Проектирование (синтез) линейных цифровых фильтров. Никонов И.В

Наука изощряет ум;

Ученье вострит память.

Козьма Прутков

глава 15

ЭЛЕМЕНТЫ СИНТЕЗА ЛИНЕЙНЫХ СТАЦИОНАРНЫХ ЦЕПЕЙ

15.1. Изучаемые вопросы

С интез аналоговых двухполюсников . Синтез стационарных четырехполюсников по заданной АЧХ. Фильтры Баттерворта и Чебышева .

Указания. При изучении вопросов необходимо четко уяснить неоднозначность решения задачи синтеза двухполюсников и конкретные пути решения задачи по Фостеру и Кауэру, а также приобрести умение определить возможность реализации той или иной функции входного сопротивления двухполюсника. При синтезе электрических фильтров на основе фильтров-прототипов важно понимать преимущества и недостатки аппроксимации характеристик затухания по Чебышеву и Баттерворту. Необходимо уметь быстро с помощью формул частотных преобразований рассчитывать параметры элементов любых типов фильтров (ФНЧ, ФВЧ, ППФ).

15.2. Краткие теоретические сведения

В теории цепей принято говорить о структурном и параметрическом синтезе. Главной задачей структурного синтеза является выбор структуры (топологии) цепи, удовлетворяющей наперед заданным свойствам. При параметрическом синтезе определяются лишь параметры и тип элементов цепи, структура которой известна. Далее речь пойдет только о параметрическом синтезе.

В качестве исходного при синтезе двухполюсников обычно используют входное сопротивление

Если задана функция , то она может быть реализована пассивной цепью при выполнении следующих условий: 1) все коэффициенты многочленов числителя и знаменателя вещественны и положительны; 2) все нули и полюсы находятся либо в левой полуплоскости, либо на мнимой оси, причем полюсы и нули на мнимой оси простые; данные точки всегда либо вещественны, либо образуют комплексно-сопряженные пары; 3) высшие и низшие степени многочленов числителя и знаменателя отличаются не более чем на единицу. Следует отметить также, что процедура синтеза не является однозначной, т. е. одну и ту же входную функцию можно реализовать несколькими способами.

В качестве исходных структур синтезируемых двухполюсников обычно используют цепи Фостера, представляющие собой последовательное либо параллельное соединение относительно входных зажимов соответственно нескольких комплексных сопротивлений и проводимостей, а также лестничных цепей Кауэра .

Метод синтеза двухполюсников основан на том, что заданная входная функция или подвергается ряду последовательных упрощений. При этом на каждом этапе выделяется выражение, которому ставят в соответствие физический элемент синтезируемой цепи. Если все компоненты выбранной структуры идентифицированы с физическими элементами, то задача синтеза решена.

Синтез четырехполюсников базируется на теории фильтров-прототипов нижних частот . Возможные варианты прототипа ФНЧ показаны на рис. 15.1.

При расчете может быть использована любая из схем, так как их характеристики идентичны. Обозначения на рис. 15.1 имеют следующий смысл: – индуктивность последовательной катушки или емкость параллельного конденсатора; – сопротивление генератора , если , или проводимость генератора , если ; – сопротивление нагрузки , если или проводимость нагрузки , если .

Величины элементов прототипов нормируют так, чтобы и частота среза . Переход от нормированных фильтров-прототипов к другому уровню сопротивлений и частот осуществляется с помощью следующих преобразований элементов цепи:

;

.

Величины со штрихами относятся к нормированному прототипу, а без штриха – к преобразованной цепи. Исходной величиной при синтезе является рабочее затухание мощности, выраженное в децибелах:

, дБ,

– максимальная мощность генератора с внутренним сопротивлением и эдс , – выходная мощность в нагрузке.

Обычно частотную зависимость аппроксимируют максимально плоской (баттервортовской) характеристикой (рис. 15.2, а )

где .

Величину рабочего затухания , соответствующую частоте среза , обычно выбирают равной 3 дБ. При этом . Параметр n равен числу активных элементов цепи и определяет порядок фильтра.

Подобные документы

Предназначение полосовых резонансных частотных фильтров. Элементы последовательного и параллельного колебательного контура. Анализ частотных свойств различных цепей с помощью амплитудно-частотных характеристик. Пример расчета полосового LC-фильтра.

курсовая работа, добавлен 21.11.2013


Расчет и обоснование частоты заданного генератора. Построение графиков исследуемых характеристик. Определение аналитических выражений для коэффициента передачи. Вычисление ослабления сигнала при изменении частоты в два раза в заданной полосе задержания.

лабораторная работа, добавлен 20.12.2015


Характеристика этапов разработки рекурсивных фильтров. Специфика режекторного фильтра произвольной частоты, деформация частотной шкалы. Типы рекурсивных частотных фильтров, особенности метода размещения нулей и полюсов. Описание селекторных фильтров.

статья, добавлен 15.11.2018


Определение предназначения линейных четырехполюсников, обладающих избирательными свойствами. Расчет полосового LC-фильтра. Определение амплитудного спектра радиоимпульсов. Формирование требований к полосовому фильтру. Расчет полюсов ARC-фильтра.

курсовая работа, добавлен 01.10.2017


Синтез адаптивного фильтра-наблюдателя главных гармоник выходных сигналов (напряжений и токов) преобразователя частоты (ПЧ) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), в котором отсутствует дифференцирование сигналов. Улучшение фильтрующих свойств фильтра.

статья, добавлен 29.09.2018


Определение среднего номинального выпрямленного тока, сопротивления нагрузки, коэффициента сглаживания фильтра. Расчет токов короткого замыкания. Разработка электрической принципиальной схемы преобразователя. Расчет и выбор элементов фильтра и диодов.

курсовая работа, добавлен 24.01.2013


Характеристика основных видов аналоговых фильтров. Изучение задач синтеза частотно-избирательных цепей. Выбор минимального порядка фильтра. Моделирование с использованием программного комплекса Micro-Cap. Анализ основ выбора операционного усилителя.

курсовая работа, добавлен 21.01.2015


Построение графика временной зависимости выходного напряжения как реакции на входной скачок напряжения. Проведение компенсации ослабления высоких частот с помощью фильтра верхних частот. Выбор схемы и расчет элементов резистивных цепей усилителя.

курсовая работа, добавлен 26.01.2015


Расчёт выпрямителя, элементов фильтра и трансформатора. Выбор типа магнитопровода и проверка его на соответствие величин холостого хода. Определение значений сечений проводов обмотки, сопротивление каждой обмотки в нагретом состоянии, потерь напряжения.

контрольная работа, добавлен 26.03.2014


Теоретические основы процесса фильтрования. Современная классификация фильтров периодического действия. Принцип работы барабанного вакуума. Расчет требуемой поверхности зоны фильтрования, подбор по каталогам стандартного фильтра и определение их числа.

n1.docx

высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»

АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СХЕМЫ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ
Методические указания
к курсовому проектированию и СРС

Издательство ОмГТУ

2010
Составитель И. В. Никонов

В методических указаниях представлен синтез и анализ электрической цепи с важными аналоговыми функциональными узлами радиотехники: электрическим фильтром и усилителем. Проводится анализ спектра входного сложного периодического сигнала, а также анализ сигнала на выходе электрической цепи (для линейного режима работы).

