Частотные фильтры характеризуются показателями:

      Частота среза – это частота, на которой происходит спад амплитуды выходного сигнала фильтра до значения 0,7 от входного сигнала.        Крутизна частотной характеристики фильтра – это характеристика фильтра, показывающая, насколько резко происходит уменьшение амплитуды выходного сигнала фильтра при изменении частоты входного сигнала. В идеале нужно стремиться к максимальному (вертикальному) спаду АЧХ.

      Частотные фильтры изготавливаются из элементов, обладающих реактивными сопротивлениями – конденсаторов и катушек индуктивности. Реактивные сопротивления, используемых в фильтрах конденсаторов (Х_C) и катушек индуктивности (X_L) связаны с частотой ниже приведёнными формулами:

            

      Расчёт фильтров до проведения экспериментов с использованием специального оборудования (генераторов, спектр-анализаторов и других приборов), в домашних условиях проще сделать в программе Microsoft Excel, сделав простейшую автоматическую расчётную табличку (надо уметь работать с формулами в Excel). Я пользуюсь таким способом, для расчёта любых цепей. Сначала делаю табличку, подставляю данные, получаю расчёт, который переношу на бумагу в виде графика АЧХ, меняю параметры, и снова рисую точки АЧХ. В таком способе, не надо разворачивать «лабораторию измерительных приборов», расчёт и рисование АЧХ производится быстро.

      Следует добавить, что расчёт фильтра тогда будет верен, когда будет выполняться правило:        Для обеспечения точности фильтра, необходимо чтобы значение сопротивления элементов фильтра было приблизительно на два порядка меньше (в 100 раз) сопротивления нагрузки подключаемой к выходу фильтра. С уменьшением этой разницы, качество фильтра ухудшается. Связано это с тем, что сопротивление нагрузки влияет на качество частотного фильтра. Если Вам не нужна высокая точность, то эту разницу можно снизить до 10 раз.

      Частотные фильтры бывают:     1. Одноэлементные (конденсатор – как фильтр высоких частот, или дроссель – как фильтр низких частот);     2. Г-образные – по внешнему виду напоминают букву Г, обращённую в другую сторону;     3. Т-образные – по внешнему виду напоминают букву Т;     4. П-образные – по внешнему виду напоминают букву П;     5. Многозвенные – те же Г-образные фильтры соединённые последовательно.

7. Режекторный, или выражаясь профессиональным языком - полосно-заграждающий фильтр - представляет собой электронный или любой другой фильтр, не пропускающий колебания какой-либо частоты, или полосы частот, и пропускающий колебания с частотами, выходящими за пределы этой полосы. То есть, режекторный фильтр является противоположностью полосового фильтра. Но если применение полосового фильтра понятно - необходимо выделить или усилить какую-то полосу частот, то по отношению к режекторному фильтру может возникнуть вопрос - а зачем, собственно, надо "вырезать" что-то из частотного диапазона? Простейшим и самым известным примером может служить известный всем меломанам и музыкантам низкочастотный шум в усилителе звуковой частоты, вызванный переменной составляющей тока с частотой 50 Герц. Другим применением режекторных фильтров может служить их использование в создании платных эфирных и кабельных телеканалов, а также подавление помех, мешающих приему сигнала. Типовая схема включения операционного усилителя в качестве режекторного фильтра приведена на рисунке: Расчетная формула имеет следующий вид: Важно, что при построении этого фильтра большое значение имеет точность номинала компонентов. Так, например, при использовании резисторов и конденсаторов с допуском 1% можно добиться ослабления сигнала до 40 децибел. В заключение приведем параметры номиналов резисторов и конденсаторов для "убивания" переменной составляющей 50 Герц: Сопротивление R1=R2=10Kom, R3=R4=68Kom, емкость С1=С2=47нФ.

