Suodatin (elektroniikka)

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 18.11.2020 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 3 muokkausta .

Elektroniikassa suodatin on laite sähköisen signaalispektrin haluttujen komponenttien erottamiseen ja/tai ei-toivottujen vaimentamiseen.

Suodatintyypit

Suodattimet, joita voidaan käyttää signaalinkäsittelyssä, ovat

Monista rekursiivisista suodattimista erotetaan erikseen seuraavat suodattimet ( siirtofunktion tyypin mukaan ):

Siirtofunktion järjestyksen (yhtälön asteen) mukaan (katso myös LAFCH ) erotetaan ensimmäisen, toisen ja korkeamman asteen suodattimet [1] . Rajakaistan 1. asteen suodattimen kaltevuus on 20 dB per vuosikymmen , 2. kertaluvun suodatin on 40 dB per vuosi jne.

Sen mukaan, millä taajuuksilla suodatin kulkee (viiveet), suodattimet jaetaan

Kuinka passiiviset analogiset suodattimet toimivat

Passiivisissa analogisissa suodattimissa käytetään kasattuja tai hajautettuja reaktiivisia elementtejä , kuten induktoreita ja kondensaattoreita . Reaktiivisten elementtien resistanssi riippuu signaalin taajuudesta, joten niitä yhdistämällä on mahdollista saavuttaa spektrikomponenttien harmonisten (ne eivät välttämättä ole harmonisia) vahvistusta tai vaimennusta halutuilla taajuuksilla. Toinen passiivisten analogisten suodattimien rakentamisen periaate on mekaanisten (akustisten) värähtelyjen käyttö tietyntyyppisessä mekaanisessa resonaattorissa.

Kerrattujen elementtien suodattimet

Yksinkertaisimpina ali- ja ylipäästösuodattimina voidaan käyttää RC- tai LR-piiriä . Niiden vaimennuskaistalla on kuitenkin alhainen taajuusvasteen jyrkkyys, joka on riittämätön monissa tapauksissa: vain 6 dB per oktaavi (tai 20 dB per vuosikymmen ) - RC-suodattimelle, joka on ensimmäisen asteen suodatin ja 40 dB / vuosikymmen LC-suodatin, joka on toisen asteen suodatin. Passiivisissa suodattimissa minkä tahansa reaktiivisen komponentin lisääminen suodatinpiiriin lisää suodattimien järjestystä yhdellä.

1. asteen RC-alipäästösuodatin

Yksinkertaisin 1. asteen alipäästösuodatin on esitetty kuvassa ja se koostuu vastuksesta ja kondensaattorista, jotka on kytketty sarjaan , muodostaen tulosignaalin jännitteenjakajan . Tällaisen jakajan monimutkainen voitto on: $R$ $C$ $K_{RC}$

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}},

missä on RC-piirin aikavakio.

T=RC

Tämän piirin vahvistusmoduuli on:

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

missä $\omega _{0}=1/T.$

Tulotaajuudella vahvistuksen moduuli on lähellä 1, vahvistuksen moduulin ollessa lähellä 0, taajuudella vahvistuksen moduuli on - vähennys suhteessa yksikkövahvistukseen noin 3,01 dB, tämä taajuus kutsutaan suodattimen rajataajuudeksi. Hylkäyskaistalla, taajuudella, joka on paljon rajataajuutta korkeampi, vahvistusmoduuli pienenee 20 dB taajuuden muutoksen vuosikymmentä kohti. ${\displaystyle \omega \ll \omega _{0))$ ${\displaystyle \omega \gg \omega _{0))$ ${\displaystyle \omega =\omega _{0))$ $|K_{RC}|=1/{\sqrt {2}}$

2. asteen LC-alipäästösuodatin

Kuvassa on esimerkki yksinkertaisesta 2. asteen LC -alipäästösuodattimesta: kun suodattimen sisäänmenoon syötetään tietyn taajuuden harmoninen signaali (oikealla olevassa kuvassa), suodattimen lähdössä on jännite. suodatin (oikealla) vakaassa tilassa määräytyy induktorin ( ) ja kondensaattorin ( ) reaktanssien suhteen . $X_L = \omega L$ $X_C = 1/\omega C$

LPF-vahvistus voidaan laskea pitämällä tätä suodatinta reaktanssien muodostamana jännitteenjakajana .