Предназначены для студентов специальностей 210401, 210402, 090104 и направления 21030062 дневной и заочной форм обучения, изучающих дисциплины «Основы теории цепей», «Электротехника и электроника».
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Омского государственного технического университета

© ГОУ ВПО «Омский государственный

Технический университет», 2010

1. Анализ технического задания. Основные этапы проектирования 5

2. Основные принципы и методы проектирования электрических
фильтров 6

2.1. Основные принципы проектирования фильтров 6

2.2. Методика синтеза фильтров по характеристическим параметрам 11

2.3. Методика синтеза фильтров по рабочим параметрам 18

2.4. Пример синтеза эквивалентной схемы электрического фильтра 25

3. Основные принципы и этапы расчета электрической схемы усилителя
напряжения 26

3.1.Основные принципы расчета электрических схем усилителей 26

3.2. Пример расчета схемы электрической принципиальной усилителя
на биполярном транзисторе 28

4. Основные принципы и этапы анализа спектра сложного
периодического сигнала 30

4.1. Принципы спектрального анализа 30

4.2. Расчетные формулы спектрального анализа 31

4.3. Пример анализа спектра входного сигнала 32

5. Анализ сигнала на выходе электрической цепи. Рекомендации
по разработке схемы электрической принципиальной 33

5.1. Анализ прохождения сигнала через электрическую цепь 33

6. Основные требования к содержанию, выполнению, защите
курсовой работы 35

6.1. Порядок и сроки выдачи задания на курсовое проектирование 35

6.3. Оформление графической части курсовой работы (проекта) 36

6.4. Защита курсовых проектов (работ) 38

Библиографический список 39

Приложения 40

Приложение А. Список сокращений и условных обозначений 40

Приложение Б. Варианты исходных данных для синтеза фильтра 41

Приложение В. Варианты исходных данных для расчета усилителя 42

Приложение Г. Варианты исходных данных для анализа спектра
сигнала 43

Приложение Д. Параметры транзисторов для схемы включения
ОЭ(ОИ) 45

Приложение Е. Бланк задания 46

ВВЕДЕНИЕ
Основными задачами электротехнических и радиотехнических дисциплин являются анализ и синтез электрических цепей и сигналов. В первом случае анализируются токи, напряжения, коэффициенты передачи, спектры при известных моделях, схемах, устройствах, сигналах. При синтезе решается обратная задача – разработка аналитических и графических моделей (схем) электрических цепей и сигналов. Если проводимые расчеты, разработка завершаются изготовлением конструкторской и технологической документации, изготовлением макетов или опытных образцов, то применяется термин проектирование .

Первыми дисциплинами радиотехнических специальностей высших учебных заведений, в которых рассматриваются различные задачи анализа и синтеза, являются дисциплины «Основы теории электрических цепей» и «Электротехника и электроника». Основные разделы этих дисциплин:

– анализ в установившемся режиме линейных резистивных электрических цепей, линейных реактивных электрических цепей, в том числе резонансных и с негальваническими связями;

– анализ комплексных частотных характеристик электрических цепей;

– анализ линейных электрических цепей при сложных периодических воздействиях;

– анализ линейных электрических цепей при импульсных воздействиях;

– теория линейных четырехполюсников;

– анализ нелинейных электрических цепей;

– линейные электрические фильтры, синтез электрических фильтров.

Перечисленные разделы изучаются во время аудиторных занятий , однако важной частью учебного процесса является также курсовое проектирование. Тема курсовой работы (проекта) может соответствовать одному из изучаемых разделов, может быть комплексной, то есть включать в себя несколько разделов дисциплины, может быть предложена студентом.

В данных методических указаниях рассмотрены рекомендации по выполнению комплексной курсовой работы (проекта), в которой необходимо решить взаимосвязанные задачи синтеза и анализа для аналоговой электрической цепи.

1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ.
ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
В качестве комплексной курсовой работы (проекта) в данных методических указаниях предложена разработка электрических эквивалентных и принципиальных схем электрической цепи, содержащей электрический фильтр и усилитель, а также анализ спектра входного сигнала генератора импульсов и анализ «прохождения» входного сигнала к выходу устройства. Эти задачи являются важными, практически полезными, так как разрабатываются и анализируются широко применяемые в радиотехнике функциональные узлы.

Схема электрическая структурная всего устройства, для которого необходимо провести расчеты, приведена на рисунке 1. Варианты заданий для отдельных разделов расчетов приведены в приложениях Б, В, Г. Номера вариантов заданий соответствуют номерам студентов в списке группы, либо номер варианта формируется более сложным образом. При необходимости студенты могут самостоятельно задать дополнительные требования к проектированию, например, массогабаритные требования, требования к фазочастотным характеристикам и другие.

Генератор

импульсов

Аналоговый электрический фильтр

Аналоговый усилитель напряжения

Рис. 1
На рисунке 1 обозначены комплексные действующие значения входных и выходных электрических напряжений гармонической формы.

При курсовом проектировании необходимо решить следующие задачи:

А) синтезировать (разработать) любым методом схему электрическую эквивалентную, а затем – схему электрическую принципиальную на любых радиоэлементах. Провести расчеты ослабления и коэффициента передачи по напряжению, проиллюстрировать расчеты графиками;

Б) разработать схему электрическую принципиальную усилителя напряжения на любых радиоэлементах. Провести расчеты усилителя по постоянному току, проанализировать параметры усилителя в режиме малых переменных сигналов;

Г) проанализировать прохождение электрического напряжения от генератора импульсов через электрический фильтр и усилитель, проиллюстрировать анализ графиками амплитудного и фазового спектра выходного сигнала.

В этой последовательности рекомендуется проводить необходимые расчеты, а затем оформить их в виде разделов пояснительной записки. Расчеты необходимо выполнять с точностью не менее 5 %. Это следует учитывать при различных округлениях, приближенном анализе спектра сигнала, при выборе стандартных радиоэлементов, близких по номиналу к расчетным значениям.

2.1. Основные принципы проектирования фильтров

2.1.1. Основные требования к проектированию

Электрические фильтры – это линейные или квазилинейные электрические цепи, имеющие частотно-зависимые комплексные коэффициенты передачи полной мощности . При этом частотно-зависимым является также хотя бы один из двух коэффициентов передачи: по напряжению или по току . Вместо безразмерных коэффициентов передачи при анализе и синтезе фильтров широко применяется ослабление (), измеряемое в децибелах:

, (1)

где , , – модули коэффициентов передачи (в формуле (1) применяется десятичный логарифм).

Частотный диапазон, в котором ослабление () приближается к нулю, а коэффициент передачи полной мощности () приближается к единице, называется полосой пропускания (ПП). И наоборот, в частотном диапазоне, где коэффициент передачи мощности близок к нулю, а ослабление составляет несколько десятков децибел, находится полоса задерживания (ПЗ). Полосу задерживания в специальной литературе по электрическим фильтрам также называют полосой ослабления или полосой затухания. Между ПП и ПЗ находится переходная полоса частот. По расположению полосы пропускания в частотном диапазоне электрические фильтры относят к следующим типам:

ФНЧ – фильтр нижних частот, полоса пропускания находится на нижних частотах;

ФВЧ – фильтр верхних частот, полоса пропускания находится на верхних частотах;

ПФ – полосовой фильтр, полоса пропускания находится в относительно узком частотном диапазоне;

РФ – режекторный фильтр, полоса задерживания находится в сравнительно узком частотном диапазоне.

