Теоретические основы электротехники. Часть 1. Установившиеся режимы в линейных электрических цепях

Фильтры обычно собирают по симметричным Т- или П- образным схемам (см. рис. 6.3), т.е. при Z2 = Z1 и Z6 = Z5.

При изучении фильтров будем использовать понятия коэффициента затухания и коэффициента фазы. Кроме того, условимся называть сопротивление Z1 и сопротивление Z4 продольными, а сопротивление Z3 и сопротивление Z5 – попе-

речными (см. рис. 6.3, а, б).

Фильтры, в которых произведение продольного сопротивления на соответствующее поперечное сопротивление является постоянной величиной (число k), не зависящей от частоты, принято называть k-фильтрами.

Сопротивление нагрузки ZН на выходе фильтра должно быть согласовано с характеристическим сопротивлением фильтра ZC (ZН = ZC). Входное сопротивление k-фильтра при этом равно ZC.

Фильтрующие свойства четырехполюсников обусловлены возникновением в них резонансных режимов – резонансов токов или напряжений. Качество фильтра тем выше, чем более резко выражены его фильтрующие свойства, т.е. чем более резко возрастает затухание в полосе затухания.

Основы теории k-фильтров. Если нагрузка ZН согласо-

вана с характеристическим сопротивлением ZC четырехполюсника, то напряжение U2 и ток I2 в нагрузке связаны с напряжением U1 и током I1 на входе четырехполюсника соотношениями:

U 2 U1 e Г ; I 2 I1 e Г ,

где Г ln A11 A12 A21 j .

определяет, во сколько раз модуль напряжения (тока) на выходе фильтра меньше модуля напряжения (тока) на его вхо-

де. Если 0 , то e e0 1 , и фильтр пропускает колебания без затухания. Таким образом, в полосе прозрачности 0 , а в полосе затухания 0 .

91

для уравнения (6.16) выполняется при β = 0 или β = ±π. Согласно уравнению (6.17) при β = 0

ch A11 .

Уравнения (6.21) и (6.22) позволяют по значениям A11(ω) рассчитать ch в полосе затухания, по ch определить α, а затем построить кривую f .

Из (6.21) следует, что напряжение U2 находится в фазе при β= 0 и в противофазе – при β = ±π с напряжением U1 на входе фильтра.

В заключение необходимо отметить два важных момента: с изменением частоты ω изменяются коэффициенты A12, A21 и, соответственно, характеристическое сопротивление

Z C A12 A21 ; в полосе прозрачности характеристическое

сопротивление k-фильтра активное, а в полосе затухания – чисто реактивное (индуктивное или емкостное).

k-фильтры различных типов. Фильтрами низких ча-

стот (ФНЧ) называют фильтры, пропускающие в нагрузку лишь низкие частоты от ω1 = 0 до ω2. Их полоса затухания находится в интервале от ω2 до ∞.

Под фильтрами высоких частот (ФВЧ) понимают филь-

тры, пропускающие в нагрузку лишь высокие частоты от ω1 до ∞. Их полоса затухания находится в интервале от 0 до ω1.

Характер изменения коэффициентов и для двух ФНЧ (рис. 6.6, а, б) иллюстрируют кривые (рис. 6.6, в). Характер изменения коэффициентов и для двух ФВЧ (рис. 6.7, а,

б) иллюстрируют кривые (рис. 6.7, в).

93

Рис. 6.8.

Если фильтр предназначен для работы на частотах, находящихся внутри полосы пропускания данного фильтра и далеко отстоящих от значения частоты, при котором ZC 0 , то сопротивление нагрузки на выходе ФНЧ выбирают равным Z C , соответствующим 1 0 . Для Т-образных ФНЧ (рис. 6.6, а) и для Т-образных ФВЧ нагрузки, согласованной со значением Z C при (рис. 6.7, а), Z CТ 2LC . В поло-

се затухания Z C оказывается чисто реактивным для всех ти-

пов k-фильтров.

