Szűrő (elektronika)

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2020. november 18-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 3 szerkesztést igényelnek .

A szűrő az elektronikában egy olyan eszköz, amely az elektromos jelspektrum kívánatos összetevőit leválasztja és/vagy elnyomja a nem kívántakat .

Szűrőtípusok

A jelfeldolgozásban alkalmazható szűrők

A sok rekurzív szűrő között a következő szűrőket különítjük el (az átviteli függvény típusától függően ):

Az átviteli függvény (lásd még LAFCH ) sorrendje (az egyenlet foka) szerint megkülönböztetünk első, második és magasabb rendű szűrőket [1] . Az elsőrendű szűrő meredeksége a levágási sávban 20 dB dekádonként , a 2. rendű szűrőé 40 dB dekádonként stb.

Aszerint, hogy a szűrő milyen frekvenciákon halad át (késleltetés), a szűrők fel vannak osztva

A passzív analóg szűrők működése

A passzív analóg szűrők összegyűjtött vagy elosztott reaktív elemeket , például induktorokat és kondenzátorokat használnak . A reaktív elemek ellenállása a jel frekvenciájától függ, ezért ezek kombinálásával a spektrumkomponensek harmonikusainak felerősítése vagy csillapítása érhető el (lehet, hogy nem harmonikusok) a kívánt frekvenciákkal. A passzív analóg szűrők felépítésének másik alapelve a mechanikai (akusztikus) rezgések alkalmazása egy ilyen vagy olyan kialakítású mechanikus rezonátorban.

Szűrők az összevont elemeken

A legegyszerűbb alu- és felüláteresztő szűrőként RC vagy LR áramkör használható . Azonban az elnyomási sávban alacsony frekvencia-válasz meredekségük van, sok esetben elégtelen: csak 6 dB oktávonként (vagy 20 dB dekádonként ) - az RC szűrő esetében, amely egy elsőrendű szűrő, és 40 dB / dekád a LC szűrő, ami egy 2. rendű szűrő. A passzív szűrőkben bármely reaktív komponens hozzáadása a szűrőáramkörhöz 1-gyel növeli a szűrők sorrendjét.

1. rendű RC aluláteresztő szűrő

A legegyszerűbb elsőrendű aluláteresztő szűrő az ábrán látható, és egy sorba kapcsolt ellenállásból és kondenzátorból áll , amelyek a bemeneti jel feszültségosztóját képezik . Egy ilyen osztó összetett nyeresége : $R$ $C$ $K_{RC}$

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}},

ahol az RC áramkör időállandója.

T=RC

Ennek az áramkörnek az erősítési modulusa:

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

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

A bemeneti frekvencián az erősítési modulus közel 1, az erősítés modulusa közel 0, a frekvencián az erősítés modulusa - csökkenés az egységnyi erősítéshez képest körülbelül 3,01 dB, ez a frekvencia szűrő vágási frekvenciának nevezzük. Az elutasítási sávban a vágási frekvenciánál jóval magasabb frekvencián az erősítési modulus 20 dB-lel csökken a frekvenciaváltozás dekádjánként. ${\displaystyle \omega \ll \omega _{0))$ ${\displaystyle \omega \gg \omega _{0))$ ${\displaystyle \omega =\omega _{0))$ $|K_{RC}|=1/{\sqrt {2}}$

2. rendű LC aluláteresztő szűrő

Az ábrán egy egyszerű , 2. rendű LC aluláteresztő szűrő példája látható: ha egy bizonyos frekvenciájú harmonikus jelet adunk a szűrő bemenetére (a jobb oldali ábrán), a szűrő kimenetén a feszültség szűrő (jobb oldalon) állandósult állapotban az induktor ( ) és a kondenzátor ( ) reaktanciáinak aránya határozza meg . $X_L = \omega L$ $X_C = 1/ \omega C$

Az LPF erősítést úgy számíthatjuk ki, hogy ezt a szűrőt reaktanciák által alkotott feszültségosztónak tekintjük .