Реальный электрический фильтр может быть выполнен на различных радиокомпонентах: катушках индуктивности и конденсаторах, избирательных усилительных устройствах, избирательных пьезоэлектрических и электромеханических устройствах, волноводах и многих других. Существуют справочники по расчету фильтров на вполне определенных радиокомпонентах. Однако более универсальным является следующий принцип: вначале разрабатывается эквивалентная схема на идеальных LC-элементах, а затем идеальные элементы пересчитываются в любые реальные радиокомпоненты. При таком пересчете и разрабатывается схема электрическая принципиальная, перечень элементов, выбираются стандартные или проектируются самостоятельно необходимые радиокомпоненты. Наиболее простым вариантом подобного расчета является разработка принципиальной схемы реактивного фильтра с конденсаторами и катушками индуктивности, так как принципиальная схема в этом случае подобна эквивалентной.

Но и при таком общем универсальном расчете существует несколько различающихся между собой методов синтеза эквивалентной схемы LC-фильтра:

– синтез в согласованном режиме из одинаковых Г-, Т-, П-образных звеньев . Этот метод также называют синтезом по характеристическим параметрам или синтезом фильтров типа “k”. Достоинства : простые расчетные формулы; рассчитанное ослабление (неравномерность ослабления) в полосе пропускания () принимается равным нулю. Недостаток : в этом методе синтеза используются различные приближения, на самом же деле согласование во всей полосе пропускания получить невозможно. Поэтому у фильтров, рассчитанных этим методом, ослабление в полосе пропускания может быть более трех децибел;

– полиномиальный синтез . В этом случае требуемый коэффициент передачи мощности аппроксимируется полиномом, то есть синтезируется вся схема, а не отдельные звенья. Этот метод также называют синтезом по рабочим параметрам или синтезом по справочникам нормированных ФНЧ. При использовании справочников, рассчитывается порядок фильтра, выбирается эквивалентная схема ФНЧ, удовлетворяющая требованиям задания. Достоинства : в расчетах учитываются возможные несогласования и отклонения параметров радиоэлементов, ФНЧ легко преобразуются в фильтры других типов. Недостаток : необходимо пользоваться справочниками или специальными программами;

– синтез по импульсным или переходным характеристикам. Основан на взаимосвязи временных и частотных характеристик электрических цепей через различные интегральные преобразования (Фурье, Лапласа, Карсона и т. д.). Например, импульсная характеристика () выражается через передаточную характеристику () с помощью прямого преобразования Фурье:

Этот метод нашел применение при синтезе различных трансверсальных фильтров (фильтров с задержками), например цифровых, акустоэлектронных, для которых разработать электрические схемы проще по импульсным, чем по частотным характеристикам. В курсовой работе при разработке схем фильтров рекомендуется применять метод синтеза по характеристическим или рабочим параметрам.

Итак, в работе, касающейся синтеза электрического фильтра, необходимо одним из методов разработать схему электрическую эквивалентную на идеальных реактивных элементах, а затем схему электрическую принципиальную на любых реальных радиоэлементах.

В задании к курсовому проектированию в части, касающейся синтеза электрического фильтра (приложение Б), могут быть приведены следующие данные:

– тип синтезируемого фильтра (ФНЧ, ФВЧ, ПФ, РФ);

– – активные сопротивления внешних цепей, с которыми полностью или частично должен быть согласован фильтр в полосе пропускания;

– – граничная частота полосы пропускания фильтра;

– – граничная частота полосы задерживания фильтра;

– – средняя частота фильтра (для ПФ и РФ);

– – ослабление фильтра в полосе пропускания (не более);

– – ослабление фильтра в полосе задерживания (не менее);

– – полоса пропускания ПФ или РФ;

– – полоса задерживания ПФ или РФ;

– – коэффициент прямоугольности ФНЧ, ФВЧ;

– – коэффициент прямоугольности ПФ, РФ.

При необходимости студенты могут самостоятельно выбрать дополнительные данные или требования к проектированию.

2.1.2. Нормирование и частотные преобразования

При синтезе эквивалентных и принципиальных схем фильтров целесообразно применять нормирование и частотные преобразования. Это позволяет уменьшить количество разнотипных расчетов и проводить синтез, взяв за основу фильтр нижних частот. Нормирование заключается в следующем. Вместо проектирования на заданные рабочие частоты и сопротивления нагрузки, проектируются фильтры на нормированное сопротивление нагрузки и нормированные частоты . Нормирование частот осуществляется, как правило, относительно частоты . . При таком нормировании частота , а частота . При нормировании вначале разрабатывается эквивалентная схема с нормированными элементами , а затем эти элементы пересчитываются к заданным требованиям с помощью денормирующих множителей:

Возможность применения нормирования при синтезе электрических цепей следует из того, что вид требуемых передаточных характеристик электрической цепи при этой операции не изменяется, они лишь переносятся на другие (нормированные) частоты.

Например, для схемы делителя напряжения, показанной на рисунке 2, коэффициент передачи по напряжению аналогичен как при заданных радиоэлементах и рабочей частоте, так и при нормированных величинах – при применении нормирующих множителей.

Рис. 2

Без нормирования:

, (5)

с нормированием:

. (6)
В выражении (6), в общем случае, нормирующие множители могут быть произвольными действительными числами.

Дополнительное применение частотных преобразований позволяет существенно упростить синтез ФВЧ, ПФ, РФ. Так, рекомендуемая последовательность синтеза ФВЧ, при применении частотных преобразований, следующая:

– графические требования к ФВЧ нормируются (вводится ось нормированных частот );

– производится частотное преобразование требований к ослаблению за счет преобразования частот:

– проектируется ФНЧ с нормированными элементами;

– ФНЧ преобразуется в ФВЧ с нормированными элементами;

– элементы денормируются в соответствии с формулами (3), (4).

– графические требования к ПФ заменяются на требования к ФНЧ из условия равенства их полос пропускания и задерживания;

– синтезируется схема фильтра нижних частот;

– применяется обратное частотное преобразование для получения схемы полосового фильтра включением в ветви ФНЧ дополнительных реактивных элементов для образования резонансных контуров.

– графические требования к РФ заменяются на требования к ФВЧ из условия равенства их полос пропускания и задерживания;

– синтезируется схема фильтра верхних частот, непосредственно или с использованием прототипа – фильтра нижних частот;

– схема ФВЧ преобразуется в схему режекторного фильтра, включением в ветви ФВЧ дополнительных реактивных элементов.

2.2. Методика синтеза фильтров

2.2.1. Основные положения синтеза по характеристическим параметрам

Обоснование основных расчетных соотношений этого метода синтеза следующее.

Рассматривается линейный четырехполюсник, для его описания используется система -параметров:

где – напряжение и ток на входе четырехполюсника, – напряжение и ток на выходе четырехполюсника.

Определяются коэффициенты передачи для произвольного (согласованного или несогласованного) режима:

где – сопротивление нагрузки (в общем случае комплексное).