Induktorin kompleksivastus (ottaen huomioon jännitteen ja virran välinen vaihesiirto) on myös kondensaattorin kompleksinen resistanssi , jossa on imaginaariyksikkö, on tuloharmonisen signaalin kulmataajuus, joten kuormittamattomalle LC - suodattimelle , siirtokerroin ilmaistaan jännitteenjakajan kaavalla: $Z_L = j\omega L = jX_L$ $Z_C = 1/(j\omegaC) = -j X_C$ ${j}^{2}=-1$ $\omega$ $K$

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

Korvaamalla kompleksisten vastusten lausekkeet kaavaan , saadaan taajuudesta riippuvainen siirtokerroin:

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

Kuten näette, kuormittamattoman ihanteellisen alipäästösuodattimen, jonka signaalilähde on ihanteellinen jännitegeneraattori, jolla on nolla sisäinen vastus , siirtokerroin kasvaa loputtomasti, kun resonanssitaajuutta lähestytään , koska lausekkeen nimittäjä pyrkii nollaan . Kun taajuus nousee resonanssitaajuuden yläpuolelle, se pienenee. Hyvin matalilla taajuuksilla LPF-vahvistus on lähellä yksikköä, erittäin korkeilla taajuuksilla se on lähellä nollaa. $\omega_0=1/\sqrt{LC}$

Suodattimen kompleksivahvistuksen moduulin riippuvuutta taajuudesta on tapana kutsua amplitudi-taajuusominaisuus ( AFC ) ja vaiheen riippuvuutta taajuudesta - vaihetaajuusominaisuus ( PFC ).

Todellisissa piireissä suodattimen lähtöön on kytketty aktiivinen kuorma [2] , mikä alentaa suodattimen laatutekijää ja eliminoi jyrkän siirtokertoimen jyrkän resonanssitaajuuden lähellä . $\omega_0$

Arvoa kutsutaan suodattimen ominaisimpedanssiksi tai suodattimen aaltoimpedanssiksi . Jos alipäästösuotimeen kuormitetaan ominaisvastusta vastaava aktiivinen resistanssi, siirtofunktiosta tulee ei-resonanssi, siirtokerroin on suunnilleen vakio taajuuksilla ja pienenee kuten yllä olevilla taajuuksilla . Taajuudella tällaisen alipäästösuodattimen vahvistusta pienennetään 3 dB suhteessa vahvistukseen matalalla taajuudella, tätä taajuutta kutsutaan suodattimen rajataajuudeksi . Taajuuksilla, jotka ovat selvästi rajataajuuden yläpuolella, vahvistus pienenee 40 dB taajuuden muutosten vuosikymmentä kohti. $\rho = \sqrt{L/C}$ $\omega < \omega_0$ $1/\omega^2$ $\omega_0$ $\omega_0$

LC -ylipäästösuodatin on rakennettu samalla tavalla . HPF-piirissä kela ja kondensaattori vaihdetaan keskenään. Kuormittamattomalle HPF:lle saadaan lähetyskertoimen lauseke:

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

Erittäin matalilla taajuuksilla HPF-vahvistusmoduuli on lähellä nollaa. Erittäin korkealla - yhteen.

Suodattimet hajautetuilla parametreilla (mikroaaltosuodattimet)

Ultrakorkeilla taajuuksilla tiivistettyjä elementtejä (kondensaattoreita ja induktoreja) ei käytännössä käytetä, koska taajuuden kasvaessa niiden tälle alueelle tyypilliset arvot ja siten myös mitat pienenevät niin paljon, että niiden valmistus tulee mahdottomaksi. Siksi käytetään ns. hajautettujen parametrien linjoja, joissa induktanssi, kapasitanssi ja aktiivinen kuorma jakautuvat tasaisesti tai epätasaisesti koko linjalle. Edellisessä osiossa käsitelty elementaarinen LPF koostuu siis kahdesta niputetusta elementistä, jotka ovat resonaattori; hajautettujen parametrien tapauksessa suodatin koostuu yhdestä resonaattorielementistä (esimerkiksi mikroliuskalinjan segmentistä tai metallisauvasta).

