Теоретическое введение

Электрический фильтр (э. ф.) - электрическое устройство, в котором из спектра поданных на его вход электрических колебаний выделяются (пропускаются на выход) составляющие, расположенные в заданной области частот, и не пропускаются все остальные составляющие. Э. ф. используются в системах многоканальной связи, радиоустройствах, устройствах автоматики, телемеханики, радиоизмерительной техники и т. д. — везде, где передаются электрические сигналы при наличии других (мешающих) сигналов и шумов, отличающихся от первых по частотному составу; они применяются также в выпрямителях тока для сглаживания пульсаций выпрямленного тока. Область частот, в которой лежат составляющие, пропускаемые (задерживаемые) Э. ф., называют полосой пропускания (полосой задерживания). Фильтрующие свойства Э. ф. количественно определяются относительной величиной вносимого им затухания в составляющие спектра электрических колебаний: чем больше различие затуханий в полосе задерживания и полосе пропускания, тем сильнее выражены его фильтрующие свойства.

По виду кривой зависимости затухания от частоты (по взаимному расположению полос пропускания и задерживания) различают Э. ф.: нижних частот (ФНЧ), пропускающие колебания с частотами не выше некоторой граничной ν_в и задерживающие колебания с частотами выше ν_в; верхних частот (ФВЧ), в которых, наоборот, пропускаются колебания с частотами выше некоторой ν_н и подавляются колебания ниже этой границы; полосно-пропускающие (ППФ), или полосовые, выделяющие колебания только в конечном интервале частот от ν_в до ν_н; полосно-задерживающие (ПЗФ), иначе режекторные фильтры, обратные ППФ по своим частотным характеристикам.

Конструкция электрических фильтров, технология их изготовления, а также принцип действия определяются прежде всего рабочим диапазоном частот и требуемым видом частотной характеристики. В диапазоне от единиц кгц до десятков Мгц (в отдельных случаях — до единиц Ггц) получили распространение LC-фильтры, содержащие дискретные элементы — катушки индуктивности и электрические конденсаторы. В диапазоне от долей гц до сотен кгц наиболее часто используют пассивные или активные RC-фильтры, выполненные на основе резисторов и конденсаторов (активный, кроме того, содержит усилитель электрических колебаний). Действие LC- и RC-фильтров основано на использовании зависимости реактивного сопротивления (ёмкостного и индуктивного) от частоты переменного тока. Для фильтрации сигналов, частота которых составляет доли гц, служат электротепловые фильтры (ЭТФ), конструктивно представляющие собой стержень с источником тепла и термоэлектрическим преобразователем. Введение в ЭТФ усилителей с обратной связью позволяет реализовать электротепловые ФВЧ и ППФ.

Известны также электромеханические фильтры, выполненные на основе дисковых, цилиндрических, пластинчатых, гантельных и камертонных резонаторов. В данных э. ф. используется явление механического резонанса. Такие э. ф. применяются в диапазоне от нескольких кгц до 1 Мгц. Высокими фильтрующими свойствами обладают пьезоэлектрические ППФ и ПЗФ, материалом для изготовления которых служит пьезокварц или пьезоэлектрическая керамика. Таковы, например, пьезокварцевые фильтры на дискретных элементах — кварцевых резонаторах в сочетании с катушками индуктивности и конденсаторами; монолитные многорезонаторные пьезокварцевые фильтры.

_{В медицинской электронике, при регистрации биопотенциа­лов различных органов, всегда необходимо выделить полезный сигнал и ослабить влияние помехи. Так, в методе электрокар­диографии должны регистрироваться без искажений колеба­ния в диапазоне частот 0—70 Гц. В электроэнцефалографии диапазон регистрируемых частот составляет 0,5—100 Гц. В электро­миографии при накожных электродах диапазон частот от единиц до 1000 Гц, а при игольчатых — до 10 000 Гц.}

_{При ана­лизе зарегистрированных колебаний нередко требуется разде­лить сигналы по частотным полосам электрофизиологических ритмов или разложить сигнал сложной формы на гармоничес­кие сигналы кратных частот — гармоники. Подобные требова­ния реализуются в фонокардиографах, анализаторах электро­энцефалографии и т. п. В электрогастрографии частотная полоса составляет 0,02—0,15 Гц. Разложение сигналов и выделение час­тотных полос производят с помощью электрических фильтров.}

_{Вместе с тем многие электромедицинские аппараты являют­ся источниками радиопомех. В первую очередь это относится к высокочастотной физиотерапевтической аппаратуре. Аппараты УВЧ-терапии, индуктотермии, дарсонвализации, ультразвуковой терапии могут создавать помехи не только электродиагности­ческим приборам, но и радио- и телевизионным приемникам. ГОСТ устанавливает жесткие требования к полосам частот, на которых должны работать указанные аппараты. Например, час­тота аппарата УВЧ равна 40,68 МГц с шириной полосы ± 0,05%.}