Для произвольного режима вводится постоянная передачи (), ослабление (), фаза ():

. (11)

Ослабление в неперах определяется выражением
, (12)

а в децибелах – выражением

В несогласованном режиме входные, выходные и передаточные характеристики четырехполюсника называются рабочими параметрами, а в согласованном режиме – характеристическими. Значения согласующих входного и выходного сопротивлений на заданной рабочей частоте определяются из уравнений четырехполюсника (8):

В согласованном режиме, с учетом выражений (14), (15), характеристическая постоянная передачи определяется:

С учетом соотношений для гиперболических функций

, (17)

(18)

определяется взаимосвязь между характеристическими параметрами согласованного режима и элементами электрической схемы (-параметрами). Выражения имеют вид

Выражения (19), (20) характеризуют согласованный режим произвольного линейного четырехполюсника. На рисунке 3 показана схема произвольного
Г-образного звена, -параметры которой, в соответствии с выражениями (8), определяются:

Рис. 3

При согласованном включении Г-образного звена выражения (19), (20) преобразуются к виду:

, (21)

. (22)

Если в продольной и поперечной ветвях Г-образной схемы находятся разнотипные реактивные элементы, то схема является электрическим фильтром.

Анализ формул (21), (22) для этого случая позволяет получить методику синтеза фильтров по характеристическим параметрам. Основные положения этой методики:

– фильтр проектируется из одинаковых, включенных каскадно, согласованных в полосе пропускания друг с другом и с внешними нагрузками звеньев (например, звеньев Г-типа);

– ослабление в полосе пропускания () принимается равным нулю, так как во всей полосе пропускания фильтр считается согласованным;

– требуемые величины внешних активных сопротивлений () для согласованного режима определяются через сопротивления «ветвей» Г-образного звена по приближенной формуле

– граничная частота полосы пропускания () определяется из условия

– ослабление звена () на граничной частоте полосы задерживания () определяется (в децибелах) по формуле

; (25)

– количество одинаковых Г-звеньев, включаемых каскадно, определяется выражением:

2.2.2. Последовательность синтеза ФНЧ (ФВЧ)
по характеристическим параметрам

Расчетные формулы получены из основных положений методики синтеза по характеристическим параметрам, приведенных в п. 2.2.1 данных методических указаний. В частности, формулы (27), (28) для определения значений элементов звена получены из выражений (23), (24). При синтезе по характеристическим параметрам последовательность расчетов для ФНЧ и ФВЧ следующая:

А) рассчитываются номиналы идеальных индуктивности и емкости Г-звена фильтра по заданным значениям сопротивлений нагрузки, генератора и значению граничной частоты полосы пропускания:

где – значения сопротивлений нагрузки и генератора, – значение граничной частоты полосы пропускания. График требований к ослаблению и схема Г-образного звена ФНЧ приведены на рисунках 4 а, б . На рисунках 5 а, б приведены требования к ослаблению и схема Г-образного звена ФВЧ.

Рис. 4

Рис. 5

б) рассчитывается ослабление звена () в децибелах на граничной частоте полосы задерживания () по заданному значению коэффициента прямоугольности (). Для ФНЧ:

Для фильтра верхних частот:

. (30)

В расчетах по формулам (29), (30) применяется натуральный логарифм;

В) рассчитывается количество звеньев () по заданному значению гарантированного ослабления на границе полосы задерживания, в соответствии с формулой (26):

Значение округляется до ближайшего большего целого значения;

Г) рассчитывается ослабление фильтра в децибелах для нескольких значений частот в полосе задерживания (расчетное ослабление в полосе пропускания, без учета тепловых потерь, в этом методе считается равным нулю). Для фильтра нижних частот:

. (31)

Для фильтра верхних частот:

; (32)
д) анализируются тепловые потери (). Для приближенного расчета тепловых потерь по низкочастотному прототипу вначале определяются на частоте резистивные сопротивления реальных катушек индуктивности () при самостоятельно выбранных значениях добротности (). Катушки индуктивности, в дальнейшем, в схеме электрической принципиальной, будут введены вместо идеальных индуктивностей (конденсаторы считаются более высокодобротными и их резистивные потери не учитываются). Расчетные формулы:

. (34)

Ослабление фильтра в децибелах, с учетом тепловых потерь, определяется:

а модуль коэффициента передачи по напряжению () определяется из соотношения, связывающего его с ослаблением фильтра:

Е) по результатам расчетов по формулам (35), (36) строятся графики ослабления и модуля коэффициента передачи по напряжению для ФНЧ или ФВЧ;

Ж) по справочникам радиоэлементов выбираются ближайшие по номиналу к идеальным элементам стандартные конденсаторы и катушки индуктивности для последующей разработки схемы электрической принципиальной и перечня элементов всей электрической цепи. В случае отсутствия стандартных катушек индуктивностей нужного номинала необходимо их разработать самостоятельно. На рисунке 6 показаны основные размеры простой цилиндрической катушки с однослойной намоткой, необходимые для ее расчета.
Рис. 6

Число витков такой катушки с ферромагнитным сердечником (феррит, карбонильное железо) определяется из выражения

где – число витков, – абсолютная магнитная проницаемость, – относительная магнитная проницаемость материала сердечника,
– длина катушки, , где – радиус основания катушки.
2.2.3. Последовательность синтеза ПФ (РФ)
по характеристическим параметрам

На рисунках 7 а, б и 8 а, б приведены графики требований к ослаблению и простейшие Г-образные звенья, соответственно, для полосового и режекторного фильтров.
Рис. 7

Рис. 8

Синтез ПФ и РФ рекомендуется проводить, используя расчеты фильтров-прототипов с такой же полосой пропускания и задерживания. Для ПФ прототипом является фильтр нижних частот, а для РФ – фильтр верхних частот. Методика синтеза следующая:

А) на первом этапе синтеза применяется частотное преобразование, при котором графические требования к ослаблению ПФ пересчитываются в требования к ослаблению ФНЧ, а графические требования к ослаблению РФ пересчитываются в требования к ослаблению ФВЧ:

Б) по рассмотренной ранее методике синтеза ФНЧ и ФВЧ (пункты а–е
п. 2.2.2) разрабатывается схема электрическая, эквивалентная ФНЧ, для синтеза ПФ, или ФВЧ – для синтеза РФ. Для ФНЧ или ФВЧ строятся графики ослабления и коэффициента передачи по напряжению;

В) схема ФНЧ преобразуется в схему полосового фильтра преобразованием продольных ветвей в последовательные колебательные контуры и поперечных ветвей в параллельные колебательные контуры за счет подключения добавочных реактивных элементов. Схема ФВЧ преобразуется в схему режекторного фильтра преобразованием продольных ветвей в параллельные колебательные контуры и поперечных ветвей в последовательные колебательные контуры за счет подключения добавочных реактивных элементов. Добавочные реактивные элементы для каждой ветви ФНЧ (ФВЧ) определяют по значению заданной средней частоты полосового или режекторного фильтра () и рассчитанным значениям реактивных элементов ветвей ФНЧ (ФВЧ), используя известное выражение для резонансных контуров:

Г) для схем ПФ или РФ разрабатываются или выбираются по справочникам радиоэлементов конденсаторы и катушки индуктивности по той же методике, которая рассматривалась ранее в п. 2.2.2 (пункт ж) данных методических указаний;

Д) графики ослабления и коэффициента передачи по напряжению ФНЧ (ФВЧ) пересчитываются в графики ПФ (РФ) в соответствии с соотношениями между частотами этих фильтров. Например, для преобразования графиков ФНЧ к ПФ:

, (41)

где – частоты, соответственно, выше и ниже средней частоты полосового фильтра. По этим же формулам пересчитываются графики фильтра верхних частот в графики режекторного фильтра.

