Электронный фильтр

1. История [ редактировать ]
2. [ редактировать ]
3. Типы отдельных элементов [ редактировать ]
4. L фильтр [ редактировать ]
5. T и π фильтры [ редактировать ]
6. Несколько типов элементов [ редактировать ]
7. Активные фильтры [ редактировать ]
8. Другие технологии фильтрации [ редактировать ]
9. Передаточная функция [ редактировать ]
10. [ редактировать ]
11. [ редактировать ]
12. Прямой анализ цепи [ редактировать ]
13. Анализ импеданса изображения [ редактировать ]
14. Сетевой синтез [ редактировать ]
15. Смотрите также [ редактировать ]

Электронные фильтры являются разновидностью фильтр обработки сигналов в виде электрических цепей, состоящих из сосредоточенными ) электронные компоненты. Такие фильтры удаляют нежелательные частотные составляющие из подаваемого сигнала, усиливают полезные или оба. Электронные фильтры могут быть:

Наиболее распространенные типы электронных фильтров линейные фильтры независимо от других аспектов их дизайна. См. Статью о линейных фильтрах для деталей об их дизайне и анализе.

История [ редактировать ]

Самые старые формы электронных фильтров - это пассивные аналоговые линейные фильтры, построенные с использованием только резисторы а также конденсаторы или резисторы и индукторы , Они известны как RC и RL одно- столб фильтры соответственно. Однако эти простые фильтры имеют очень ограниченное применение. Многополюсные LC-фильтры обеспечивают больший контроль формы ответа, полосы пропускания и переходные полосы , Первый из этих фильтров был постоянный фильтр k , изобретенный Джордж Кэмпбелл в 1910 году. Фильтр Кэмпбелла был лестничной сетью, основанной на линия передачи теория. Вместе с улучшенными фильтрами Отто Зобель и другие, эти фильтры известны как фильтры параметров изображения , Важный шаг вперед был сделан Вильгельм Кауэр кто основал поле синтез сети во время Вторая Мировая Война , Теория Кауэра позволила построить фильтры, которые точно следовали некоторой заданной частотной функции.

[ редактировать ]

Пассивные фильтры [ редактировать ]

Пассивные реализации линейных фильтров основаны на комбинациях резисторы (Р), индукторы (Земельные участки конденсаторы (С). Эти типы вместе известны как пассивные фильтры , потому что они не зависят от внешнего источника питания и / или не содержат активных компонентов, таких как транзисторы.

Индукторы блокируют высокочастотные сигналы и проводят низкочастотные сигналы, в то время как конденсаторы сделать обратное. Фильтр, в котором сигнал проходит через катушка индуктивности или в котором конденсатор обеспечивает путь к земле, представляет меньше затухание к низкочастотным сигналам, чем высокочастотные сигналы и, следовательно, является фильтр нижних частот , Если сигнал проходит через конденсатор или имеет путь к земле через индуктор, тогда фильтр представляет меньшее затухание высокочастотных сигналов, чем низкочастотные сигналы, и поэтому является фильтр верхних частот , Резисторы сами по себе не имеют частотно-избирательных свойств, но добавляются к индукторам и конденсаторам для определения постоянных времени цепи и, следовательно, частот, на которые она реагирует.

Индукторы и конденсаторы являются реактивный элементы фильтра. Количество элементов определяет порядок фильтра. В этом контексте LC настроенная схема использование в полосовом или полосовом фильтре считается отдельным элементом, даже если он состоит из двух компонентов.

На высоких частотах (выше около 100 мегагерц ), иногда индукторы состоят из отдельных петель или полос из листового металла, а конденсаторы состоят из смежных полос из металла. Эти индуктивные или емкостные куски металла называются заглушки ,

Типы отдельных элементов [ редактировать ]

Простейшие пассивные фильтры, RC а также RL фильтры, включают только один реактивный элемент, кроме гибридный фильтр LC который характеризуется индуктивностью и емкостью, объединенной в одном элементе. [1]

L фильтр [ редактировать ]

Фильтр L состоит из двух реактивных элементов, один последовательно и один параллельно.

T и π фильтры [ редактировать ]

Трехэлементные фильтры могут иметь топологию 'T' или 'π', а в любой геометрии НЧ , высокая частота , полосовой , или же полосно-стоп характеристика возможна. Компоненты могут быть выбраны симметричными или нет, в зависимости от требуемых частотных характеристик. Т-фильтр высоких частот на иллюстрации имеет очень низкий импеданс на высоких частотах и ​​очень высокий импеданс на низких частотах. Это означает, что его можно вставить в линию передачи, что приведет к пропусканию высоких частот и отражению низких частот. Аналогично, для проиллюстрированного π-фильтра нижних частот схема может быть соединена с линией передачи, передающей низкие частоты и отражающей высокие частоты. С помощью м-производный фильтр В секциях с правильными оконечными импедансами входной импеданс может быть достаточно постоянным в полосе пропускания. [2]

Несколько типов элементов [ редактировать ]

Многоэлементные фильтры обычно строятся как лестничная сеть , Их можно рассматривать как продолжение L, T и π конструкций фильтров. Требуется больше элементов, когда необходимо улучшить некоторые параметры фильтра, такие как подавление полосы останова или наклон перехода от полосы пропускания к полосе останова.