8. Наряду с фильтрами высоких и низких частот в радиоэлектронике часто применяются так называемые полосовые фильтры. Полосовой фильтр применяется в тех случаях, когда необходимо из всего спектра частот выделить некий диапазон. Например, для передачи речи будет достаточен диапазон частот от 400 до 3400 Герц, а для слухового приема телеграфного сигнала хватит диапазона от 600 до 2000 Герц. Простейшим примером полосового фильтра является цепь из последовательно соединенных фильтров низкой и высокой частоты.  Такие фильтры обладают большой устойчивостью в работе, но достаточно сложны в изготовлении. Вариантом простого полосового фильтра является использование операционного усилителя. Простейшая схема полосового фильтра приведена на рисунке: Однако расчет подобного фильтра достаточно сложен, поэтому, гораздо проще воспользоваться какой-либо специализированной программой, например, Filter Wiz Pro. Ну, и в заключение хочется сказать, что полосовые фильтры на операционных усилителях (или активные фильтры) позволяют совместить функции частотной фильтрации с усилением, сочетая это с высокой добротностью.

9.

10.11. Преобразователь функциональный

 устройство, выходной сигнал которого у связан с одним либо несколько входными сигналами x_i (где i = 1, 2,...) заданным алгоритмом функционирования. В зависимости от числа входных величин различают П. ф. одной, двух и более переменных. Функциональная зависимость выходных сигналов П. ф. от входных (единственного выходного при одном входном или каждого выходного при наличии нескольких входных сигналов) может быть задана в виде таблиц, графиков, аналитических выражений. Динамическая характеристика П. ф. y (x₁, x₂,..., x_n, t) описывается дифференциальным уравнением, в правой части которого участвуют входной сигнал и его производные по времени (в общем случае), а в левой части — выходной сигнал и его производные по времени (в общем случае). Для инженерных расчётов динамическую характеристику П. ф. обычно удобнее всего характеризовать передаточными функциями по соответствующим каналам (входным сигналам).

По виду алгоритма функционирования в пределах предполагаемой рабочей области применения П. ф. делятся на линейные (в которых функциональная зависимость описывается с достаточным приближением прямой) и нелинейные (у которых функциональная зависимость криволинейная), в том числе кусочно-линейные. В зависимости от физической природы входных и выходных сигналов различают механические, электрические, пневматические, гидравлические и смешанные, в том числе электромеханические, электрогидравлические, пневмоэлектрические П. ф. По характеру представления исходных величин различают аналоговые, цифровые и гибридные П. ф. В гибридных П. ф. одновременно используется цифровое и аналоговое представление величин. При этом обычно входной сигнал делят на две части: одна представляется в аналоговой форме, а другая — в цифровой. Поэтому в состав таких П. ф. вводят цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи.

    Самыми распространёнными и важными являются П. ф. одной входной величины, которые подразделяются в зависимости от алгоритма функционирования на динамические и формирующие. В динамических П. ф. осуществляется изменение входного сигнала во времени, например интегрирование, дифференцирование, временная задержка и т.п. В формирующем П. ф. входной сигнал изменяется по масштабу (например, в пропорциональных П. ф.) или форме воздействия, например при преобразовании непрерывного сигнала в дискретный (в импульсных, модуляционных, кодирующих П. ф.) либо наоборот — дискретного сигнала в непрерывный (в дискретно-аналоговых П. ф.).

      В П. ф. осуществляются как простые, так и сложные преобразования. При простых преобразованиях выходная величина физически неотделима от входной, как, например, при преобразовании температуры в термоэдс или температуры в активное сопротивление. В сложных преобразованиях имеется не менее двух простых. Например, при преобразовании активного сопротивления в силу притяжения электромагнита имеется два простых преобразования: «активное сопротивление — магнитный поток» и «магнитный поток — сила притяжения сердечника».

       Важнейшая характеристика П. ф. — погрешности при преобразовании, которые могут быть случайными и систематическими. Случайные погрешности обычно имеют нормальный закон распределения, и при нескольких последовательных преобразованиях общая погрешность равна Δ_общ , где Δ_i — погрешности отдельных преобразований. Систематические погрешности преобразований складываются алгебраически (с учётом знаков). Не менее важная характеристика — чувствительность П. ф., т. е. отношение весьма малого изменения выходного сигнала к вызвавшему его также малому изменению входного сигнала. Для изменения чувствительности П. ф. вводится Обратная связь (соответственно этому различают П. ф. с разомкнутой и замкнутой цепью воздействия).