2.3. Методика синтеза фильтров по рабочим параметрам

2.3.1. Основные принципы синтеза по рабочим параметрам
(полиномиального синтеза)

В данном методе синтеза так же, как и при синтезе по характеристическим параметрам, задаются требования к типу проектируемого фильтра, активному сопротивлению нагрузки, ослаблению или коэффициенту передачи мощности в полосе пропускания и задерживания. Однако учитывается, что входное и выходное сопротивления фильтра изменяются в полосе пропускания. В этой связи, фильтр синтезируется в несогласованном режиме, то есть по рабочим параметрам, что в исходных данных отражается требованием . Метод основан на обязательном расчете для любых типов фильтров низкочастотного фильтра – прототипа (фильтра нижних частот). В расчетах используется нормирование () и частотные преобразования.

Эквивалентная схема фильтра разрабатывается не из отдельных одинаковых звеньев, а сразу полностью, обычно в виде схемы цепочной структуры. На рисунке 9 показан вид П-образной цепочной схемы фильтра нижних частот, а на рисунке 10 – вид Т-образной схемы такого же фильтра с ненормированными элементами.

Рис. 9

Рис. 10

Основные этапы расчетов, на которых основан данный синтез, следующие:

А) аппроксимация – замена графических требований к коэффициенту передачи мощности аналитическим выражением, например отношением полиномов по степеням , что соответствует формулам частотных характеристик реальных реактивных фильтров;

Б) переход к операторной форме записи частотных характеристик (замена переменной на переменную в аналитическом выражении, аппроксимирующем коэффициент передачи мощности);

В) переход к выражению для входного сопротивления фильтра, используя взаимосвязь коэффициента передачи мощности, коэффициента отражения и входного сопротивления фильтра:

В выражении (44) применяется лишь один коэффициент отражения , который соответствует устойчивой электрической цепи (полюса этого коэффициента не имеют положительной действительной части);

Г) разложение аналитического выражения для входного сопротивления, полученного из (44), на сумму дробей или в цепную дробь для получения эквивалентной схемы и значений элементов.

Полиномиальный синтез в практических разработках обычно проводится с использованием справочников по фильтрам, в которых выполнены расчеты для данного метода синтеза. В справочниках приведены аппроксимирующие функции, эквивалентные схемы и нормированные элементы фильтров нижних частот. В большинстве случаев в качестве аппроксимирующих функций применяются полиномы Баттерворта и Чебышева.

Ослабление фильтра нижних частот с аппроксимирующей функцией Баттерворта описывается выражением:

где – порядок фильтра (положительное целое число, численно равное количеству реактивных элементов в эквивалентной схеме фильтра).

Порядок фильтра определяется выражением

В таблицах 1, 2 приведены значения нормированных реактивных элементов при аппроксимации Баттерворта, рассчитанные для разных порядков фильтра нижних частот (для схем, аналогичных схемам на рисунках 9, 10).

Таблица 1

Значения нормированных элементов ФНЧ Баттерворта П-образной схемы

Министерство образования и науки РФ

Бийский технологический институт (филиал)

государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Алтайский государственный технический университет

им. И.И. Ползунова»
Р.Г. Гареева
синтез линейных частотных фильтров

Бийск

Издательство Алтайского государственного технического

университета им. И.И. Ползунова

УДК 621.372.54(076.5)

Рецензент: Александрович В.М., к.ф.-м.н.,

Доцент каф. ИУС БТИ АлтГТУ

Гареева, Р.Г.

С
Г 20
интез линейных частотных фильтров: методические рекомендации по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Преобразование измерительных сигналов» / Р.Г. Гареева; Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2011. – 21 с.

Методические рекомендации содержат краткое изложение теоретических сведений об электрических фильтрах, их типах и основных характеристиках. Подробно рассмотрена задача синтеза непрерывных фильтров типа Баттерворта низких частот, а на их основе – полосовых фильтров и фильтров верхних частот.

УДК 621.372.54(076.5)

Рассмотрены и одобрены

На заседании кафедры МСИА.

Протокол № 10 от 30.12.2010 г.

© Гареева Р.Г., 2011

БТИ АлтГТУ, 2011

1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Электрические фильтры

Фильтрация или фильтрование является широко распространенным и применяемым технологическим процессом.

Электрическими фильтрами называют устройства, включаемые в электрическую цепь и предназначенные для пропускания токов или напряжений определенных частот и ослабления токов или напряжений других частот. Электрические фильтры создаются из катушек индуктивности, конденсаторов и резисторов.

Теорию фильтров принято делить на две обширные области, тесно связанные между собой, – анализ и синтез. Задачей анализа является нахождение внешних и внутренних харак­теристик электрической системы, структура которой задана зара­нее, например, в виде принципиальной схемы. Задача синте­за диаметрально противоположна – внешняя характе­ристика, такая как частотный коэффициент передачи напря­жения, входное или выходное сопротивление и т.д., счита­ется известной. Требуется найти структуру цепи, реализую­щую эту характеристику.

В отличие от анализа синтез цепи, как правило, явля­ется неоднозначной процедурой. Поэтому среди множества структур с одинаковыми свойствами необходимо отыскать ту, которая в определенном смысле оптимальна. Так, всегда желательно, чтобы синтезируемая цепь содержала минимально возможное число элементов. Во многих случаях нужно, чтобы цепь была малочувствительна к выбору номи­налов входящих в нее элементов.

Рассмотрим простейшую задачу син­теза частотных фильтров, представляющих собой линейные четырехполюсники, образованные элементами L , С и R . Исходные данные для синтеза во всех случаях будут задаваться амплитудно-частотными характеристиками.

1.2 Типы электрических фильтров

Различают следующие типы фильтров:

1) Фильтры низких частот (ФНЧ) . Основное назначение таких устройств – с минимальным ослаблением передавать на выход сигналы, частоты которых не превосходят заданную граничную частоту, называемую частотой среза фильтра . Сигналы с более высокими частотами должны существенно ослабляться.

Для ФНЧ с частотой среза идеальная амплитудная частотная характеристика (АЧХ) описывается формулой

И представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Фильтр низких частот

2) Фильтры верхних частот (ФВЧ) . Основное назначение ФВЧ – максимальное ослабление сигналов, частоты которых не превосходят заданную граничную частоту среза , и минимальное ослабление сигналов с частотами выше (рисунок 2).

Рисунок 2 – Фильтр верхних частот

3) Полосовые фильтры (ПФ) . Полосовые фильтры должны пропускать сигналы с частотами, находящимися в некоторой полосе вблизи частоты , называемой центральной частотой полосы пропускания , или нескольких частот
... (в этом случае фильтр называется многополосным ) (рисунок 3).

Рисунок 3 – Полосовой фильтр

4) Режекторные (заграждающие) фильтры (РФ) . Основное назначение таких фильтров состоит в подавлении сигналов, частоты которых имеют значение или расположены в узкой полосе относительно частоты (рисунок 4).

Рисунок 4 – Режекторный фильтр

1.3 С войства физически реализуемых фильтров

Рассмотрим более общую, чем частотная, характеристику системы – передаточную функцию
. В большинстве практических случаев её получают путем замены переменной
в частотной характеристике
на переменную
, где  – абсцисса сходимости.

Вводят передаточную функцию по аналогии с частотной характеристикой
по соотношению:

,

Где
– изображения по Лапласу функций
:

,
.

