Электрические фильтры (частотные)

Электрическими фильтрами называют устройства, осуществляющие частотную избирательность, т.е. разделение сигналов по частотному признаку. Область частот, которая проходит через фильтр, называют полосой пропускания (пп), область частот, которая не пропускается фильтром, называют полосой задерживания (пз) Частоту, разделяющую полосу пропускания и задерживания, называют частотой среза fс. Фильтры классифицируются по частотному диапазону:

- фильтры нижних частот (ФНЧ) - пропускают сигналы начиная от постоянного тока до некоторой частоты среза f_c. Используются, например, для выделения низких (звуковых) частот. Отдельную группу ФНЧ составляют сглаживающие фильтры, которые уменьшают амплитуду переменного напряжения одной полярности (пульсирующее напряжение). Сглаживающие фильтры используются, например, в выпрямителях;

- фильтры верхних частот (ФВЧ) - пропускают сигналы с частотами fc и выше. Используется, например, для исключения влияния частоты питающего напряжения (50 Гц) на звуковой сигнал в радиоприемном устройстве;

- полосовые фильтры (ПФ) - пропускают сигналы в заданной полосе частот (f2c - f1c). Используются, например, на входе РПМ (избирательное устройство) для выделения сигнала на частоте радиостанции. Изменяя характеристики ПФ, можно перестраивать приемник для приема разных радиостанций;

- режекторные фильтры (РФ) - не пропускают сигналы в заданной полосе частот (f2c - f1c). Используются, например, для организации одновременной работы рядом расположенных передатчика и приемника. На Рис.5.1. показаны идеальные характеристики фильтров в частотной области (К - коэффициент передачи фильтра, который показывает степень подавления сигнала на различных частотах).

Характеристики идеальных фильтров

K_фнч K_фвч К_пф К_рф

ПП ПЗ f ПЗ ПП f ПЗ ПП ПЗ f ПП ПЗ ПП f

^{0 fc 0 fc 0 f1c f2c 0 f1c f2c}

а) б) в) г)

Рис.5.1

Усилители

Усилитель (У) - устройство, построенное на активных элементах и предназначенное для увеличения мощности подводимого сигнала за счет энергии источника постоянного тока. Простейший усилитель состоит из усилительного элемента (электронной лампы, транзистора), набора пассивных элементов (резисторы, емкости, индуктивности) и источника электрической энергии, которые образуют усилительный каскад. Он имеет входную цепь, к которой подводится усиливаемый сигнал, и выходную цепь для получения выходного сигнала. Условное обозначение усилителя показано на рисунке 5.2.

Iвх Iвых

U_вх U_вых

Рис.5.2

Основные характеристики усилителей:

- коэффициент усиления - по току К_i = I_вых\I_вх, по напряжению К_u = U_вых\U_вх, по мощности К_p = P_вых\Р_вх =K_i· K_u. Для получения большого коэффициента усиления используют последовательное (каскадное) включение нескольких усилителей. В этом случае общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных усилителей;

- входное сопротивление, выходное cопротивление;

- диапазон усиливаемых частот.

Выбор различных значений коэффициентов усиления по току, напряжению или мощности производится исходя из характеристик устройства, подключаемого к выходу транзистора (например, для динамика основное значение имеет ток, проходящий через обмотку электромагнита, следовательно, необходимо использовать схему с большим коэффициентом усиления по току).

Выбор входных и выходных сопротивлений усилителя определяется значениями сопротивлений элементов, подключаемых на вход и выход усилителя (как известно, максимальная передача энергии от источника сигнала к нагрузке обеспечивается при равенстве их сопротивлений). Диапазон частот определяется спектром сигнала, подлежащего усилению.

В зависимости от полосы усиливаемых частот У разделяются на:

- усилители звуковых (низких) частот - УЗЧ. Используются, например, для усиления частот звукового диапазона;

- усилители радиочастот (высоких частот) - УРЧ. Используются, например, в радиоприемных устройствах для усиления сигналов, принимаемых от радиопередатчиков.