Az induktor komplex (a feszültség és áram közötti fáziseltolódást figyelembe vevő) ellenállása egyben a kondenzátor komplex ellenállása is , ahol a képzeletbeli egység, a bemeneti harmonikus jel szögfrekvenciája, tehát terheletlen LC szűrő esetén , az átviteli együtthatót a feszültségosztó képlete fejezi ki: $Z_L = j\omega L = jX_L$ $Z_C = 1 / (j\omega C) = -j X_C$ ${j}^{2}=-1$ $\omega$ $K$

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

Ha a képletbe behelyettesítjük a komplex ellenállások kifejezéseit , a frekvenciafüggő átviteli együtthatót kapjuk:

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

Mint látható, egy terheletlen ideális aluláteresztő szűrő átviteli együtthatója, amelynek jelforrása egy ideális feszültséggenerátor nulla belső ellenállással , korlátlanul növekszik a rezonanciafrekvencia közeledtével , mivel a kifejezés nevezője nullára hajlik. . Ahogy a frekvencia a rezonanciafrekvencia fölé emelkedik, az csökken. Nagyon alacsony frekvenciákon az LPF erősítés egységhez, nagyon magas frekvenciákon pedig nullához közelít. $\omega_0=1/\sqrt{LC}$

A szűrő komplex erősítésének modulusának frekvenciafüggőségét szokás amplitúdó-frekvencia karakterisztikának ( AFC ), a fázis frekvenciafüggését pedig fázis-frekvencia karakterisztikának ( PFC ) nevezni.

Valós áramkörökben egy aktív terhelés [2] csatlakozik a szűrő kimenetére , ami csökkenti a szűrő minőségi tényezőjét , és kiküszöböli az átviteli együttható éles hullámát a rezonanciafrekvencia közelében . $\omega_0$

Az értéket a szűrő karakterisztikus impedanciájának vagy a szűrő hullámimpedanciájának nevezzük . Ha az aluláteresztő szűrőt a karakterisztikával megegyező aktív ellenállásra terheljük, akkor az átviteli függvény nem rezonáns lesz, az átviteli együttható megközelítőleg állandó lesz a frekvenciáknál , és csökken, mint a fenti frekvenciáknál . A frekvencián egy ilyen aluláteresztő szűrő erősítése 3 dB-lel csökken az alacsony frekvenciához képest, ezt a frekvenciát a szűrő vágási frekvenciájának nevezzük. A küszöbfrekvencia feletti frekvenciákon az erősítés 40 dB-lel csökken a frekvenciaváltás évtizedében. $\rho = \sqrt{L/C}$ $\omega < \omega_0$ $1/\omega^2$ $\omega_0$ $\omega_0$

Az LC felüláteresztő szűrő hasonló módon épül fel . A HPF áramkörben az induktor és a kondenzátor felcserélődik. Terheletlen HPF esetén az átviteli együttható kifejezését kapjuk:

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

Nagyon alacsony frekvenciákon a HPF erősítési modulusa nullához közelít. Nagyon magasan - egyhez.

Szűrők elosztott paraméterekkel (mikrohullámú szűrők)

Ultramagas frekvenciákon a koncentrált elemek (kondenzátorok és induktorok) gyakorlatilag nem használatosak, mivel a frekvencia növekedésével az erre a tartományra jellemző névleges értékük és így méretük annyira lecsökken, hogy gyártásuk lehetetlenné válik. Ezért úgynevezett elosztott paraméterű vonalakat használnak, amelyekben az induktivitás, a kapacitás és az aktív terhelés egyenletesen vagy egyenetlenül oszlik el a teljes vonalon. Tehát az előző részben tárgyalt elemi LPF két csomózott elemből áll, amelyek egy rezonátor; elosztott paraméterek esetén a szűrő egyetlen rezonátorelemből áll (például egy mikroszalag vonal szegmenséből vagy fémrúdból).