Mikroaaltosuodattimien mallit ovat hyvin erilaisia, ja tietyn toteutuksen valinta riippuu laitteen vaatimuksista (toimintataajuuksien arvo, laatutekijä, enimmäisvaimennus pysäytyskaistalla, loispäästökaistojen sijainti).

Suodatinten suunnittelu hajautetuille parametreille on melko monimutkainen prosessi, joka koostuu kahdesta vaiheesta: sähköisten parametrien hankkiminen laitteen vaatimusten perusteella; kokonaisparametrien saaminen saaduista sähköisistä parametreista. Modernien mikroaaltosuodattimien suunnittelumenetelmien ytimessä on kytkentäresonaattoriteoria .

Sähkömekaaniset suodattimet

Sähkömekaaninen suodatin (EMF) sisältää jonkinlaisen mekaanisen resonanssijärjestelmän (resonaattorin). Suodattimen sisään- ja ulostulossa on sähkömekaaniset muuntimet, jotka muuttavat signaalin sähköiset värähtelyt suodattimen työnesteen mekaanisiksi värähtelyiksi ja päinvastoin.

EMF:t ovat yleistyneet korkealaatuisten radiojärjestelmien (mukaan lukien sotilas-, meri-, amatööriradio- ja muut) välitaajuuspoluilla. Niiden etuna on paljon korkeampi laatutekijä kuin vastaavilla LC -suodattimilla, mikä mahdollistaa korkean selektiivisyyden saavuttamisen, mikä on välttämätöntä läheisten radiosignaalien erottamiseksi vastaanottimissa.

Surface acoustic wave (SAW) -suodattimet

Kuinka aktiiviset analogiset suodattimet toimivat

Aktiiviset analogiset suodattimet perustuvat takaisinkytkentäsilmukan (positiivisen tai negatiivisen) kattamiin vahvistimiin. Aktiivisuotimissa on mahdollista välttää induktorien käyttö, mikä mahdollistaa laitteiden fyysisten mittojen pienentämisen, yksinkertaistamisen ja niiden valmistuskustannusten pienentämisen.

Sovellus

LC - suodattimia käytetään tehopiireissä vaimentamaan häiriöitä ja tasoittamaan jännitteen aaltoilua tasasuuntaajan jälkeen . Elektronisten laitteiden kaskadeissa käytetään usein viritettäviä LC -suodattimia, esimerkiksi keskiaaltoradiovastaanottimen tuloon kuuluva yksinkertaisin LC -piiri virittää tietyn radioaseman.

Suodattimia käytetään audiolaitteissa monikaistaisissa taajuuskorjaimeissa taajuusvasteen korjaukseen , matalan, keskitason ja korkean äänitaajuisen signaalin erottamiseen monikaistaisissa akustisissa järjestelmissä, nauhureiden taajuudenkorjauspiireissä jne.

Katso myös

Muistiinpanot

↑ Yleensä[ selventää ] , suodattimen järjestys on sama kuin sen sisältämien reaktiivisten elementtien lukumäärä.
↑ Lisäksi induktorissa on aina aktiivinen vastus ja signaalilähteen nollasta poikkeava lähtöresistanssi, mikä myös alentaa suodattimen laatutekijää.
↑ Esimerkiksi akustisten pinta-aaltojen suodattimet kiinteiden väritelevisiovastaanottimien elektroniikkaa varten.

Kirjallisuus

R. Bogner, A. Konstantinides. Johdatus digitaaliseen suodatukseen. - Moskova: Mir, 1976.
E. Oppenheim. Digitaalisen signaalinkäsittelyn sovellus. - Moskova: Mir, 1980.
Hanzel G.E. Suodattimen laskennan käsikirja. Ed. A. E. Znamensky. 288 s. alkaen il .. - Moskova: Neuvostoliiton radio, 1974.

Linkit

Radio
Pääosat	Antenni Syöttölaite vastaava laite Vahvistin Suodattaa Mikseri Heterodyne taajuussyntetisaattori AHR PLL Välitaajuuspiirit Ilmaisin stereodekooderi AGC
Lajikkeet	ilmaisin suora vahvistus regeneroiva refleksi neutrodyne kristadiini suora muuntaminen Superheterodyne Autodyne Digitaalinen radio CAM-D SDR DRM HD-radio RDS lähetin-vastaanotin mittausvastaanotin