Чтобы выяснить, индуктивный или емкостный характер имеет Z C в полосе затухания, следует определить характер

входного сопротивления рассматриваемого фильтра, считая выходные зажимы схемы закороченными: для ФНЧ (рис. 6.6, а, б) – при очень высокой частоте; для ФВЧ (рис. 6.7, а, б) – при

95

очень низкой частоте. В результате определим, что в зоне затухания Z C имеет индуктивный характер для Т-образного

ФНЧ (рис. 6.6, а) и П-образного ФВЧ (рис. 6.7, б), а емкостный характер – для П-образного ФНЧ (рис. 6.6, б) и Т- образного ФВЧ (рис. 6.7, а).

Полосно-пропускающий фильтр пропускает в нагрузку

б)

Рис. 6.9.

Приведем без вывода формулы для определения параметров фильтра (рис. 6.9, а) по заданным частотам f1 и f2 и сопротивлению нагрузки фильтра ZC при резонансной часто-

те fР Р 2 :

96

Пример 6.5. Определить параметры полосового фильтра (рис. 6.9, а) при условии, что он пропускает полосу частот от

6.6. Фильтры высоких порядков

Применение фильтров высоких порядков позволяет повысить качество фильтрации и приблизить характеристики фильтров к идеальным (бесконечное ослабление сигналов в полосе затухания и бесконечно резкий переход между полосами пропускания и затухания). Проектирование таких фильтров состоит из двух этапов: определение требуемой передаточной функции и проектирование схемы для реализации этой функции.

В качестве передаточных функций используются специальные математические функции, названия которых дали названия фильтрам, спроектированным на их основе: Баттерворта, Чебышева, Бесселя и др. Вопросы проектирования

97

фильтров не входят в данный курс, ниже будут рассмотрены наиболее часто используемые фильтры и их основные свойства.

Фильтр Баттерворта (нижних частот). Аппроксими-

рующая функция для идеальной АЧХ фильтра нижних частот задается в виде

0,8

0,6

n=1

0,4

n=2

0,2

Рис. 6.10. АЧХ фильтров Баттерворта

98

Определяемая выражением (6.23) функция называется функцией Баттерворта, а фильтры, синтезированные на основе этой функции, называются фильтрами Баттерворта. Подобные фильтры были впервые описаны британским инженером Стефаном Баттервортом. При с функции Баттер-

ворта любого порядка равны 1/2, что соответствует ослабле-

нию АЧХ в 2 раз (рис. 6.10) или на 3 дБ. Аппроксимацию по Баттерворту называют максимально плоской. Таким образом, фильтрами с характеристиками Баттерворта называют фильтры, у которых в ФНЧ при нулевой частоте ослабление равно 0, в полосе пропускания оно монотонно увеличивается, на граничной частоте достигает 3 дБ, а затем в полосе затухания постепенно возрастает.

Чем больше звеньев имеет фильтр, т.е. чем выше его порядок, тем круче идет характеристика в полосе затухания и тем меньше ослабление в полосе пропускания (рис. 6.10). При n АЧХ фильтра Баттерворта приближается к идеальной. Таким образом, n является тем единственным параметром, выбор которого позволяет удовлетворить заданный набор требований к фильтру в полосе пропускания и полосе затухания.

При этом следует иметь в виду, что элементы фильтра считают чисто реактивными и при наличии потерь характеристики искажаются и отличаются от рассматриваемых. Фильтр Баттерворта – единственный из фильтров, сохраняющий форму АЧХ для более высоких порядков, тогда как многие другие разновидности фильтров (фильтры Бесселя, Чебышёва, эллиптический фильтр) имеют различные формы АЧХ при различных порядках.

Фильтр Чебышева (нижних частот). Для улучшения аппроксимации идеальной прямоугольной характеристики ФНЧ часто применяется аппроксимация по Чебышеву, при

которой в качестве функции F 2 ( с ) в формуле (6.22) используется квадрат полинома Чебышева Tn ( с ) соответ-

99

ствующего порядка n. При этом формула (6.23) перепишется в виде

Коэффициент 1 вводится для ограничения амплитуды пульсаций АЧХ в полосе пропускания, т.е. в интервале

с 1. Чем меньше ε, тем лучше аппроксимируется АЧХ

в указанной полосе, но одновременно снижается крутизна ската характеристики в полосе затухания (при с 1).

Фильтр получил название в честь известного русского математика XIX века Пафнутия Львовича Чебышёва, так как характеристики этого фильтра основываются на многочленах Чебышёва. Полиномы Чебышева (первого рода) определяются как

Полиномы Чебышева низших степеней

100