Пасивні LC фільтри і активні RC фільтри

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.


Нажми чтобы узнать.
скачати

Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки
Кафедра ЕТТ
РЕФЕРАТ
На тему:
"ПАСИВНІ LC-ФІЛЬТРИ І АКТИВНІ RC-ФІЛЬТРИ"
МІНСЬК, 2008

Фільтри на ПЗЗ відносяться до дискретно - аналоговим: у них вхідний сигнал спочатку діскретізіруется у часі, тобто представляється сукупністю вибірок (відліків), а потім вибором в аналоговій формі відповідним чином обробляється. Фільтри поділяються на трапеверсальне, рекурсивні, кроемфтори.
Траневерсальние фільтри (ТФ) представляють собою ЛЗ з відводами, певні вагові коефіцієнти. Зважені сигнали всіх відводів сумуються.

Структурна схема ТФ.
Сукупність вагових коефіцієнтів визначає імпульсну характеристику фільтру, тобто його вхідний сигнал при дії на вхід одиничного імпульсу. Якщо на вхід надходить довільний сигнал , То вхідний сигнал визначається як
(3)
яке являє собою вираз функції згортки вхідного сигналу з сукупністю вагових коефіцієнтів. Тут - Дискретні значення вхідного сигналу: - Повний час затримки всього фільтру; - Ваговий коефіцієнт. ТФ не має образних зв'язків і його можна розглядати як окремий випадок фільтра, що має зворотні зв'язки і характеризуються нескінченною (не обмеженою в часі) імпульсною характеристикою. Похибка вагових коефіцієнтів в першу чергу пов'язані з точністю формування електродів з необхідними геометричними розмірами, це визначається операцією фотолн. Збільшення розмірів електродів, веде до зменшення похибки їх формування та похибки одержуваних вагових коефіцієнтів. Шуми є обмежуючим фактором для ТФ, причому визначальне значення грають не власні шуми ПЗС, а шуми схеми вибірки (зберігання і вихідного підсилювача). Лінійність є важливою характеристикою, що визначає точність реалізації фільтром заданої функції. Є принципове джерело нелінійності, обумовлений нелінійною залежністю заряду обідньої шару від поверхневого потенціалу і, отже від потенціалу затвора. ТФ на ПЗС, використовувані як смугових, призначені для виділення в частотному спектрі сигналу певної смуги частот, в межах якої здійснюється пропускання, а поза нею - придушення. Імпульсна характеристика смугового фільтра, а значить і значення вагових коефіцієнтів відводів визначаються за допомогою застосування перетворювача Фур'є і заданої частотної характеристики. При розробці та застосуванні ТФ на ПЗС необхідно враховувати вплив втрат передачі. На практиці прийнятно нерівність
,
де N - кількість розрядів,
- Втрати на один розряд.
Враховуючи, що і , Таку нерівність можна переписати
,
тут

