0. Защита входа экраном

В тех случаях, когда требуется значительное подавление синфазных сигналов на частотах, отличных от нулевых, паразитные емкости на входах (емкости входных цепей усилителя, проводов, экранов, датчиков и др.) могут приводить к улучшению качества работы. Если на схеме рис.8.5 R_ист1, С₁ и R_ист2, С₂ не равны, то они будут вносить неравное затухание сигналов переменного тока, что может значительно снизить подавления синфазных помех.

Рисунок 8.5

е_сс – источник синфазного сигнала.

Известно, что хорошие результаты в борьбе с помехами дают экраны, однако, если экранизирующие провода имеют значительную длину, то они будут составлять основной вклад в величины емкостей С₁ и С₂.

Если на экран подать напряжение, равное синфазному, так как это показано на рис. 8.6, то синфазное напряжение не будет затухать под влиянием входных цепей, а это приведет в свою очередь к тому, что не будет разных затуханий по цепям, что улучшит эффект подавления синфазных помех.

Присоединение экрана по схеме рис. 8.6 может привести к недопустимой нагрузке входного сигнала. Эта нагрузка может быть устранена при использовании схемы рис. 8.7.

Резисторы R подобраны так, что не нагружают входы усилителей А₁, А₂, напряжение в точке соединения этих резисторов приблизительно равно синфазному напряжению. Повторитель А₄ работает как буфер между схемой и экраном. Если емкость экрана не велика, можно обойтись без буфера и экран подсоединить к средней точке резисторов R.

Рисунок 8.6

Вообще говоря, защита будет эффективнее, если следовать трем принципам.

Рисунок 8.7

1. проводник экрана должен быть подключен к нулю опорного сигнала (земле сигнала) только один раз (при экранировании низкочастотных шумов в ближнем поле, при защите от радиопомех это соединение следует подбирать экспериментально).

2. Экран и земля сигнала должны быть заземлены у источника питания в одной точке.

3. Все проводники, несущие относительно слабый полезный сигнал, должны быть помещены в экран.

4. Заземление, по которому течет ток нагрузки к источнику питания, должно осуществляться отдельным проводом, а не объединяться с проводом земли сигнала. Рис. 8.8 иллюстрирует последний принцип.

Рисунок 8.8

0. Подавление помех активными фильтрами

Прежде чем перейти к опросу проектирования фильтров с целью подавления помех, рассмотрим несколько основных определений и свойств.

1. Полюсом фильтра, с практической точки зрения, определяют слагаемые наклона его частотной характеристики на переходном участке, обусловленные наличием RC цепей, используемых для формирования частотных характеристик.

2. Порядок фильтра – это число его полюсов. Каждый полюс вносит в наклон переходного участка 6 дБ на октаву или 20 дБ на декаду.

Число полюсов фильтра связывают так же со степенью полиномов передаточных функций фильтров

3. Коэффициент затухания определяет форму характеристики фильтра на переходном участке и вид выброса характеристики в полосе пропускания вблизи переходного процесса. Таким образом, коэффициент затухания определяет форму частотной характеристики фильтра, т.е. его тип. На рис. 8.9 представлены частотные характеристики фильтров различных типов с различным коэффициентом затухания.

Рисунок 8.9

1 – α= 1,732 – фильтр Бесселя

2 – α=1,414 – фильтр Баттерворта

3 – фильтр Чебышева с неравномерностью 1 дБ

4 – фильтр Чебышева с неравномерностью 3 дБ

Неравномерность связывают с величиной отклонений (колебаний) вершины логарифмической амплитудно-частотной характеристики в полосе его пропускания (ΔL).

4. Добротность Q связывает среднюю частоту полосы пропускания и ее ширину на уровне 3 дБ. Рис. 8.10 иллюстрирует определение добротности. Численно добротность определяют по формуле

Q = , (8.7)

ƒ₀= - средняя частота, ƒ₁ и ƒ₂ – соответственно нижняя и верхняя частота среза на уровне 3 дБ от К_П в полосе пропускания. Для активных фильтров Q=1/ . Коэффициент усиления в полосе пропускания К_П активного фильтра определяют по формуле К_П=U_вых/U_вх.

Рисунок 8.10

5. Допустимое отклонение от номиналов элементов или требуемого усиления для заданной схемы активного фильтра можно непосредственно сказать с параметрами чувствительности схемы.

Чувствительность определяется как выраженное в процентах изменение характеристики схемы при частотном изменении одной из независимых переменных в схеме. Чувствительность S данного характеристического параметра, например, избирательности Q активного фильтра относительно частичного изменения схемного параметра определяется в следующем виде:

S = (8.8)

Х – может быть любым из параметров пассивных элементов или усилителя.

Например, запись S =-0,5, где ω₀=2πƒ₀, а R₁ – сопротивление активного фильтра показывает, что ω₀ уменьшается на 0,5%, если R₁ увеличивается на 1%.

В таблице 8.1 приведены основные характеристики фильтров второго порядка различного типа.

Тип фильтра	α	Отношение ƒздб/ƒср
Баттерворта	1,414	1,00
Басселя	1,732	0,785
Чебышева неравномерность 0,5 дБ неравномерность 1 дБ неравномерность 2 дБ неравномерность 3 дБ	1,578 1,059 0,886 0,766	1,390 1,218 1,074 1,000

Фильтр Баттерворта характеризуется тем, что его амплитудно-частотная характеристика АЧХ в пределах полосы пропускания близка в равномерной, поэтому фильтр Баттерворта используют тогда, когда желательно иметь постоянный коэффициент усиления для всех частот полосы пропускания. Фильтр Баттерворта дает нелинейную фазочастотную характеристику.

Характеристика фильтра Чебышева имеет волнообразные зубцы в полосе пропускания и равномерна в полосе подавления. Количество зубцов в таких фильтрах, тем больше. чем его порядок. Амплитуда этих зубцов может быть задана в процессе проектирования. Фильтр Чебышева обеспечивает на переходном участке крутые характеристики. Фазочастотная характеристики фильтра Чебышева еще более нелинейна, чем у фильтра Баттерворта. Наклон характеристики у фильтра Чебышева может превышать 6 дБ на октаву на один полюс.

Зависимость ослабления в децибелах на переходном участке для этого фильтра от частоты имеет вид 05=20lg +6(n-1)+20lg(ω/ω_ср), где n - порядок фильтра; ω_ср=2πƒ_ср; - постоянная, принимающая значение от 0 до 1 и характеризующая неравномерность характеристики в полосе пропускания.

Фильтры Бесселя обладают линейной фазовой характеристикой – эти фильтры в отличие от фильтров Баттерворта и Чебышева практически не дают выбросов при подаче на входе ступенчатых сигналов, поэтому их применяют для фильтрации прямоугольных импульсов без изменения их формы. Фильтры Бесселя дают наклон меньший 6 дБ на октаву. Частота среза фильтра Бесселя определяется как частота, на которой запаздывание по фазе равно половине запаздывания, максимально возможной для данного фильтра

(ƒ_ср)= _макс/2=(nπ/2)/2 рад,

где - запаздывание по фазе.