П. ф. в аналоговой вычислительной технике, блок нелинейной функции, устройство (узел АВМ), на выходе которого образуется величина, связанная с входным сигналом заданной нелинейной зависимостью. По виду этой зависимости различают П. ф. для воспроизведения разрывных функций, разрывных неоднозначных функций, непрерывных функций одного или нескольких аргументов. По возможности перестройки с одной нелинейной зависимости на другую П. ф. подразделяют на универсальные и специализированные. (Устройства с линейной функциональной зависимостью составляют отдельный класс линейных решающих элементов, см. Решающий усилитель.)

         В П. ф. одной переменной заданная нелинейная зависимость воспроизводится, как правило, путём аппроксимации её на отдельных участках изменения входного сигнала некоторыми полиномами одной и той же степени (полиномом Ньютона или полиномом Лагранжа). В зависимости от степени интерполирующего полинома различают кусочно-постоянную, кусочно-линейную, кусочно-квадратичную аппроксимацию.

         При построении П. ф. многих переменных используются три метода: создание физической модели двухмерной поверхности (коноиды); замена сложной многомерной поверхности некоторым числом элементарных поверхностей той же размерности; точное или приближённое представление заданных для воспроизведения функций многих переменных с помощью функций одной переменной и арифметических операций (суммирования, умножения). Первые два метода требуют построения специализированных устройств, третий — предусматривает синтез из типовых (для аналоговых вычислительных машин) линейных и нелинейных решающих элементов. П. ф. двух переменных, воспроизводящие операции умножения и деления, выделяют в отдельный класс устройств (см. Перемножающее устройство).

         Погрешности большинства П. ф. лежат в пределах от сотых долей до единиц процентов.

         Лит.: Коган Б. Я., Электронные моделирующие устройства, М., 1963; Корн Г., Корн Т., Электронные аналоговые и аналого-цифровые вычислительные машины, пер. с англ., ч, 1, М., 1967; Гинзбург С. А., Любарский Ю. Я., Функциональные преобразователи с аналого-цифровым представлением информации, М., 1973

12. Операционный усилитель - это электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления, имеющий дифференциальный вход и обычно один выход. Напряжение на выходе может превышать разность напряжений на входах в сотни или даже тысячи раз.

Операционный усилитель является разновидностью дифференциального усилителя. Другими разновидностями дифференциального усилителя являются:

1. Полностью дифференциальный усилитель (это устройство похоже по принципу действия на операционный усилитель, но имеет два выхода);

2. Инструментальный усилитель (он обычно состоит из трёх операционных усилителей);

3. Изолированный усилитель (это усилитель похож на инструментальный, но он выдерживает такие высокие напряжения, которые могут вывести из строя обычный операционный усилитель);

4. Усилитель с отрицательной обратной связью (обычно содержит один или два операционных усилителя и резистивную цепь обратной связи).

Выводы для подачи напряжения питания (V_S+ и V_S-) могут обозначаться по-разному. Невзирая на различное обозначение, их функция остаётся одной и той же - обеспечение дополнительной энергии для усиления сигнала. Часто на схемах эти выводы не изображают, чтобы не загромождать чертёж, и их наличие либо указывается отдельно, либо должно быть ясно из схемы.

13. Инструментальные усилители (ИУ) – это прецизионные усилительные блоки, которые имеют дифференциальный вход, а их выход может быть дифференциальным или несимметричным по отношению к опорному напряжению. Эти усилители обеспечивают усиление разности между напряжениями двух входных сигналов, ослабляя любые сигналы, которые являются общими для обоих входов.  ИУ широко применяются во многих задачах сбора данных, промышленных, измерительных и медицинских приложениях, где требуется поддержание высокой точности статических характеристик и малой погрешности коэффициента усиления на фоне шумов и в присутствии сильных синфазных сигналов (обычно, на частоте напряжения питания сети переменного тока).