Видно, що при заданому смуга обмежується втратами . Фільтри на ПЗЗ реалізують перетворення Фур'є, задовольняють широкому класу заданого спектрального аналізу і знаходять застосування в пристроях стиснення спектра TV амплітуда зображень, акустичного аналізу зображень, акустичного аналізу, доп. Обробки в радіолокаторах. Якщо в схему ТФ внести зворотні зв'язки, то виходить рекурсивний фільтр. Рекурсивний фільтр (РФ) на відміну від ТФ має необмежену в часі імпульсну характеристику. Наявність зворотних зв'язків ускладнює реалізацію такого фільтра на ПЗС, тому що потрібно спеціальні підсилювачі зі стабільним коефіцієнтом посилення і висока наскрізна лінійність. РФ рекомендується застосовувати в тих випадках, коли потрібно отримати вузьку смугу протікання і гарне приглушення поза цієї смуги. Розроблені РФ містить кілька ЛЗ на ПЗЗ і зовнішні обслуговуючі електронні схеми.
Корелятори призначені для реалізації згортки двох аналогових сигналів. Структурна схема коррелятора на ПЗС містить дві ЛЗ з відводами, підключеними до помножувача. Виходи умножителей окремих розрядів сумуються. Перший вхідний сигнал вводиться в першу ЛЗ і зберігається там. Потім в другу ЛЗ вводиться другий сигнал, сигнали відповідних відводів перемножуються, підсумовуються і на виході послідовно формуються вибірки згортки двох сигналів. З функціональної точки зору корреметор еквівалентний транфереальному фільтру (ТФ) із змінними (програмованими) ваговими коефіцієнтами. Найбільш просто здійснити програмування вагових коефіцієнтів, при якому вони приймають два значення t1. У такій схемі вхідні сигнали паралельно вводяться в ПЗС - елементи і зберігаються в них.
Подальший розвиток фільтрів на ПЗС відбуваються у напрямі розширення їх функціональності та внутріпріталіческой інтеграції зовнішнього електронного обрамлення, причому такі структури є, по суті аналоговими процесорами.
Електромеханічні і п'єзоелектричні фільтри.
Фізичні основи роботи електромеханічних, п'єзоелектричних і Акустоелектронні фільтрів. Резонансні контури, що входять до складу електричних фільтрів, важко зробити високостабільним, високодобротних і в той же час малогабаритними, тому, не дивлячись на простоту їх виготовлення і можливість вибору виду частотної характеристики при збільшенні числа контурів, ці фільтри використовуються обмежено.
Зазначені обставини зумовили появу фільтрів, заснованих на принципі механічних пружних коливань і механічного резонансу. Широке застосування таких фільтрів пояснюється тим, що швидкість поширення пружних коливань у твердому тілі приблизно в 100 тис. разів менше швидкості розповсюдження електромагнітних хвиль. Це дозволяє використовувати дуже компактні механічні резонатори з розподіленими параметрами, які мають надзвичайно малими втратами, тобто дуже високою добротністю, що досягає 103 ... 104. Проте для застосування цих фільтрів в електронній апаратурі необхідний перехід від електричних коливань і сигналів, що діють в ланцюгах цієї апаратури, до акустичних (пружним) коливань в механічних резонаторах і подальший перехід від акустичних до електричних.
Для цього перетворення використовуються відомі з фізики ефекти взаємодії електричних або магнітних полів і механічних деформацій і напруг, наприклад п'єзоефект і магнітострикційні ефект. Особливості та властивості таких перетворювачів істотно залежать від того, який ефект при цьому використовується. Часто назва ефекту, на якому грунтується перетворення, застосовується при класифікації фільтрів. Наприклад, розрізняють п'єзокерамічні, пьезокварцевиє, магнітострикційні фільтри і т.д.
Вважаючи, що перетворення електричних коливань в механічні і назад проведені, розглянемо фізичну сутність фільтрації в механічних системах. Як відомо з радіотехніки, коливання і резонанси можуть виникати в ланцюгах з зосередженими (LC-фільтри) і з розподіленими (довгі лінії) параметрами. Аналогічно йде справа і при механічних коливаннях. Вони можуть з'являтися в системах з зосередженими параметрами, наприклад, в механічних системах, що мають масу (вантаж) і пружність (пружину). Проте такі системи мають низьку резонансною частотою коливань і не можуть використовуватися для створення фільтрів на радіочастотах. Їх вивчення має велике значення для дослідження дії механічних збурень на конструкції РЕА та її елементи, а також для амортизації. Механічні коливання виникають і в системах з розподіленими параметрами. Найпростішими механічними з розподіленими параметрами є брусок, пластина, стрижень, струна, диск і т.д.
Для з'ясування фізичної сутності механічного резонансу зупинимося на найпростіших механічних поздовжніх об'ємних коливаннях, які виникають та поширюються у стержнях. Аналіз поширення пружних хвиль призводить до хвильовому рівнянню
, (1)
де U - змінна напруга (деформація); t - час; x - координата; vупр - швидкість поширення хвилі в матеріалі. У стержнях з пружних матеріалів, якими є метали, використовувані в резонаторах, швидкість поширення об'ємної поздовжньої хвилі
, (2)
де E - модуль пружності; ρ - щільність матеріалу.
У зв'язку з кінцевою швидкістю поширення пружних коливань уздовж стрижня можна ввести поняття довжини акустичної хвилі
. (3)
Довжина пружної хвилі в металі на радіочастоті становить кілька міліметрів.
При довжині бруска Lбр = λа / 2 настає резонанс і затухання коливань в цьому випадку мало. Якщо коливання збуджуються зовнішньою силою, то напруги й деформації будуть максимальні. Якщо для прикладу взяти розподіл пружності напруг і деформацій у резонуючою бруску, то краї бруска в процесі коливань переміщуються, у той час як центр бруска, в якому спостерігаються найбільші внутрішні напруги, залишається в спокої. Користуючись співвідношенням Lбр = λа / 2, можна від довжини хвилі перейти до резонансної частоти. Тоді отримаємо
. (4)
Крім основної резонансної частоти можуть спостерігатися резонанси на кратних частотах (гармоніках), коли на довжині стрижня укладається ціле число m півхвиль.
У механічних фільтрах використовуються згинні, поздовжні, крутильні, поперечні, зсувні і поверхневі (хвилі Релая і Лява) хвилі. Деформації хвиль та напрями їх розповсюдження наведені на рис.1, де а) - згинальну, б) - поздовжнє, в) - поперечний, г) - крутильних і д) - поверхневе коливання. Стрілками показані деформації і напрямку поширення хвилі; λа - довжина хвилі, яка визначається наступними швидкостями розповсюдження: vізг, Vпр, vпоп, Vкр, vпов. Ці швидкості залежать від властивостей матеріалів, в основному, від модуля пружності Е і щільності матеріалу ρ. Швидкості для кожного виду коливань різні і можуть відрізнятися в два рази.

