|
Проектирование фильтров по рабочим параметрамОсновные преимущества: 1. Электрический фильтр получается с меньшим числом элементов 2. Выполнение требований по рабочему ослаблению более гарантировано 3. Разработана общая методика расчета Рассмотрим реактивный двусторонне нагруженный электрический фильтр:
Рабочая мера передачи данного фильтра определяется соотношением: , [Нп], [дБ]. – активная максимальная мощность источника. – активная мощность, передаваемая от источника после фильтра в нагрузку. Из-за несогласованности входного сопротивления с внутренним сопротивлением генератора выделяется мощность меньше максимальной на мощность отражений , тогда можно записать: . Введем понятие модуля коэффициента отражения от входа фильтра : , – комплексный коэффициент отражения. Введем понятие модуля рабочей передаточной функции : , – комплексная рабочая передаточная функция. Введем понятие модуля функции фильтрации: . Установим связь между рабочей передаточной функцией, модулем коэффициента отражения и функции фильтрации. , , следовательно . Поскольку: [дБ]. Модуль функции фильтрации в ПП должен иметь небольшое значение, а в ПЗ большое.
Этапы синтеза электрических фильтров по рабочему ослаблению. Синтез (проектирование) электрического фильтра по рабочему ослаблению состоит из следующих этапов: аппроксимации, реализации, проверочного расчета и исследования. На этапе аппроксимации необходимо получить аналитическое выражение для рабочей передаточной функции, удовлетворяющей УФР. При расчетах используют два вида аппроксимации: 1. Аппроксимация по Тейлору: аппроксимирующая функция совпадает с исходной в одной точке, в остальных монотонно отклоняется не более чем на заданную величину ∆.
2. Аппроксимация по Чебышеву: аппроксимирующая функция колеблется относительно исходной, отклоняясь на заданную величину ∆ в некотором интервале, а в не его резко отклоняется.
При проектировании фильтров по рабочему ослаблению на этапе аппроксимации задают функцию фильтрации. В зависимости от вида функции фильтрации получают различные типы фильтров. Если в качестве функции фильтрации используются полиномы, то фильтры называются полиномиальными. Среди полиномиальных фильтров широко используются: Ø фильтры Баттерворта (в качестве функции фильтрации полиномы Баттерворта) Ø фильтры Чебышева (в качестве функции фильтрации полиномы Чебышева) Если в качестве функции фильтрации используется дробно-рациональная функция, например, дробь Золотарева-Кауэра, то имеем фильтр Золотарева-Кауэра. На этапе реализации по найденной рабочей передаточной функции определяется схема фильтра и величины ее элементов. Технические требования, предъявляемые к фильтрам: 1. граничные частоты ПП и ПЗ 2. максимальное допустимое ослабление в ПП (или коэффициент отражения) [дБ]. 3. минимальное допустимое ослабление в ПЗ 4. сопротивление нагрузки Функция фильтрации В теории электрических фильтров фильтры описываются передаточной функцией вида: (1) При этом рабочее ослабление при использовании нормированной частоты (2) Здесь – нормированная частота, а - нормирующая частота. Обычно в качестве нормирующей выбирают граничную частоту полосы пропускания ω2. Функция называется функцией фильтрации, а - коэффициентом неравномерности ослабления. В общем случае - дробно-рациональная функция с вещественными коэффициентами (в частности полином), удовлетворяющая условиям: в полосе пропускания и в полосе непропускания фильтра. В зависимости от вида функции фильтрации получают различные типы фильтров. Если в качестве функции фильтрации используют полиномы, то фильтры называются полиномиальными. Среди полиномиальных фильтров широкое использование нашли фильтры Баттерворта и Чебышева. Если - дробно-рациональная функция, например, дробь Золотарева, то получают фильтр Золотарева - Кауэра. Следует отметить, что есть смысл подробно изучать только ФНЧ, т.к. другие типы фильтров могут быть легко получены из ФНЧ заменой (преобразованием) частоты. Фильтры Баттерворта Если в выражениях, описывающих квадрат АЧХ фильтра (1) и его рабочее ослабление (2), в качестве функции фильтрации используются полиномы Баттерворта , то такие фильтры называются фильтрами Баттерворта. Из формул (1) и (2) следует, что для фильтров Баттерворта на частоте значение квадрата АЧХ равно единице, а рабочего ослабления – нулю. С ростом частоты квадрат АЧХ фильтра Баттерворта уменьшается и падает до нуля на бесконечно большой частоте. Рабочее ослабление плавно растет до бесконечно большого значения. Таким образом, выражения (1) и (2) приближенно воспроизводят характеристики идеального фильтра. Чтобы эти характеристики «вписывались» в предъявляемые к фильтру требования, необходимо иметь рабочее ослабление (2) в полосе пропускания меньше ΔА= , а в полосе непропускания большее . Первому условию можно удовлетворить, если потребовать на граничной частоте полосы пропускания () выполнения равенства или . Отсюда с учетом (1) И (2) имеем , вычисляем коэффициент: (3), который называется коэффициентом неравномерности ослабления в полосе пропускания фильтра. В этой формуле величина имеет размерность непер. Если воспользоваться значениями в дБ, то (4). 0 < ε Если ε=1, то АР=3 дБ. С учетом введенных обозначений квадрат АЧХ фильтра Баттерворта запишется в виде: Эта функция удовлетворяет свойствам квадрата АЧХ реальных ЧП, и поэтому ей можно сопоставить физически осуществимый фильтр. Рабочее ослабление фильтра Баттерворта: , дБ , Нп Крутизна частотных характеристик зависит от степени n – порядка фильтра. Чем больше степень n, тем выше крутизна характеристики. Таким образом, для удовлетворения требований в полосе непропускания необходимо выбрать соответствующий порядок фильтра n. Его легко определить из условия: на граничной частоте полосы непропускания Ω3: или . С учетом этого условия получаем: , откуда . Логарифмируя обе части неравенства, придем к окончательному выражению: . Здесь Ω3=ω3/ω2 Округление производится в большую сторону до целого числа. Величина входит в формулу в неперах. Если вычислять ее в децибелах, то .Фильтры Баттерворта называют также фильтрами с максимально плоским ослаблением в полосе пропускания.
где
Корни уравнения , лежащие в левой полуплоскости, принадлежат , являющемуся полиномом Гурвица. Следовательно, функция: удовлетворяет условиям физической реализуемости. Эти корни определяются соотношениями:
и позволяют найти искомую передаточную функцию в виде: . (3.7) Рабочее ослабление нетрудно теперь получить через передаточную функцию на основании: дБ. ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между... ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования... Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все... Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот... Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
|