и резистивно-емкостные RC-фильтры);

- активные (ARC-фильтры);

- фильтры, использующие различные физические эффекты в твердых телах (пьезоэлектрические, магнитострикционные, акустооптические и т.п.).

По структуре соединения элементов электрические фильтры подразделяются на Г-образные, Т-образные, П-образные и мостовые. В зависимости от числа фильтров могут быть однозвенными и многозвенными.

Фильтры обычно являются симметричными и четырехполюсниками. Т-образные и П-образные фильтры образуются из двух Г-образных фильтров. На рис. 63 показаны комплексные схемы замещения фильтров.

Рисунок 63 Электрические фильтры

По характеристикам фильтры подразделяются на фильтры типа k и фильтры типа m.

Фильтры типа k – это фильтры, в которых произведение продольного сопротивления на поперечное является некоторым постоянным для данного фильтра числом, не зависящем от частоты, т.е. для них .

Фильтры, для которых произведение продольного сопротивления на поперечное не является постоянным, зависит от частоты, называют фильтрами типа m, для них .

По виду математических функций, аппроксимирующих частотные характеристики фильтра существуют фильтры Чебышева, Баттерворта, Золотарева, Бесселя и др.

1. Описать принцип действия и конструкцию различных фильтров.

Классифицировать электрические фильтры можно по различным признакам. Аналоговые фильтры применяются для обработки непрерывных во времени сигналов, цифровые – для дискретных во времени и квантованных по амплитуде сигналов.

Аналоговые фильтры, в свою очередь, можно разделить на сосредоточенные или распределенные в зависимости от рабочего частотного диапазона или же на активные и пассивные в зависимости от схемотехнической реализации

Фильтр Чебышева Данный фильтр применяется в случаях, когда ключевое требование к фильтру – неравномерность АЧХ в окне прозрачности не должна превышать

некоторой величины, например, 1 дБ

Фильтр Бесселя

В случаях, когда наиболее важным критерием является отсутствие фазовых искажений и сохранение формы сигнала, используют линейно-фазовый фильтр, то есть фильтр с постоянным значением временного запаздывания. Наиболее плоской ФЧХ в полосе пропускания обладает фильтр Бесселя

Аналоговые фильтры. Пассивные аналоговые фильтры Данный вид фильтров относительно прост в схемотехнической реализации и включает только пассивные элементы – сопротивления и емкости. Поскольку импеданс конденсаторов 𝑧𝑐 = − 𝑗 ω𝐶 имеет частотную зависимость, можно создавать частотно-зависимые делители напряжения из резисторов и конденсаторов. Такие схемы будут пропускать сигналы определенной частоты, подавляя остальные. Пассивные фильтры функционируют без источника питания. В них сигнал не усиливается по мощности, в отличие от активных схем. В качестве примера можно привести несколько популярных схемотех- нических решений пассивных RC-фильтров: Простейшие однозвенные фильтры, «пассивные четырехполюсники», представляют собой делители напряжения из двух пассивных двухполюсных элементов – в данном случае резистора и конденсатора (рис. 64).

Рисунок 64 Простейшие фильтры: а – ФНЧ, б – ФВЧ

Пассивные RC-фильтры, упомянутые выше, обладают пологими характеристиками спада коэффициента усиления с крутизной 6 дБ/октава. Такие фильтры хорошо подходят для решения многих задач, при которых нежелательный и полезный сигналы находятся остаточно далеко друг от друга по оси частот. Но зачастую частоты сигнала и шума имеют близкие значения. В этом случае возникает необходимость использования фильтра с более резкими спадами.

Активные фильтры широко применяются во многих областях электроники. Используя активные элементы – операционные усилители или транзисторы, можно добиться поведения схемы, как у любого RLC-фильтра, не используя катушки индуктивности. Наиболее часто такие фильтры используются в низкочастотных приборах, где катушки индуктивности неприемлемы из-за громоздкости и низкого качества. На существующих активных компонентах диапазон применения активных фильтров начинается с постоянного тока и заканчивается в области сотен кГц. На момент первых разработок данного типа фильтров роль активных элементов электроники выполняли вакуумные лампы м. Позднее, в результате удешевления транзисторов, наиболее популярными активными элементами стали операционные усилители – модульные компоненты, состоящие из транзисторов и сопротивлений. Постепенное снижение стоимости операционных усилителей позволяло разработчикам проектировать схемы с использованием все большего числа активных элементов, добиваясь улучшения функциональных характеристик – чувствительности, устойчивости, точности настройки.

Активные схемы могут выполнять любые задачи фильтрации сигнала–ФНЧ, ФВЧ, полосно-пропускающая и полосоподавляющая фильтрация.

Рисунок 65 Схема фильтра Саллена и Кея