Рис.1
У п'єзоелектричних фільтрах механічні коливання збуджуються в результаті п'єзоефекту, але ці коливання в інші резонуючі елементи не передаються. Ефект фільтрації досягається внаслідок того, що механічний резонанс змінює електричні характеристики ланцюга перетворювача електричних коливань в механічні.
Основною позитивною рисою фільтрів на поверхневих акустичних хвилях є те, що їх виготовлення грунтується на технології мікроелектроніки (формування плівок з різними властивостями). За цим широкий розвиток отримало новий напрямок, що відноситься до функціональної мікроелектроніці, відоме як актустоелектроніка.
Розглянемо роботу магнітострикційних перетворювачів. З фізики відомий ефект Джоуля, який полягає в тому, що якщо деякі феромагнітні тіла помістити в магнітне поле, то відбувається намагнічування, що супроводжується виникненням внутрішніх механічних сил в тілі. У результаті змінюються його геометричні розміри.

Рис.2
Приклад наближеною еквівалентної схеми електромеханічного фільтра наведено на рис.2, де L1 і C1 - еквівалентні параметри резонатора, а C2 - еквівалентні зв'язку. Кількість ланок і ступінь зв'язку, отримані при електричному розрахунку, реалізуються при конструюванні фільтра. При конструюванні резонаторів необхідно визначити їх матеріал і геометричні розміри, а вид коливань вибирається заздалегідь.
Пьезокварцевиє і п'єзокерамічні фільтри. Значно більші можливості дають такі принципи перетворення електричних коливань в механічні або такі принципи зв'язків елементів електричних ланцюгів з механічними резонаторами, при яких активні втрати при перетворенні виходять малими. Такими особливостями володіють перетворювачі, в яких внаслідок п'єзоефекту відбувається збудження пружних механічних коливань. У цих перетворювачах виходить своєрідний конденсатор, до обкладки якого подається напруга змінного струму.
Схема заміщення п'єзоелектричного резонатора, що містить крім С0 гілку LCRр, що відображає дію резонатора, а також залежність модуля опору | Z |, отриману експериментально з урахуванням втрат, і залежність реактивного опору х резонатора при відсутності втрат наведені на рис.3. Частота fp відповідає частоті послідовного резонансу між індуктивністю L і ємністю С: fp = 1/2π . При цьому опір резонатора різко зменшується, досягаючи опору резонатора різко зменшується, досягаючи опору Rp - активного опору, що відображає наявність втрат при коливаннях пластини резонатора.

