Общие сведения о фильтрах. Активные RC-Фильтры

Цель работы.

1 Изучение активных RC-фильтров.

2 Проектирование активного RC-фильтра ВЧ в системе схемотехнического моделирования «Micro Cap 7»

 

Введение.

 

Электрический фильтр представляет собой частотно-избирательное устройство, пропускающее сигналы в требуемой полосе частот, называемой полосой пропускания, и задерживающее сигналы других частот, относящихся к полосе задерживания. Между полосой пропускания и полосой задерживания находится переходная область. Частоты, определяющие полосу пропускания от переходной области фильтра, называют частотами среза фильтра, а частоты, определяющие переходную область от полосы задерживания,- граничными частотами полосы задерживания. В пределах полосы пропускания модуль передаточной функции фильтра должен быть равен заданному с требуемой точностью, в полосе задерживания он не должен превышать некоторого допустимого значения.

 

Общие сведения о фильтрах. Активные RC-Фильтры.

В настоящее время основными аналоговыми преобразованиями сигналов принято считать усиление, сравнение, ограничение, перемножение и частотную фильтрацию сигналов. Эти преобразования образуют функционально-полную систему, позволяющую выполнять любые аналоговые преобразования сигналов. Промышленностью выпускаются интегральные схемы каждого из пяти перечисленных классов.

Фильтром называют четырехполюсник, предназначенный для выделения из состава подведенного к его входу сложного электрического колебания частотных составляющих, расположенных в заданной области, и для подавления частотных составляющих, расположенных во всех других областях частот.

Область частот, где фильтр усиливает или мало ослабляет сигнал, называют полосой пропускания, а область частот, где ослабление входного электрического колебания велико, — полосой задерживания. Чем больше разница между усилением и ослаблением, тем сильнее выражены фильтрующие свойства цепи.

Электрические фильтры применяются для выделения (и пропускания) требуемого сигнала из смеси полезных и нежелательных сигналов. Например, при настройке радиоприемника на определенную станцию с помощью фильтров выделяются сигналы, которые передаются интересующей нас станцией, и подавляются все остальные сигналы.

Распространение электрических фильтров в современной технике столь широко, что невозможно себе представить электронный прибор средней сложности, в котором бы не использовались фильтры в том или ином виде. Фильтры применяются в силовых цепях выпрямителей, в мощных усилителях класса D. Ниже пойдет речь о схемах фильтров, предназначенных для применения в сигнальных цепях систем автоматического управления и схемотехники. Для этих систем характерен достаточно низкий частотный диапазон (от долей герца до нескольких сотен тысяч герц). Для этого диапазона частот в настоящее время наиболее целесообразно применять фильтры, построенные на пассивных RC-цепях с активными приборами (чаще всего ОУ), т. е. на активных RC-цепях.

Как было показано выше, электрические колебания сложной формы, поступающие на вход фильтра, могут состоять из смеси полезных сигналов и помех, причем помехи и сигналы отличаются от выделяемого сигнала по своему частотному составу. Помехами могут являться собственные шумы предшествующих фильтру электронных блоков; атмосферные шумы, вызванные грозовыми разрядами; промышленные шумы, образованные искрящими электромеханическими установками, содержащими электрические двигатели, или контактами мощных размыкателей электрических цепей и т. д. Полезными сигналами, мешающими выделению необходимого сигнала, бывают, например, в телемеханике сигналы телеуправления или телесигнализации, передаваемые по одному каналу связи для разных объектов. Сигналы, не выделяемые данным фильтром, отнесем к помехам.

Если спектр сигнала уже спектра помехи, то для выделения сигнала используются фильтры с полосой пропускания, расположение которой согласовано с расположением спектра сигнала на оси частот. Если уже спектр помехи, то применяют заграждающий фильтр, добиваясь совпадения полосы задерживания со спектром помехи. Когда помехи и сигнал занимают разные участки спектра, то для их разделения применяют полосовые фильтры.

В зависимости от взаимного расположения полосы пропускания и полосы задерживания различают (рис.1):

1. Фильтр верхних частот (ФВЧ) — фильтр с полосой пропускания от некоторой частоты ω₁ до бесконечности и полосой задерживания от 0 до ω_З1 < ω₁ Условное обозначение интегральных схем этого типа — ФВ.

