Фильтрация
Одним из методов локализации опасных сигналов, циркулирующих в технических средствах и системах обработки информации, является фильтрация. В источниках электромагнитных полей и наводок фильтрация осуществляется с целью предотвращения распространения нежелательных электромагнитных колебания за пределы устройства — источника опасного сигнала. Фильтрация в устройствах — рецепторах электромагнитных полей и наводок должна исключить их воздействие на рецептор.
В системах и средствах информатизации и связи фильтрация может осуществляться:
— в высокочастотных трактах передающих и приемных устройств для подавления нежелательных излучений — носителей опасных сигналов и исключения возможности их нежелательного приема;
— в различных сигнальных цепях технических средств для устранения нежелательных связей между устройствами и исключения прохождения сигналов, отличающихся по спектральному составу от полезных сигналов;
— в цепях электропитания, управления, контроля, коммутации технических средств для исключения прохождения опасных сигналов по этим цепям;
— в проводных и кабельных соединительных линиях для защиты от наводок;
— в цепях электрочасофикации, пожарной и охранной сигнализации для исключения прохождения опасных сигналов и воздействия навязываемых высокочастотных колебаний.
Одна из возможных схем фильтрации опасных сигналов, создаваемых или воспринимаемых техническим средством по различным цепям, представлена на рис. 35.
Фильтрация в различных цепях осуществляется с помощью фильтров, дросселей и трансформаторов.
В целях фильтрации в технических средствах систем информатизации и связи широко используют различные фильтры (нижних и верхних частот полосовые, заграждающие и т.д.). Основное назначение фильтра — пропускать без значительного ослабления сигналы с частотами, лежащими в рабочей полосе частот, и подавлять сигналы с частотами, лежащими за пределами этой полосы.
Рис. 35. Обобщенная схема фильтрации
|
Количественно эффективность ослабления (фильтрации) нежелательных (в том числе и опасных) сигналов защитным фильтром оценивается в соответствии с выражением:
| (33) |
где U1(P2) — напряжение (мощность) опасного сигнала на входе фильтра (рис. 35); U2(P2) — напряжение (мощность) опасного сигнала на выходе фильтра при включенной нагрузке.
Основные требования, предъявляемые к защитным фильтрам, заключаются в следующем:
— величины рабочих напряжения и тока фильтра должны соответствовать величинам напряжения и тока цепи, в которой фильтр установлен;
— эффективность ослабления нежелательных сигналов должна быть не меньше заданной в защищаемом диапазоне частот;
— ослабление полезного сигнала в полосе прозрачности фильтра должно быть незначительным, не влияющим на качество функционирования системы;
— габариты и масса фильтров должны быть, по возможности, минимальными;
— фильтры должны обеспечивать функционирование при определенных условиях эксплуатации (температура, влажность, давление, удары, вибрация и т.д.);
— конструкции фильтров должны соответствовать требованиям техники безопасности.
К фильтрам цепей питания наряду с общими предъявляются следующие дополнительные требования:
— затухание, вносимое такими фильтрами в цепи постоянного тока или переменного тока основной частоты, должно быть незначительным (например, 0,2 дБ и менее) и иметь большое значение (более 60 дБ) в полосе подавления, которая в зависимости от конкретных условий может быть достаточно широкой (до 1010 Гц).
— сетевые фильтры должны эффективно работать при больших проходящих токах, высоких напряжениях и высоких уровнях мощности рабочих и подавляемых электромагнитных колебаний;
— ограничения, накладываемые на допустимые уровни нелинейных искажений формы напряжения питания при максимальной нагрузке, должны быть достаточно жесткими (например, уровни гармонических составляющих напряжения питания с частотами выше 10 кГц должны быть на 80 дБ ниже уровня основной гармоники).
Фильтры нижних частот. Фильтр, у которого полоса прозрачности находится в пределах от w=0 (постоянный ток) до некоторой граничной частоты wгр, называется фильтром нижних частот (ФНЧ).
Фильтры верхних частот. Фильтр, у которого полоса прозрачности занимает все частоты выше некоторой определенной граничной частоты wгр, называется фильтром верхних частот (ФВЧ). В таком фильтре постоянный ток и все колебания с частотами ниже определенной граничной частоты должны задерживаться, а колебания частот w>wгр — беспрепятственно пропускаться.
Полосовые и заграждающие (режекторные) фильтры. Полосовые фильтры характеризуются тем, что обе частоты wгр1, и wгр2 ограничивающие полосу прозрачности, конечны и ни одна из них не равна нулю.
В ряде случаев ставится задача задержания определенной полосы частот и в то же время пропускания всех остальных частот. Такая задача решается заграждающим фильтром.
С точки зрения конструктивного исполнения фильтры могут быть выполнены на элементах с сосредоточенными параметрами (фильтры, предназначенные для работы на частотах до 300 МГц) и на элементах с распределенными параметрами (коаксиальные, волноводные, полосковые, применяемые на частотах свыше 1 ГГц). В диапазоне частот 300 МГц‑1 ГГц могут использоваться фильтры, включающие элементы, как с сосредоточенными, так и с распределенными параметрами.
Разделительные трансформаторы. Должны обеспечивать развязку первичной и вторичной цепей по сигналам наводки. Это означает, что во вторичную цепь трансформатора не должны проникать наводки, появляющиеся в цепи первичной обмотки. Проникновение наводок во вторичную обмотку объясняется наличием нежелательных резистивных и емкостных цепей связи между обмотками.
Для уменьшения связи обмоток по сигналам наводок часто применяется внутренний экран, выполняемый в виде заземленной прокладки или фольги, укладываемой между первичной и вторичной обмотками. С помощью этого экрана наводка, действующая в первичной обмотке, замыкается на землю.
Разделительные трансформаторы используются с целью решения ряда задач, в том числе для:
— разделения по цепям питания источников и рецепторов наводки, если они подключаются к одним и тем же шинам переменного тока;
— устранения асимметричных наводок;
— ослабления симметричных наводок в цепи вторичной обмотки, обусловленных наличием асимметричных наводок в цепи первичной обмотки.