Рис.3
Активні фільтри
Принцип дії фільтрів RC. Пристрої фільтрації, в яких використовуються контури LC, за принципом дії є пасивними, тобто передбачається, що для їх функціонування не потрібно підсилювальних активних елементів. Посилення проводиться відфільтрованого сигналу в іншому блоці.
Розвиток активних елементів і мікросхем дозволило використовувати їх як складову частину пристроїв фільтрації. Такі мікросхеми отримали назву операційних підсилювачів (ОП).
Основні особливості ОУ: високий коефіцієнт підсилення, мінімальне зміщення нуля і температурний дрейф; невелика споживана потужність; невелика вартість. Наприклад операційний підсилювач К140УД7 має коефіцієнт посилення 50 000, вхідний струм менше 200 мкА, ЕРС зміщення нуля менше 4 мВ, максимальне вхідна напруга 11 В, струм споживання менше 2,8 мА, вхідний опір більше 0,4 МОм, частота зрізу 0,8 МГц, опір навантаження 1 кОм. Найбільш широко застосовуються смугові активні фільтри, в схему яких включені резистори і конденсатори (активні RC-фільтри).
Якщо у схемах з ОУ характеристики зворотного зв'язку змінюються з частотою, то можуть бути отримані пристрої, коефіцієнт передачі яких змінюється з частотою.

Рис.4
Таким чином, ОУ, охоплений ланцюгом зворотного зв'язку, виконує функції, аналогічні функціям коливального контуру.
Найпростіша схема смугового фільтра з такою зворотним зв'язком при використанні одного ОУ дана на рис.4. Частота квазірезонанса
. (5)
Смугові активні RC-фільтри на трьох ОУ. Робота фільтра з трьома ОУ дещо відрізняється від роботи фільтра з одним ОУ. Можна показати, що частина схеми (рис.5), що включають в свій склад два ОУ (ОУ2 і ОУ3), створює ефект взаємодії струму і напруги, еквівалентний індуктивності (гиратора). Індуктивність гиратора визначається за формулою
. (6)
При цьому в ланцюг зворотного зв'язку включений контур, що складається з елементів: котушки індуктивності L1, резистора R5 і конденсатора С2. Чим більше опір резистора R5, тим більше добротність еквівалентного контуру, тим вже смуга пропускання. Активні RC-фільтри звичайно проектуються на заводах виробниках РЕА.

Рис.5

ЛІТЕРАТУРА

1. Ричіна Т.А., Зеленський А.В. Пристрої функціональної електроніки та електрорадіоелементи: Підручник для вузів. - М: Радіо і зв'язок. -2005.
2. Єфімов І.Є., Козир І.Я., Горбунов Ю.І. Мікроелектроніка. -М.: Вища школа. - 2007.
3. Світенко В.І. Електрорадіоелементи. - М: Вища школа. -2007.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Комунікації, зв'язок, цифрові прилади і радіоелектроніка | Реферат
33кб. | скачати


Схожі роботи:
Пасивні LC-фільтри і активні RC-фільтри
Частотні фільтри електричних сигналів пасивні
Цифрові фільтри
Згладжують фільтри
Кварцові і електромеханічні фільтри
Фільтри верхніх частот
Фільтри нижніх частот
Частотні фільтри електричних сигналів
Фільтри для точкових зображень в Adobe
© Усі права захищені
написати до нас