Фильтры

Частотным фильтром называется устройство (четырехполюсник), обладающее различной величиной затухания для разных областей частот электрических сигналов.

По назначению фильтры разделяются на фильтры нижних частот (а), фильтры верхних частот (б), полосовые (в) и заграждающие (г) фильтры.

 

 

Фильтры, находящие применение в обработке сигналов, бывают

- аналоговыми или цифровыми;

- пассивными или активными;

- линейными и нелинейными;

- рекурсивными и нерекурсивными.

Аналоговый фильтр - разновидность, имеющих дело с аналоговыми или непрерывными сигналами. Аналоговый сигнал – сигнал данных, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией времени и непрерывным множеством возможных значений.

По типу применяемых єлементов аналоговые фильры можно разделить на LC-фильтры, пьезоэлектрические и электромеханические.

LC-фильтры являются наиболее дешевыми, но обладают худшими характеристиками, чем пьезоэлектрические и электромеханические. Вместе с тем LC-фильтры позволяют их использовать в широком диапазоне частот от нескольких десятков килогерц до нескольких десятков мегагерц. Примером реализации такого фильтра может служить колебательный контур, а именно полосовой фильтр в виде цепи из последовательно соединенных резистора, конденсатора и индуктивности. В данном случае полосовой фильтр представлен в виде последовательности, состоящей из фильтра нижних частот и фильтра высоких частот.

Пьезокварцевые фильтры обладают лучшими характеристиками по сравнению с другими типами фильтров, но и стоимость их существенно выше. Диапазоны частот, для которых используются пьезокварцевые фильтры, охватывают область от самых низких частот до ста мегагерц.

 

 

Пьезокерамические фильтры по своим характеристикам находятся в промежуточном положении между электромеханическими и пьезокварцевыми фильтрами. Их основная особенность заключается в относительно небольшой стоимости и малых габаритах.

Применение электромеханичесиких фильтров ограничено верхним пределом частот (около одного мегагерца), но они с успехом используются в диапазоне очень низких частот (вплоть до 0,5 Гц), для которого трудно, а часто невозможно создавать фильтры других типов. Электромеханические фильтры отличают сравнительно небольшие габариты, хорошие параметры и высокая стоимость в сравнении с пьезокерамическими фильтрами.

Конструкции электромеханических фильтров с резонаторами фильтрующей системы, работающих на изгибных (а), крутильных (б) и продольных (г) колебаниях

 

 

 

Цифровой фильтр - в электронике любой фильтр, обрабатывающий цифровой сигнал с целью выделения и/или подавления определённых частот этого сигнала. Различают два вида реализации цифрового фильтра: аппаратный и программный. Аппаратные цифровые фильтры реализуются на элементах интегральных схем, тогда как программные реализуются с помощью программ, выполняемых ПЛИС, процессором или микроконтроллером. Преимуществом программных перед аппаратным является лёгкость воплощения, а также настройки и изменений, а также то, что в себестоимость такого фильтра входит только труд программиста. Недостаток- низкая скорость, зависящая от быстродействия процессора, а также трудная реализуемость цифровых фильтров высокого порядка.

Пассивный фильтр - электронный фильтр, состоящий только из пассивных компонентов, таких как, к примеру, конденсаторы и резисторы. Пассивные фильтры не требуют никакого источника энергии для своего функционирования. В отличие от активных фильтров в пассивных фильтрах не происходит усиления сигнала по мощности. Практически всегда пассивные фильтры являются линейными и используются повсеместно в радио- и электронной аппаратуре, например в акустических системах, источниках бесперебойного питания и т. д.

Активный фильтр - один из видов аналоговых электронных фильтров, в котором присутствует один или несколько активных компонентов, к примеру транзистор или операционный усилитель.

Линейный фильтр - динамическая система, применяющая некий линейный оператор ко входному сигналу для выделения или подавления определённых частот сигнала и других функций по обработке входного сигнала.

Нелинейный фильтр- устройство для обработки сигналов, выход которого не является линейным оператором от входного сигнала. Нелинейные фильтры широко используются в технике, электронике, теории управления и обработке сигналов. Особенно часто нелинейные фильтры используются в цифровой обработке изображений.

Рекурсивный фильтр(фильтр с бесконечной импульсной характеристикой) – линейный электронный фильтр, использующий один или более своих выходов в качестве входа, то есть образует обратную связь.

Нерекурсивный фильтр(фильтр с конечной импульсной характеристикой) - один из видов линейных цифровых фильтров, характерной особенностью которого является ограниченность по времени его импульсной характеристики (с какого-то момента времени она становится точно равной нулю).

По типу передаточной функции рекурсивные фильтры можно разделить на следующие:

- фильтры Бесселя;

- фильтры Баттерворта;

- фильтры Чебышева;

- эллиптические фильтры (фильтры Кауэра).

 

 

Фильтр Бесселя не имеет пульсаций АЧХ ни в полосе пропускания ни в полосе подавления, но при этом имеет наименьшую крутизну характеристики.

Фильтр Баттерворта имеет плоскую характеристику в полосе пропускания имеет место постепенное понижение характеристики при приближении к частоте ƒ_с.

Для фильтра Чебышева пульсации, распределяются равномерно по всей полосе пропускания, но при сравнительно малых пульсациях (порядка 0,1 дБ) этот фильтр обеспечивает намного большую крутизну характеристики в переходной области, чем фильтр Баттерворта. Расчет показывает, что в этом случае требуется 19-полюсный фильтр Баттерворта или всего лишь 8-полюсный фильтр Чебышева.

В эллиптическом фильтре (фильтре Кауэра) допускаются пульсации характеристики как в полосе пропускания, так и в полосе задерживания чем и обеспечивается крутизна переходного участка даже большая, чем у характеристики фильтра Чебышева.

Если пульсации в полосе подавления равны нулю, то эллиптический фильтр становится фильтром Чебышева I рода. Если пульсации равны нулю в полосе пропускания, то фильтр становится фильтром Чебышева II рода. Если же пульсации отсутствуют на всей амплитудной характеристике, то фильтр становится фильтром Баттерворта.