2. Фильтр нижних частот (ФНЧ) — фильтр с полосой пропускания от 0 до некоторой частоты ω₂ и полосой задерживания от некоторой частоты ω_З2 > ω₂ до бесконечности. Условное обозначение интегральных схем этого типа — ФН.

3. Полосовой фильтр (ПФ) — фильтр с полосой пропускания от некоторой частоты ω₁ до другой частоты ω₂ > ω₁ и полосами задерживания от 0 до ω_З1 < ω₁ и от ω_З2 > ω₂ до бесконечности. Условное обозначение интегральных схем этого типа — ФЕ.

4. Режекторный (заграждающий) фильтр (РФ) — фильтр с полосами пропускания от 0 до ω₁ и от ω₂ > ω₁ до бесконечности и полосой задерживания от ω_З1 до ω_З2 > ω_З1. Условное обозначение интегральных схем этого типа — ФР.

 

Рис.1.

 

Кроме этих четырех основных типов фильтров в корректирующих цепях систем управления находят применение амплитудные корректоры (АК), способные в некоторой полосе частот осуществлять как усиление, так и ослабление сигналов; фазовые корректоры (ФК), у которых коэффициент передачи не зависит от частоты, а фаза обычно растет. Для микросхем этого типа нет специального обозначения, поэтому их относят к фильтрам прочим (ФП).

Понятно, что здесь приведены лишь основные типы характеристик фильтров, однако комбинацией их можно сформировать практически любую АЧХ.

Потребности практики предъявляют весьма различные требования к форме АЧХ и параметрам фильтров. Серийно выпускается только весьма ограниченный набор типовых узлов и звеньев с регулируемыми параметрами. Используя эти наборы, можно строить небольшой класс фильтров. Поэтому разработчику электронных элементов автоматики необходимо уметь проектировать фильтры.

Для проектирования фильтров задают границы полосы пропускания и полосы задерживания, затухание в полосе задерживания и коэффициент передачи (усиления) в полосе пропускания, допуск на отклонение характеристики от желаемой (рис.2).

 

 

Рис.2.

 

Отклонение АЧХ от желаемой в полосе пропускания называют неравномерностью АЧХ (ΔH). Эта неравномерность может возникать как в результате проектирования, так и вследствие отклонения (технологического, эксплуатационного и т. д.) параметров элементов, реализующих заданную АЧХ. Закон изменения затухания в переходной области обычно не контролируется.

Кроме формы АЧХ, при проектировании фильтра, как и любого другого аналогового устройства, учитывают стабильность параметров фильтра, а также нелинейные искажения, шумы, экономичность, технологичность, массогабаритные показатели, настраиваемость и возможность электрического управления параметрами фильтра.

Перечисленные условия взаимосвязаны и часто противоречивы, хотя, уменьшение чувствительности ведет к улучшению многих показателей. Задача оптимального проектирования электронных цепей пока не решена. В то же время аппарат теории синтеза электронных схем позволяет с помощью ЭВМ уже сейчас при делении процедуры проектирования на части решать составляющие задачи оптимально. Такой проект в целом оказывается весьма совершенным и, наверное, близким к оптимальному, так как учитывает весь предшествующий опыт проектирования подобных цепей.

Более того, далеко не всегда экономически оправданным является поиск оптимального решения, ибо затраченные на поиск время и средства могут быть значительными, а оказывается, достаточно иметь просто хороший проект.

В некоторых случаях задание на проектирование может содержать дополнительные требования к фазочастотной характеристике фильтра внутри полосы пропускания. Для импульсных устройств и систем управления часто необходимо учитывать форму переходного процесса.

Частотные характеристики в виде ломаных (см. рис.1) не могут быть реализованы с помощью физически выполнимых элементов. Поэтому синтез фильтра делят на следующие этапы:

1. Конструируют математическую модель (передаточную функцию) проектируемого устройства, АЧХ которого удовлетворяет заданию. Этот этап носит название аппроксимации.

2. Выбирают принцип построения фильтра и по передаточной функции производят синтез схемы. Оценивают достижимые параметры и уточняют модель фильтра.

3. Производят расчет параметров элементов с учетом количественных ограничений задания на проект так, чтобы АЧХ (ФЧХ) спроектированного фильтра соответствовала найденной ранее функции.

Наиболее эффективно решают перечисленные задачи на основе специальных пакетов прикладных программ, имеющих развитый входной язык, предназначенный для инженера-пользователя.