Для линейных систем с постоянными параметрами передаточная функция имеет вид:

, (1)

Где
– постоянная величина;

– корни полинома числителя (нули передаточной функции);

– корни полинома знаменателя (полюсы передаточной функции).

Для устойчивости электрического фильтра необходимо, чтобы полюсы его передаточной функции обладали отрицательной действительной частью, то есть чтобы они располагались в левой полуплоскости комплексной плоскости, образуя комплексно-сопряженные пары (рисунок 5).

Рисунок 5 – Расположение полюсов устойчивой системы

Обычно вводят ещё дополнительное условие – число нулей передаточной функции G (p ) не должно превышать число полюсов (степень полинома числителя функции должна быть меньше степени полинома знаменателя m n).

В отличие от полюсов нули функции G (p ) устойчивой линейной системы могут располагаться как в левой, так и в правой полуплоскости переменной p . Системы, не имеющие нулей передаточной функции в правой полуплоскости, называются минимально-фазовыми .

Расположение нулей функции G (p ) связано с топологической структурой цепи. В теории цепей доказывается, что минимально-фазо-вым будет любой четырехполюсник, для которого передача сигнала с входа на выход может быть полностью прекращена путем разрыва единственной ветви. Для электрических фильтров необходимо, чтобы система была минимально-фазовой.

Для физической реализуемости электрического фильтра необходимо выполнение критерия Пэли–Винера: частотная характеристика должна быть такой, чтобы существовал интеграл

(2)

Рассмотренные ранее частотные характеристики идеальных фильтров (рисунки 1–4) заведомо нереализуемы, поскольку обращение в нуль функции H () делает невозможным существование интеграла (2).

Идеальные характеристики необходимо аппроксимировать такими аналитическими зависимостями H (), которые бы стремились к нулю, но его не достигали.

1.4 Мощностные характеристики фильтров

При расчете степени пропускания или непропускания фильтром сигнала определенной частоты удобно пользоваться мощностными или энергетическими характеристиками.

Коэффициентом передачи мощности принято называть квадрат модуля частотной характеристики:

В отличие от комплексной частотной характеристики функция
вещественна, что гораздо удобнее для задания исходных данных при синтезе фильтра. Согласно формуле (3) коэффициент передачи мощности является четной функцией частоты.

Если в функции вместо переменной  подставить переменную p , то получают передаточную функцию мощности :

. (4)

Формула (4) устанавливает следующий факт: если точка
является особой точкой (нулем или полюсом) функции G (p ), то функция K p (p ) будет иметь такую же особую точку как при
так и при

Иными словами, особые точки передаточной функции мощности имеют квадрантную симметрию , то есть располагаются на комп-лексной плоскости, имея центр симметрии в начале координат (рисунок 6). Это свойство дает возможность восстанавливать передаточную функцию G (p ) по известной функции K p (p ).

Рисунок 6 – Полюсы, находящиеся в квадрантной симметрии

1.5 Этапы синтеза электрических фильтров

Синтез частотных фильтров обычно начинают с выбора некоторой идеализированной функции, которая описывает частотную зависимость коэффициента передачи мощности K p ().

Поскольку идеализированная частотная характеристика, как правило, физически нереализуема, то второй этап синтеза состоит в её аппроксимации такой функцией, которая может принадлежать физически реализуемой системе.

По виду передаточной функции проводят реализацию цепи, то есть получают принципиальную схему фильтра, включая номиналы входящих элементов.

1.6 Синтез непрерывных фильтров низких частот

Исторически реализация фильтров началась с непрерывных фильтров, для которых уже были созданы типовые устройства, составлены справочники и т.д. Непрерывные фильтры служат прототипами для дискретных фильтров.

Начнем с рассмотрения физически реализуемых характеристик фильтров низких частот, поскольку, используя ФНЧ, можно получить фильтры и других типов.

Для ФНЧ с частотой среза идеальная частотная зависимость коэффициента передачи мощности описывается формулой

(имеются в виду физические частоты >0) и представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 – Коэффициент передачи мощности для ФНЧ

Такая характеристика нереализуема для физических систем, поскольку противоречит критерию Пэли–Винера (2).

Задача подбора допустимой аппроксимирующей функции неоднозначна. Аппроксимировать крутой срез можно многочисленными функциями, однако каждый раз придется сталкиваться с противоречиями: либо ослаблять сигнал в полосе пропускания
, либо слабо подавлять его вне полосы пропускания
, либо то и другое вместе.

1.6.1 Фильтры Баттерворта

Один из способов аппроксимации идеальной характеристики ФНЧ состоит в использовании коэффициента передачи мощности следующего вида:

, (5)

Где
– безразмерная нормированная частота ;

n – целое число, называемое порядком фильтра .

В общем случае коэффициент передачи мощности (5) может содержать произвольный масштабный множитель.

Фильтр низких частот, имеющий такие частотные свойства, называют фильтром с максимально-плоской характеристикой или фильтром Баттерворта (по имени ученого, предложившего аппроксимирующую функцию (5)). При любом n такой тип фильтра реализуем.

В полосе пропускания фильтра Баттерворта, то есть при , коэффициент передачи мощности плавно уменьшается с ростом частоты. Особо следует отметить гладкость (отсутствие пульсаций) рассматриваемой функции.

На частоте среза, независимо от порядка системы,
. Чем выше порядок n , тем точнее описывается идеальная низкочастотная характеристика (рисунок 8).

Порядок фильтра обычно подбирают, исходя из требований, предъявляемых к ослаблению сигналов с частотами
. Для оценки степени ослабления сигнала используют величину

Выражаемую в децибелах.

Рисунок 8 – Коэффициент передач мощности фильтров Баттерворта при n = 1 и n = 5

При
, т.е. на частоте входного сигнала, ослабление, вносимое фильтром, составляет
.

Если частота сигнала значительно превышает частоту среза фильтра (
), то из формулы (5) следует, что
, а ослабление составляет

1.6.2 Передаточная функция фильтра Баттерворта

Для того чтобы в дальнейшем синтезировать структуру цепи, необходимо от коэффициента передачи мощности, выбранного в форме (5), перейти к передаточной функции G (p ). Для этого введем нормированную комплексную частоту
и запишем передаточную функцию мощности в виде:

, (7)

Откуда ясно, что на плоскости функция
не имеет нулей и имеет 2n полюсов, которые являются корнями уравнения

, (8)

Используя полярную форму записи, запишем корень в виде:

Все корни уравнения (8) лежат на окружности единичного радиуса с центром в начале координат, поэтому
. Следовательно,

Окончательно получим

Рассмотрим отдельно четные и нечетные порядки фильтров.

1) n – четное число.

В этом случае

Откуда
.

Например, для
получим четыре корня, соответствующие углам:

.

Для
получим восемь корней, соответствующих углам:

Расположение корней на комплексной плоскости для приведенных примеров показано на рисунке 9.

Рисунок 9 – Полюсы коэффициента передачи мощности

Фильтра Баттерворта при n = 2 и n = 4

2) n – нечетное число.

В этом случае

Откуда
.

Например, для
получим два корня, соответствующие углам:

Для
получим шесть корней, соответствующих углам:

Расположение корней для приведенных примеров показано на рисунке 10.