_{Основными способами подавления радиопомех в месте их возникновения являются экранирование и фильтрация.}

_{Электрические фильтры пропускают сигналы определенных частот с малым затуханием, а сигналы других частот — с боль­шим затуханием, т. е. фильтруют сигналы в зависимости от их частоты. Электрический фильтр — это линейная электрическая цепь, в которой происходит разделение переменных сигналов токов и напряжений в зависимости от их спектра. По назначе­нию различают:}

• _{фильтры низких частот, пропускающие сигналы всех частот ниже некоторой граничной;}

• _{фильтры высоких частот, пропускающие сигналы всех частот выше некоторой граничной;}

• _{полосовые пропускающие фильтры, предназначенные для выделения определенной полосы частот спектра и подавления мешающих сигналов вне этой полосы;}

• _{полосовые заграждающие фильтры, предназначенные для задержки заданной полосы частот и пропускания сигналов других частот.}

_{Электрические фильтры, как правило, состоят из активных R, индуктивных L, емкостных С элементов.}

Кварцевые фильтры

В реальных условиях добротности катушек составляют десятки, иногда сотни, но для получения требуемых характеристик в ряде случаев необходимы добротности значительно большие, прежде всего в полосовых фильтрах с узкой полосой пропускания. Добротность--это показатель потерь активной энергии на омическом сопротивлении катушки. Чем выше добротность, тем меньше величина потерь в катушке и выше ее качество. Для таких целей используют кварцевые фильтры. Кварцевые фильтры работают по следующему принципу: в пластинке, вырезанной из природного материала -- кварца, обнаруживаются прямой и обратный пьезоэлектрический эффекты, состоящие в том, что при сжатии и растяжении пластинки, на одной ее поверхности появляется положительный заряд, а на другой -- отрицательный. Если же покрыть две грани пластинки металлом и приложить к ним переменное напряжение, то пластинка станет сжиматься и растягиваться, т. е. получаются механические колебания. Это называется обратным пьезоэлектрическим эффектом. Как всякая колебательная система, кварцевая пластинка имеет собственную частоту колебаний, которая зависит от её геометрических размеров. Собственная частота кварцевой пластинки при толщине 1 мм составляет единицы мегагерц.

Магнитострикционные фильтры

Колебательные системы могут быть как электрическими, так и механическими. Например, камертон, натянутая струна и тому подобные устройства являются типично колебательными системами. По принципу использования колебательных свойств подобных деталей разработаны и используются в технике связи электромеханические фильтры, добротности которых весьма высокие -- порядка единиц тысяч. Принцип действия этих фильтров состоит в следующем. Оказалось, что некоторые материалы, например никель, феррит и другие, обладают свойствами изменять свою длину при изменении магнитного поля, в котором они находятся. Подобный эффект называют магнитострикционным. Он используется в электромеханических магнитострикционных фильтрах, состоящих из жестко закреплённого никелевого или ферритового стержня длинной в несколько сантиметров. На стержне находится катушка с индуктивностью порядка десятка микрогенри и постоянный магнит. При протекании по катушке переменного тока магнитное поле изменяется, что приводит к изменению длинны стержней и их резонансным частотам. Подобные фильтры называют также магнитострикционными резонаторами. В таких фильтрах добротности во много раз превышает добротности, которые можно получить в LC-фильтрах.

Активные фильтры

Фильтры класса ARC (активные RC фильтры) называются активными. На практике наибольшее распространение получили фильтры, у которых в качестве активных элементов используются операционные усилители.

Цифровые фильтры

Цифровые фильтры (эквалайзеры) получили широкое распространение благодаря интенсивному развитию ЭВМ. Возможности таких эквалайзеров практически неограниченны (зависит от сложности программы). При обработке цифровым эквалайзером есть возможность установить добротность до 10000, коэффициент усиления на определенной частоте может достигать 50 дБ, а ослабления -- до отрицательной бесконечности (полного подавления частоты), чего никогда не удастся получить на аналоговых фильтрах! Цифровые эквалайзеры не дают фазовых сдвигов частот, хотя если надо это имитировать, то подобное не проблема. Цифровые эквалайзеры никогда не добавят шум в сигнал, т. к. обрабатывается оцифрованный сигнал и качество этой обработки зависит от сложности алгоритма, частоты дискретизации и битности.

Выполнение работы и составление отчета по лабораторной № 7

ТИТУЛЬНЫЙ ЛИСТ.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ЗДРАВООХРАНЕНИЮ

И СОЦИАЛЬНОМУ РАЗВИТИЮ