Активные фильтры [ редактировать ]

Активные фильтры реализованы с использованием комбинации пассивных и активных (усиливающих) компонентов и требуют внешнего источника питания. Операционные усилители часто используются в активных конструкциях фильтров. Это может иметь высокий Добротность и может достичь резонанс без использования индукторов. Однако их верхний предел частоты ограничен полосой пропускания усилителей.

Другие технологии фильтрации [ редактировать ]

Существует много технологий фильтрации, кроме электроники с сосредоточенными компонентами. Они включают цифровые фильтры , хрустальные фильтры , механические фильтры , поверхностная акустическая волна (SAW) фильтры, фильтры объемной акустической волны (BAW), гранатовые фильтры и атомные фильтры (используются в атомные часы ).

Передаточная функция [ редактировать ]

функция передачи H (s) {\ displaystyle \ H (s)} фильтра - это отношение выходного сигнала Y (s) {\ displaystyle \ Y (s)} на входной сигнал X (s) {\ displaystyle \ X (s)} как функция комплексной частоты s {\ displaystyle \ s} :

H (s) = Y (s) X (s) {\ displaystyle \ H (s) = {\ frac {Y (s)} {X (s)}}}

с s = σ + j ω {\ displaystyle \ s = \ sigma + j \ omega} ,

Передаточная функция всех линейных не зависящих от времени фильтров при построении из дискретных компонентов будет отношением двух полиномов в s {\ displaystyle \ s} то есть рациональная функция из s {\ displaystyle \ s} , Порядок передаточной функции будет наибольшей степенью s {\ displaystyle \ s} встречаются либо в числителе или знаменателе.

[ редактировать ]

Электронные фильтры могут быть классифицированы по технологии, используемой для их реализации. Использование фильтров пассивный фильтр а также активный фильтр технология может быть далее классифицирована частным топология электронного фильтра используется для их реализации.

Любая заданная функция передачи фильтра может быть реализована в любом топология электронного фильтра ,

Некоторые общие топологии схемы:

[ редактировать ]

Исторически сложилось так, что линейный дизайн аналоговых фильтров развивался благодаря трем основным подходам. Самые старые конструкции - это простые схемы, где основным критерием Добротность схемы. Это отражало применение фильтрации радиоприемником, так как Q был мерой частотной избирательности схемы настройки. С 1920-х годов фильтры начали разрабатываться с образ Точка зрения, в основном, определяется требованиями телекоммуникаций. После Вторая Мировая Война доминирующая методология была синтез сети , Изначально используемая высшая математика требовала публикации обширных таблиц значений полиномиальных коэффициентов, но современные компьютерные ресурсы сделали это ненужным. [3]

Прямой анализ цепи [ редактировать ]

Фильтры низкого порядка могут быть разработаны путем непосредственного применения основных законов цепи, таких как Законы Кирхгофа получить передаточную функцию. Этот вид анализа обычно выполняется только для простых фильтров 1-го или 2-го порядка.

Анализ импеданса изображения [ редактировать ]

Этот подход анализирует секции фильтра с точки зрения того, что фильтр находится в бесконечной цепочке идентичных секций. Он обладает преимуществами простоты подхода и способности легко распространяться на более высокие заказы. Недостатком является то, что точность прогнозируемых откликов зависит от окончания фильтра в импедансе изображения, что обычно не так. [4]

Сетевой синтез [ редактировать ]

Подход синтеза сети начинается с требуемой передаточной функции, а затем выражается в виде полиномиального уравнения входного сопротивления фильтра. Фактические значения элементов фильтра получаются с помощью разложений с продолженной или частичной дробью этого полинома. В отличие от метода изображения, нет необходимости в сетях согласования импедансов на концах, так как эффекты согласующих резисторов включаются в анализ с самого начала. [4]

Вот изображение, сравнивающее Баттерворта, Чебышева и эллиптические фильтры. Все фильтры на этом рисунке - фильтры нижних частот пятого порядка. Конкретная реализация - аналоговая или цифровая, пассивная или активная - не имеет значения; их вывод будет таким же.

Как видно из изображения, эллиптические фильтры острее, чем все остальные, но они демонстрируют пульсации во всей полосе пропускания.

Смотрите также [ редактировать ]

Примечания и ссылки [ редактировать ]

1. ^ Джанхотов В., Гибридный LC-фильтр для силовых электронных приводов: теория и реализация , 2009
2. ^ Американская лига радиопередач, Inc .: «Справочник АРРЛ, 1968», стр. 50
3. ^ Брей Дж. Инновации и революция в коммуникациях , Институт инженеров-электриков
4. ^ б Matthaei, Young, Jones СВЧ-фильтры, сети с согласованием импедансов и структуры связи McGraw-Hill 1964

• Зверев Анатолий Иванович (1969). Справочник по синтезу фильтров . Джон Вили и сыновья. ISBN 0-471-98680-1 , Каталог типов пассивных фильтров и значений компонентов. Библия для практического дизайна электронных фильтров.
• Уильямс, Артур Б; Тейлор, Фред Дж. (1995). Электронное руководство по дизайну фильтров . McGraw-Hill. ISBN 0-07-070441-4 ,

Внешняя ссылка [ редактировать ]

Похожие

Комментарии