Рисунок 10 – Полюсы коэффициента передачи мощности

фильтра Баттерворта при n = 1 и n = 3

Общая закономерность при любом n такова: все полюсы расположены на одинаковом расстоянии друг от друга, равном . Для фильтров с нечетными номерами существуют два корня, расположенные на действительной оси; для фильтров с четными номерами действительные корни отсутствуют.

Чтобы перейти к передаточной функции фильтра Баттерворта, разложим знаменатель функции
на сомножители:

Теперь воспользуемся тем, что полюсы передаточной функции мощности имеют квадрантную симметрию, то есть их число и конфигурация расположения в обеих полуплоскостях одинаковы. Это позволяет считать, что только полюсы, расположенные в левой полуплоскости, отвечают синтезируемому фильтру. Их «зеркальные копии» в правой полуплоскости относятся к функции
и во внимание не принимаются.Таким образом, передаточная функция фильтра Баттерворта примет вид (нумерация корней в левой полуплоскости ведется с 1 до n ):

Фильтр Баттерворта 1-го порядка.

Имеем:
;

Выбираем устойчивый корень: .

Передаточная функция запишется в виде:

.

Учитывая, что
, окончательно получим:

. (11)

Таким образом, в процессе аппроксимации идеальной характеристики низкочастотного фильтра с заданной частотой среза с использованием аппроксимации Баттерворта 1-го порядка получен полюс
.

Фильтр Баттерворта 2-го порядка.

Имеем:
.

Согласно (9)

Выберем устойчивые корни и пронумеруем их:

Для звеньев 2-го порядка корни всегда будут комплексно-сопря-женными.

Передаточная функция звена примет вид:

.

Осуществим переход

(12)

Общее выражение для передаточной функции звеньев 2-го порядка имеет вид:

, (13)

Где – собственная частота колебаний системы;

z – коэффициент затухания системы (при
звено называют колебательным , при
– апериодическим ).

Из сравнения функций (12) и (13) следует, что фильтр Баттерворта 2-го порядка представляет собой колебательное звено с коэффициентом затухания
и собственной частотой колебаний, равной частоте среза фильтра
.

Фильтр Баттерворта 3-го порядка.

Имеем:
и

Выберем устойчивые корни и пронумеруем их.

Первый корень соответствует звену 1-го порядка с передаточной функцией
.

.

Таким образом, фильтры Баттерворта нечетных порядков представляют собой последовательное соединение звена 1-го порядка и нескольких звеньев 2-го порядка с различными коэффициентами затухания. Фильтры четного порядка строятся путем последовательного соединения звеньев 2-го порядка с различными коэффициентами затухания.

1.7 Синтез фильтра верхних частот

Фильтр верхних частот предназначен для того, чтобы с малым ослаблением пропускать колебания, частоты которых превышают частоту среза . Если известна реализация ФНЧ, схема ФВЧ с такой же частотой среза может быть получена достаточно просто. Для этого используется прием, известный в теории цепей как преобразование частоты .

Перейдем от переменной р , использованной для описания ФНЧ, к новой частотной переменной , такой, что Гц, на частоте, равной Гц, обеспечивал бы ослабление сигнала не хуже, чем дБ.

2. На основе п. 1 осуществить синтез полосового фильтра Баттерворта, центральная частота полосы пропускания которого в 2 раза выше частоты среза ФНЧ.

Вариант 2.

1. Осуществить синтез фильтра Баттерворта низких частот, который бы при частоте среза, равной Гц, на частоте, равной Гц, обеспечивал бы ослабление сигнала не хуже, чем дБ.

2. На основе п. 1 осуществить синтез фильтра Баттерворта верхних частот, частота среза которого равна частоте среза ФНЧ.

2.2 Цель и задачи лабораторной работы

Целью лабораторной работы является синтез фильтров Баттерворта различного типа (ФНЧ, ФВЧ, ПФ), обеспечивающих заданное ослабление сигнала.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач :

1. 
   расчет по соотношениям (5), (6) наименьшего порядка фильтра Баттерворта низких частот, обеспечивающего заданное ослабление сигнала;
2. 
   определение по выражениям (9) или (10) углов, соответствующих полюсам передаточной функции мощности;
3. 
   формирование из устойчивых полюсов звеньев, образующих фильтр (определение их количества и порядка);
4. 
   вывод выражений для передаточных функций отдельных звеньев 1-го или 2-го порядков по аналогии с выражениями (11), (12); для звеньев 2-го порядка расчет коэффициентов затухания согласно выражению (15);
5. 
   расчет АЧХ отдельных звеньев и фильтра в целом, построение их графиков;
6. 
   расчет передаточной функции ФВЧ или ПФ с применением подстановки (16) или (17) в передаточной функции каждого из звеньев, образующих ФНЧ;
7. 
   расчет и построение графика АЧХ ФВЧ или ПФ, сравнение с аналогичной характеристикой ФНЧ.

2.3 Защита лабораторной работы

Защита лабораторной работы осуществляется в течение семестра согласно расписанию занятий. Она проводится в виде индивидуального собеседования при наличии у студента программной части, содержащей решение поставленной задачи, и отчета, который должен включать тему и цель лабораторной работы, теоретическую и практическую части, а также заключение или выводы.
ЛИТЕРАТУРА

1. 
   Садовский, Г.А. Теоретические основы информационно-измерительной техники / Г.А. Садовский. – М.: Высшая школа, 2008. – 480 с.
2. 
   Баскаков, С.И. Радиотехнические цепи и сигналы / С.И. Баскаков. – М.: Высшая школа, 2005. – 462 с.
3. 
   Сергиенко, А.Б. Цифровая обработка сигналов / А.Б. Сергиенко. – М: Питер, 2002. – 604 с.

Гареева Рената Гегелевна

синтез линейных частотных фильтров

по дисциплине «Преобразование измерительных сигналов»

Редактор Соловьева С.В.

Подписано в печать 15.02.2011. Формат 6084 1/16

Усл. п. л.  1,2. Уч.-изд. л.  1,3

Печать  ризография, множительно-копировальный
аппарат «RISO EZ300»

Тираж 65 экз. Заказ 201143

Издательство Алтайского государственного

Технического университета

656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46

Оригинал-макет подготовлен ИИО БТИ АлтГТУ

Отпечатано в ИИО БТИ АлтГТУ

59305, г. Бийск, ул. Трофимова, 27

Теорию цепей принято делить на две обширные области, тесно связанные между собой, - анализ и синтез. Задачей анализа является нахождение внешних и внутренних характеристик электрической цепи, структура которой задана заранее, например в виде принципиальной схемы. Задача синтеза цепи диаметрально противоположна - внешняя характеристика, такая, как частотный коэффициент передачи напряжения, входное или выходное сопротивление и т. д., считается известной. Требуется найти структуру цепи, реализующую эту характеристику.

В отличие от анализа синтез цепи, как правило, является неоднозначной процедурой. Поэтому среди множества структур с одинаковыми свойствами необходимо отыскать ту, которая в некотором определенном смысле оптимальна. Так, всегда желательно, чтобы синтезируемая цепь содержала минимально возможное число элементов. Во многих случаях нужно, чтобы цепь была малочувствительна к выбору номиналов входящих в нее элементов.

Синтез цепей является развитой областью современной теоретической радиотехники. Разработан целый ряд методов синтеза, порой весьма сложных, с которыми читатель может познакомиться самостоятельно . Методы синтеза цепей приобрели исключительно большое значение в связи с внедрением систем автоматизированного проектирования радиотехнических устройств на ЭВМ.