- широкополосные усилители - ШПУ. Используются для усиления сигналов, занимающих большую полосу частот, например, телевизионных сигналов, видеосигналов;

- усилители постоянного тока - УПТ. Используются для усиления сигналов, частотный состав которых начинается с "нулевой" частоты.

В зависимости от элементной базы усилители делятся на:

- ламповые усилители,

- транзисторные усилители,

- диодные усилители (на некоторых типах диодов, например диодах Ганна),

- операционные усилители (на интегральных микросхемах).

В настоящее время преимущественное применение получили операционные усилители из-за большого коэффициента усиления, малых размеров и небольшой потребляемой энергии. Однако они не способны усиливать большие мощности. В этих случаях используют ламповые или транзисторные усилители. Последние вытесняют ламповые усилители, так как являются более экономичными (напряжение питания транзисторных усилителей в несколько раз меньше, чем ламповых), способны выдерживать большие мощности и имеют небольшие размеры. В диапазоне СВЧ используются специальные усилительные приборы (клистроны, магнетроны, диоды Ганна и пр.).

Качество усилителей характеризуется точностью воспроизведения формы сигнала, т.е. соответствия входного и выходного сигналов. Идеальные усилители не искажают формы сигнала, в реальных усилителях форма сигнала из-за неидеальности элементов искажается. Степень искажений характеризуется коэффициентом нелинейных искажений, который в зависимости от схемного построения усилителей составляет от единиц до сотых долей процента.

Генераторы

Генератор - устройство, преобразующее энергию источника питания (источника постоянного тока) в колебания заданной формы. Условное обозначение генераторов показано на рис.5.3.

Г(G)

Рис 5.3.

В зависимости от формы генерируемых сигналов различают генераторы гармонических колебаний (синусоидальной формы), генераторы прямоугольных импульсов, генераторы сигналов пилообразной формы.

Наиболее распространенными являются генераторы гармонических сигналов. Основными характеристиками генераторов гармонических сигналов являются частота и мощность (напряжение) выходных сигналов. Большинство генераторов гармонических сигналов являются диапазонными, т.е. способны генерировать колебания в заданном диапазоне частот. В зависимости от диапазона частот различают генераторы низких (звуковых) частот, генераторы высоких и сверхвысоких частот (радиочастот). Поскольку генераторы строятся на базе усилителей, охваченных положительной обратной связью, для их построения используется та же элементная база.

Качество генераторов характеризуется нестабильностью - отклонением реальной частоты генерируемого колебания от номинальной (заданной): D,% = (| f _р - f_н |/ f_н)·100%, где f_р - реальная частота, вырабатываемая генератором, f_н - номинальная (установленная) на шкале прибора частота. Отклонения возникают из-за действия различных дестабилизирующих факторов - колебаний напряжения питания, влияния температуры и т.п. Нестабильность современных генераторов составляет 10^-7 …10^-8 % и меньше.

Выпрямители

Выпрямитель – это устройство, которое преобразует переменное напряжение в постоянное. Условное обозначение выпрямителей на структурных и функциональных схемах показано на рис.5.4.

Рис.5.4

Основной частью любого выпрямителя является выпрямительный диод или диодная группа. Диод обладает односторонней проводимостью, т.е. если напряжение на его аноде больше напряжения на катоде на величину падения напряжения на открытом p-n переходе (0.4-0.7 вольт), то диод включен в прямом направлении (его сопротивление мало и через него течет большой ток), в противном случае, диод включен в обратном направлении (его сопротивление велико и через него течет малый ток).

На практике в качестве источников питания наибольшее распространение получили однополупериодные и двухполупериодные схемы. Однополупериодные схемы просты, но используют только один полупериод входного переменного напряжения. Это приводит к большим пульсациям на выходе и уменьшению в 2 раза уровня выходного напряжения. Этих недостатков лишены двухполупериодные схемы выпрямления. Для еще большего снижения пульсаций на выходе в выпрямителях используют сглаживающие фильтры. Они содержат в своем составе емкости, накапливающие электрический заряд. Чем больше по величине емкость фильтра, тем меньше пульсации напряжения на его выходе.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: