Полоса пропускания полосового фильтра формула

Аналоговые измерительные устройства

Путем замены переменной Р в передаточной функции ФНЧ на переменную (1/ΔΩ)(P+1/P) можно получить АЧХ полосового фильтра. В результате этого преобразования АЧХ фильтра нижних частот в диапазоне 0 ≤ Ω ≤ 1 переходит в правую часть полосы пропускания полосового фильтра (1 ≤ Ω ≤ ΩMAX). Левая часть полосы пропускания является зеркальным отображением в логарифмическом масштабе правой части относительно средней частоты полосового фильтра Ω = 1 (рис. 2.36). При этом ΩMIN = 1/ ΩMAX. Вычисление нормированных частот среза полосового фильтра, на которых его коэффициент передачи уменьшается на 3 дБ, может быть осуществлено из
. (2.79)
формулы которая получается при
и

Передаточная функция ПФ второго порядка имеет вид

Основными характеристиками такого фильтра являются коэффициент передачи КР на резонансной частоте (КР = К0) и добротность Q.

Из (2.82) получим выражения для АЧХ и ФЧХ полосового фильтра второго порядка

Получить полосовой фильтр можно, включив последовательно фильтры нижних и верхних частот (рис. 2.37). Максимальная величина добротности, которая может быть получена, при таком построении фильтра равна Q= 1/2.

На рис. 2.38 показана схема пассивного LRC – фильтра. Передаточная функция равна
. (2.84)
Резонансная частота фильтра .
Передаточная функция (2.84) может быть переписана в
Рис. 2.38 нормированном виде

Для реализации пассивного полосового фильтра с низкой резонансной частотой требуется большая индуктивность. Для схемной реализации можно использовать операционный усилитель с частотно-зависимой обратной RC – связью. Пример ПФ со сложной отрицательной обратной связью показан на рис. 2.39. Приняв С1 = С2 = С получим передаточную функцию в виде
. (2.86)
Рис. 2.39 Согласно (2.82) имеем

Отсюда получим, что

Подставив (2.88) в (2.86) получим и приравняв соответствующие коэффициенты к коэффициентам в формуле (2.82) можно получить, что

Таким образом, полоса пропускания не зависит от R1 и R2, а КР не зависит от R2. Поэтому можно изменять резонансную частоту fР, изменяя R2 без изменения коэффициента передачи КР.
Рассмотрим пример расчета полосового фильтра. Пусть необходимо получить ПФ с резонансной частотой fР = 10 Гц, добротностью Q= 100 и коэффициентом передачи на резонансной частоте КР = -10. При этом частоты среза будут fMIN ≈ 9,95 Гц и fР ≈ 10,05 Гц. Задаем произвольно значение емкости конденсатора С = 1 мкФ. Тогда из формул (2.89) получим R3 = Q/fPC) = 3,18 МОм; R1= R3/(-2KP) =159 кОм. Из формулы (2.88) получим
R2= -KР/(2Q2 + KР)= 79,5 Ом.
На рис. 2.40 приведен пример схемы полосового фильтра с положительной обратной связью.

Источник

Полоса пропускания полосового фильтра формула

Электрическим фильтром называется четырехполюсник, устанавливаемый между источником питания и нагрузкой и служащий для беспрепятственного (с малым затуханием) пропускания токов одних частот и задержки (или пропускания с большим затуханием) токов других частот.

Диапазон частот, пропускаемых фильтром без затухания (с малым затуханием), называется полосой пропускания или полосой прозрачности; диапазон частот, пропускаемых с большим затуханием, называется полосой затухания или полосой задерживания. Качество фильтра считается тем выше, чем ярче выражены его фильтрующие свойства, т.е. чем сильнее возрастает затухание в полосе задерживания.

В качестве пассивных фильтров обычно применяются четырехполюсники на основе катушек индуктивности и конденсаторов. Возможно также применение пассивных RC-фильтров, используемых при больших сопротивлениях нагрузки.

Фильтры применяются как в радиотехнике и технике связи, где имеют место токи достаточно высоких частот, так и в силовой электронике и электротехнике.

Для упрощения анализа будем считать, что фильтры составлены из идеальных катушек индуктивности и конденсаторов, т.е. элементов соответственно с нулевыми активными сопротивлением и проводимостью. Это допущение достаточно корректно при высоких частотах, когда индуктивные сопротивления катушек много больше их активных сопротивлений ( ), а емкостные проводимости конденсаторов много больше их активных проводимостей ( ).

Читайте также:  Фильтр для воды проточный магистральный тройной

Фильтрующие свойства четырехполюсников обусловлены возникающими в них резонансными режимами – резонансами токов и напряжений. Фильтры обычно собираются по симметричной Т- или П-образной схеме, т.е. при или (см. лекцию №14). В этой связи при изучении фильтров будем использовать введенные в предыдущей лекции понятия коэффициентов затухания и фазы.

Классификация фильтров в зависимости от диапазона пропускаемых частот приведена в табл. 1.

Таблица 1. Классификация фильтров

Название фильтра

Диапазон пропускаемых частот

Низкочастотный фильтр (фильтр нижних частот)

Высокочастотный фильтр (фильтр верхних частот)

Полосовой фильтр (полосно-пропускающий фильтр)

Режекторный фильтр (полосно-задерживающий фильтр)

В соответствии с материалом, изложенным в предыдущей лекции, если фильтр имеет нагрузку, сопротивление которой при всех частотах равно характеристическому, то напряжения и соответственно токи на его входе и выходе связаны соотношением

В идеальном случае в полосе пропускания (прозрачности) , т.е. в соответствии с (1) , и . Следовательно, справедливо и равенство , которое указывает на отсутствие потерь в идеальном фильтре, а значит, идеальный фильтр должен быть реализован на основе идеальных катушек индуктивности и конденсаторов. Вне области пропускания (в полосе затухания) в идеальном случае , т.е. и .

Рассмотрим схему простейшего низкочастотного фильтра, представленную на рис. 1,а.

Связь коэффициентов четырехполюсника с параметрами элементов Т-образной схемы замещения определяется соотношениями (см. лекцию № 14)

или конкретно для фильтра на рис. 1,а

; (2)
; (3)
. (4)

Из уравнений четырехполюсника, записанных с использованием гиперболических функций (см. лекцию № 14), вытекает, что

Однако в соответствии с (2) — вещественная переменная, а следовательно,

Поскольку в полосе пропускания частот коэффициент затухания , то на основании (5)

Так как пределы изменения : , — то границы полосы пропускания определяются неравенством

которому удовлетворяют частоты, лежащие в диапазоне

Для характеристического сопротивления фильтра на основании (3) и (4) имеем

Анализ соотношения (7) показывает, что с ростом частоты w в пределах, определяемых неравенством (6), характеристическое сопротивление фильтра уменьшается до нуля, оставаясь активным. Поскольку, при нагрузке фильтра сопротивлением, равным характеристическому, его входное сопротивление также будет равно , то, вследствие вещественности , можно сделать заключение, что фильтр работает в режиме резонанса, что было отмечено ранее. При частотах, больших , как это следует из (7), характеристическое сопротивление приобретает индуктивный характер.

На рис. 2 приведены качественные зависимости и .

Следует отметить, что вне полосы пропускания . Действительно, поскольку коэффициент А – вещественный, то всегда должно удовлетворяться равенство

Так как вне полосы прозрачности , то соотношение (8) может выполняться только при .

В полосе задерживания коэффициент затухания определяется из уравнения (5) при . Существенным при этом является факт постепенного нарастания , т.е. в полосе затухания фильтр не является идеальным. Аналогичный вывод о неидеальности реального фильтра можно сделать и для полосы прозрачности, поскольку обеспечить практически согласованный режим работы фильтра во всей полосе прозрачности невозможно, а следовательно, в полосе пропускания коэффициент затухания будет отличен от нуля.

Другим вариантом простейшего низкочастотного фильтра может служить четырехполюсник по схеме на рис. 1,б.

Схема простейшего высокочастотного фильтра приведена на рис. 3,а.

Для данного фильтра коэффициенты четырехполюсника определяются выражениями

; (9)
; (10)
. (11)

Как и для рассмотренного выше случая, А – вещественная переменная. Поэтому на основании (9)

Данному неравенству удовлетворяет диапазон изменения частот

Характеристическое сопротивление фильтра

изменяясь в пределах от нуля до с ростом частоты, остается вещественным. Это соответствует, как уже отмечалось, работе фильтра, нагруженного характеристическим сопротивлением, в резонансном режиме. Поскольку такое согласование фильтра с нагрузкой во всей полосе пропускания практически невозможно, реально фильтр работает с в ограниченном диапазоне частот.

Читайте также:  Для проверки правильности подбора детали Топливный фильтр PATRON PF3227

Вне области пропускания частот определяется из уравнения

при . Плавное изменение коэффициента затухания в соответствии с (14) показывает, что в полосе задерживания фильтр не является идеальным.

Качественный вид зависимостей и для низкочастотного фильтра представлен на рис. 4.

Следует отметить, что другим примером простейшего высокочастотного фильтра может служить П-образный четырехполюсник на рис. 3,б.

Полосовой фильтр формально получается путем последовательного соединения низкочастотного фильтра с полосой пропускания и высокочастотного с полосой пропускания , причем . Схема простейшего полосового фильтра

приведена на рис. 5,а, а на рис. 5,б представлены качественные зависимости для него.

У режекторного фильтра полоса прозрачности разделена на две части полосой затухания. Схема простейшего режекторного фильтра и качественные зависимости для него приведены на рис.6.

В заключение необходимо отметить, что для улучшения характеристик фильтров всех типов их целесообразно выполнять в виде цепной схемы, представляющей собой каскадно включенные четырехполюсники. При обеспечении согласованного режима работы всех n звеньев схемы коэффициент затухания такого фильтра возрастает в соответствии с выражением , что приближает фильтр к идеальному.

  1. Основы теории цепей: Учеб. для вузов /Г.В.Зевеке, П.А.Ионкин, А.В.Нетушил, С.В.Страхов. –5-е изд., перераб. –М.: Энергоатомиздат, 1989. -528с.
  2. Каплянский А. Е. и др. Электрические основы электротехники. Изд. 2-е. Учеб. пособие для электротехнических и энергетических специальностей вузов. -М.: Высш. шк., 1972. -448с.

Контрольные вопросы и задачи

  1. Для чего служат фильтры?
  2. Что такое полосы прозрачности и затухания?
  3. Как классифицируются фильтры в зависимости от диапазона пропускаемых частот?
  4. В каком режиме работают фильтры в полосе пропускания частот?
  5. Почему рассмотренные фильтры нельзя считать идеальными?
  6. Как можно улучшить характеристики фильтра?
  7. Определить границы полосы прозрачности фильтров на рис. 1,а и 3,а, если L=10 мГн, а С=10 мкФ.

Источник



Полосовые фильтры

Полосовой фильтр пропускает сигналы, частоты которых ле­жат выше и ниже резонансной частоты в установленных преде­лах. Ширина полосы пропускания определяется избиратель­ностью (добротностью Q) используемых схем. Поэтому состав­ляющие сигнала с частотами выше и ниже полосы пропускания, будут ослабляться, или отфильтровываться, в то время как со­ставляющие с частотами, находящимися в полосе пропускания,, проходят с умеренным затуханием.

clip_image002

Рис. 5.6. Полосовые фильтры и их частотная характеристика.

На рис. 5.6, а показана схема простейшего Г-образного по­лосового фильтра типа k. Предположим, что последовательная (Li и Ci) и параллельная (С2 и L2) резонансные цепи настроены на резонансную частоту, в окрестности которой находится требуемая полоса пропускания. Тогда для составляющих сигна­ла на частоте резонанса и вблизи нее цепь последовательного резонанса L1 и С1 представляет низкий импеданс, поэтому такие составляющие легко проходят на выход фильтра. Для этих со­ставляющих цепь параллельного резонанса С2 и L2 имеет высо­кий импеданс, поэтому затухание, вносимое этой цепью, мало. Для составляющих сигналов с частотами выше или ниже поло­сы пропускания, определяемой резонансной частотой, последо­вательная резонансная цепь представляет высокий импеданс. Поэтому амплитуды таких составляющих на выходе очень ма­лы, тем более, что составляющие шунтируются на выходе низ­ким импедансом цепи параллельного резонанса (эта цепь имеет высокий импеданс только для составляющих сигнала с часто­тами в пределах полосы пропускания).