В данной главе будет изучаться простейшая задача синтеза частотных фильтров, представляющих собой линейные стационарные четырехполюсники, образованные элементами L, С и R. Исходные данные для синтеза во всех случаях будут задаваться амплитудно-частотными характеристиками.

13.1. Частотные характеристики четырехполюсников

Четырехполюсниками называют электрические цепи, имеющие вид «черного ящика» с двумя парами доступных зажимов. Одна пара служит входом, другая - выходом сигнала. В рабочем режиме ко входу подключен источник сигнала, а выходные зажимы нагружены на сопротивлений нагрузки

Предполагаетсн, что читатель знаком с методами анализа четырехполюсников, которые излагаются в курсе теории цепей . Материал данного параграфа освещает лквдь отдельные моменты, существенные для синтеза четырехполюсников.

Матричное описание.

Важнейшее свойство линейного стационарного четырехполюсника состоит в том, что четыре комплексные амплитуды при любой частоте внешнего воздействия связаны двумя линейными алгебраическими уравнениями. Две произвольно выбранные комплексные амплитуды можно принять за независимые величины, а две другие должны определяться через них. Это служит основанием для матричного описания линейных четырехполюсников. Так, часто используют матрицу передачи (-матрицу), полагая независимыми переменными напряжение и ток на выходе. При этом

Коэффициенты А, В, С и D имеют разные физические размерности и могут быть определены из опытов холостого ходв и короткого замыкания. Матрицы передачи особенно удобны для описания каскадного включения четырехполюсников, поскольку результирующая матрица есть произведение матриц отдельных звеньев.

Если заданы матрица четыфехполюсника и сопротивление нагрузки, то можно вычислить так называемые функции цепи, к которым относят, например:

а) входное сопротивление

б) передаточное сопротивление

в) частотный коэффициент передачи напряжения

Функции цепи зависят в общем случае от частоты. Любая функция цепи выражается через элементы матрицы четырехполюсника и через сопротивление нагрузки. Так, деля левые и правые части уравнения (13.1) друг на друга, находим, что входное сопротивление

Аналогично, частотный коэффициент передачи напряжения

Обратим внимание на то, что функция зависит от направления передачи энергии в системе. Если источник и нагрузка поменялись местами, то вводят частотный коэффициент передачи в обратном направлении (нагрузка слева):

Передаточная функция четырехполюсника.

В дальнейшем в качестве аргумента частотного коэффициента передачи будет использоваться не только переменная но и комплексная частота , т. е. наряду с функцией будет рассматриваться более общая характеристика - передаточная функция . Передаточная функция четырехполюсника обладает всеми свойствами передаточных функций линейных стационарных систем, рассмотренных в гл. 8.

Так, линейному четырехполюснику с постоянными параметрами отвечает функция

где - постоянная величина. Если цепь устойчива, то полюсы должны располагаться в левой полуплоскости, образуя комплексно-сопряженные пары.

Обычно вводят дополнительное условие - число полюсов функции должно превышать число нулей, т. е. в бесконечно удаленной точке должен существовать не полюс, а нуль передаточной функции. Тогда импульсная характеристика цепи

оказывается ограниченной, поскольку при бесконечно большом радиусе контура интегрирования С экспоненциальный сомножитель подынтегральной функции сможет «погасить» интеграл по дуге.

Расположение нулей передаточной функции.

В отличие от полюсов нули функции устойчивого линейного четырехполюсника могут располагаться как в левой, так и в правой полуплоскости переменной . Действительно, если то это лишь означает, что при некотором изображение выходного напряжения обращается в нуль. Это не противоречит свойствам устойчивых систем.

Четырехполюсники, не имеющие нулей передаточной функции в правой полуплоскости, называют минимально-фазовыми цепями. Если же нули в правой полуплоскости имеются, то такие четырехполюсники называют неминимальнофазовыми цепями.

Данная терминология связана со следующими обстоятельствами. Рассмотрим плоскость комплексной частоты, на которой обозначены некоторые точки в левой и правой полуплоскостях. Пусть эти точки являются нулями передаточной функции четьфехполюсника. Если цепь находится под гармоническим внешним воздействием, так что то данным точкам соответствуют два вектора на комплексной плоскости: которые отвечают соответствующим сомножителям в числителе формулы (13.5). Оба вектора поворачиваются и изменяют свою длину при изменении частоты Разница между ними состоит в том, что вектор с изменением частоты от до увеличивает фазовый угол частотного коэффициента передачи на радиан, в то время как вектор при тех же условиях уменьшает фазу на ту же величину. Коэффициент передачи четырехполюсника является дробнорациональной функцией, изменение аргумента которой

Поэтому при одинаковом числе нулей и полюсов неминимально-фазовая цепь обеспечивает большее по абсолютному значению изменение фазы коэффициента передачи по сравнению с минимально-фазовой цепью.

Расположение нулей функции связано с топологической структурой цепи. В теории цепей показывается, что минимально-фазовым будет любой четырехполюсник со следующим свойством: передача сигнала с входа на выход может быть полностью прекращена путем разрыва единственной ветви. В частности, минимально-фазовыми цепями будут любые четырехполюсники лестничной структуры.

Неминимально-фазовые четырехполюсники имеют, как правило, структуру мостовых (скрещенных) цепей, в которых сигнал на выход проходит по двум или более каналам. Простейшая неминимально-фазовая цепь - симметричный мостовой четырехполюсник, образованный элементами . Здесь, как нетрудно убедиться, передаточная функция по напряжению

Данная функция имеет единственный нуль который находится в правой полуплоскости.

Однако мостовая структура не гарантирует автоматически принадлежность цепи к неминимально-фазовому классу. В каждом отдельном случае следует проверять наличие или отсутствие нулей передаточной функции в правой полуплоскости.

Связь меаду АЧХ и ФЧХ минимально-фазового четырехполюсника.

Передаточная функция любого устойчивого четьфехполюсника в правой полуплоскости переменной является аналитической функцией. Если к тому же этот четырехполюсник принадлежит к числу цепей минимальнофазового типа, то его передаточная функция в правой полуплоскости не имеет и нулей. Это значит, что аналитической оказывается функция

В соответствии с материалом гл. 5 граничные значения вещественной и мнимой частей функции на мнимой оси, т. е. при связаны между собой парой преобразований Гильберта:

Таким образом, реализуя заданную АЧХ четырехполюсника минимально-фазового типа, невозможно получить при этом любую ФЧХ.

Основываясь на свойствах преобразований Гильберта, можно утверждать, например, что если АЧХ минимально-фазового четырехполюсника на какой-нибудь частоте достигает максимума, то ФЧХ в окрестности этой частоты проходит через нуль.

Если же четырехполюсник принадлежит к классу цепей неминимальной фазы, то АЧХ и ФЧХ независимы друг от друга. Среди неминимально-фазовых цепей особо важную роль играют так называемые всепропускающие четырехполюсники, у которых модуль коэффициента передачи постоянен и не зависит от частоты. Примером может служить симметричный мостовой -четырехполюсник, для которого в соответствии с равенством (13.6)

Подобные четырехполюсники используются для фазовой коррекции сигналов. Они позволяют частично компенсировать искажения формы сигналов, прошедших через радиотехнические устройства.