A mikrohullámú szűrők kialakítása nagyon sokrétű, a konkrét megvalósítás kiválasztása az eszközzel szemben támasztott követelményektől függ (működési frekvenciák értéke, minőségi tényező, maximális csillapítás a leállítósávban, parazita áteresztősávok elhelyezkedése).

Az elosztott paramétereken alapuló szűrők tervezése meglehetősen bonyolult folyamat, amely két lépésből áll: elektromos paraméterek beszerzése az eszköz követelményei alapján; általános paraméterek kinyerése a kapott elektromos paraméterekből. A modern mikrohullámú szűrőtervezési módszerek középpontjában a csatolt rezonátor elmélet áll .

Elektromechanikus szűrők

Az elektromechanikus szűrő (EMF) egy vagy olyan típusú mechanikai rezonanciarendszert (rezonátort) tartalmaz. A szűrő bemenetén és kimenetén elektromechanikus átalakítók találhatók, amelyek a jel elektromos rezgéseit a szűrő munkaközegének mechanikai rezgéseivé alakítják és fordítva.

Az EMF széles körben elterjedt a kiváló minőségű rádiórendszerek (beleértve a katonai, tengeri, amatőr rádiós és egyéb) köztes frekvenciájú útjain. Előnyük az egyenértékű LC szűrőknél jóval magasabb minőségi tényező, amely lehetővé teszi a nagy szelektivitás elérését, amely a vevőkészülékekben a frekvenciaközeli rádiójelek szétválasztásához szükséges.

Felületi akusztikus hullám (SAW) szűrők

Az aktív analóg szűrők működése

Az aktív analóg szűrők (pozitív vagy negatív) visszacsatoló hurokkal lefedett erősítőkön alapulnak . Az aktív szűrőkben elkerülhető az induktorok használata, ami lehetővé teszi az eszközök fizikai méretének csökkentését, egyszerűsítését és gyártási költségeik csökkentését.

Alkalmazás

Az LC szűrőket tápáramkörökben használják az interferencia csillapítására és az egyenirányító utáni feszültséghullámok kiegyenlítésére . Az elektronikus berendezések kaszkádjaibangyakran használnak hangolható LC -szűrőket, például a középhullámú rádióvevő bemenetén található legegyszerűbb LC -áramkör biztosítja a hangolást egy adott rádióállomásra.

A szűrőket audioberendezésekben használják többsávos hangszínszabályzókban frekvencia-válasz korrekcióra , alacsony, közepes és magas hangfrekvenciás jelek elválasztására többsávos akusztikus rendszerekben, magnók frekvenciakorrekciós áramköreiben stb.

Lásd még

Jegyzetek

↑ Általános szabály[ pontosítás ] , a szűrő sorrendje megegyezik a benne lévő reaktív elemek számával.
↑ Ezenkívül mindig van egy aktív ellenállás az induktorban és egy nem nulla kimeneti ellenállás a jelforrásban, ami szintén csökkenti a szűrő minőségi tényezőjét.
↑ Például felületi akusztikus hullámok szűrői a színes, helyhez kötött televíziókészülékek elektronikájához.

Irodalom

R. Bogner, A. Konstantinides. Bevezetés a digitális szűrésbe. - Moszkva: Mir, 1976.
E. Oppenheim. Digitális jelfeldolgozás alkalmazása. - Moszkva: Mir, 1980.
Hanzel G.E. Szűrőszámítási kézikönyv. Szerk. A. E. Znamenszkij. 288 p. il .. - Moszkva: Szovjet Rádió, 1974.

Linkek

Rádió
Fő részek	Antenna Etető megfelelő eszköz Erősítő Szűrő Keverő Heterodyne frekvencia szintetizátor AHR PLL Köztes frekvenciájú áramkörök Detektor sztereó dekóder AGC
Fajták	detektor közvetlen erősítés regeneráló reflex neutrodin krisztadin közvetlen átalakítás Szuper heterodin Autodyne Digitális rádió CAM-D SDR DRM HD rádió RDS Rádió adó-vevő mérővevő