На рис. 5.6,6 показана частотная характеристика полосово­го фильтра. Резонансная частота fр для цепи последовательно­го или параллельного резонанса определяется выражением

clip_image004

где fp — резонансная частота, Гц; L1, L2 — индуктивность, Г; С1> С2 — емкость, Ф.

За ширину полосы пропускания фильтра принимают раз­ность таких частот f2 — f1 (рис. 5.6,6), которым соответствует величина амплитуды на выходе фильтра, равная 0,707 макси­мального значения амплитуды при частоте f=fР.

Добротность Q фильтра выражается отношением резонанс­ной частоты к ширине полосы пропускания фильтра (рис. 5.6,6):

Поскольку добротность контура определяется его активными сопротивлениями, то для контура с последовательным резонан­сом

где R — эквивалентное последовательное активное сопротивле­ние; при этом учитываются как активное сопротивление катуш­ки индуктивности (предполагается, что активное сопротивление конденсатора пренебрежимо мало), так и другие активные со­противления схемы. Для контура с параллельным резонансом добротность находят по формуле

clip_image010

где R — эквивалентное шунтирующее контур активное сопро­тивление потерь. Величины отдельных компонентов полосовых фильтров, показанных на рис. 5.6, можно вычислить по форму­лам

clip_image012

На рис. 5.6, в изображен П-образный полосовой фильтр, на рис. 5.6, г — Т-образный фильтр.

Источник

Расчет полосового фильтра на ОУ

Разрабатывая «радиоуправляемое реле» я решил использовать частотный способ кодирования команд управления. При этом фильтр было принято решение построить на ОУ, так как в корпусе оставался еще не задействованный блок ОУ. Но на этом фантазировать я еще не закончил, немного подумал и решил, что можно еще с экономить на деталях используя элементы, которые есть в наличии. Это и привело к написанию этой статьи «расчет полосового фильтра на ОУ». Покопавшись в книгах, собрав всю необходимую информацию составил алгоритм расчета фильтра с однополярным питанием. Но об этом потом, а сейчас не много теории.

Все фильтры разделяются на: активные фильтры, использующие для формирования частотной характеристики заданного вида как пассивные (резисторы и конденсаторы), так и активные (транзисторы, микросхемы) элементы, и пассивные фильтры, которые для формирования частотной характеристики заданного вида используют только пассивные (резисторы и конденсаторы) элементы. А сейчас поговорим о полосовых фильтрах.

Полосовой фильтр так называется потому, что он пропускает только тот частотный диапазон на который настроен, при этом частоты находящиеся за пределами данного диапазона ослабляются. Любой полосовой фильтр имеет несколько основных параметров определяющих его характеристики: полоса пропускания (полоса в которой сигнал проходя через фильтр имеет наименьшее затухание), полоса затухания (полоса в которой, сигналы ослабляются), коэффициент усиления (характеристика фильтра, которая отвечает за то во сколько раз сигнал будет усилен или ослаблен в полосе пропускания).

Идеальный полосовой фильтр имеет прямоугольную полосу пропускания, но на практике этого добиться невозможно, а можно только в какой-то степени лишь приблизиться такой форме. Реальный фильтр неспособен полностью задержать частоты за границами желаемого диапазона частот, в результате имеется область у границ заданного диапазона, где сигнал только частично ослабляется. Эта область называется крутизной спада фильтра, и измеряется в «дБ» затухания на октаву.

Принцип работы полосового фильтра основан на изменении коэффициента усиления в зависимости от частоты входного сигнала. Основной в фильтре является RC-цепочка, включенная в цепь обратной связи которая, при изменении частоты влияет на коэффициента усиления. Ну все думаю теории хватит перейдем к расчетам.

Расчет произведем по ниже приведенной схеме. Элементы R1-R3 и C1, C2 — определяют полосу пропускания и коэффициент усиления. R4, R5 — смещение рабочей точки, это необходимо для питания от однополярного источника. Микросхема ОУ выполняет роль активного элемента и подключать ее необходимо согласно Datasheet. Ниже схемы на картинках приведен расчет полосового фильтра на ОУ, но вы так же можете воспользоваться файлами расчета в Mathcad 14 и модели в Multisim 11.

Схема полосового фильтра на ОУ

Данный фильтр можно использовать в светомузыкальных устройствах, радиоуправлении, датчиках и так далее.

Источник