سخن مدیر سایت:

به سایت آموزشی elmicro خوش آمدید.در این سایت سعی شده است تا مطالب مرتبط به زمینه های تخصصی برق ، الکترونیک و میکروکنترلر به طور جامع در اختیار شما قرار گیرد. لذا خواهشمند است با ارایه نظرات و پیشنهادات ارزنده خود ما را در جهت کارآمدی بیشتر و بهبود روز افزون سایت یاری نمایید. هدف نهایی ما نشستن لبخند رضایت بر لبان شماست.

باشد که سهمی هر چند بسیار کوچک در خدمت به شما عزیزان داشته باشیم.

با تشکر احمد فتحی

سایت آموزشی

برق

الکترونیک

میکروکنترلر

چاپ

فیلترهای الکترونیکی

رای دهی:  / 15
ضعیفعالی 

فیلترهای الکترونیکی:

مدارهاي الكترونيكي هستند كه اعمال پردازش سيگنال را انجام مي دهند، بويژه هنگامي كه مي خواهيم سيگنال هاي ناخواسته عناصر را از بين ببريم و / يا آنكه مي‌خواهيم آن‌ها (سيگنال‌هاي ناخواسته. مترجم) را افزايش دهيم.
فيلترهاي الكترونيكي مي توانند به صورت زير باشند:
فعال يا غير فعال
آنالوگ يا ديجيتال
گسستگي زماني يا پيوستگي زماني
خطي ياغير خطي
واكنش نامتناهي ضربه (نوع IIR) يا واكنش متناهي ضربه (نوع FIR)


انواع رايج فيلترها (صرف نظر از جنبه هاي ديگر طراحي‌‌ آنها) فيلترهاي خطي هستند. اين مقاله كه در مورد جزئيات طراحي و آناليز فيلترهاي خطي است را مشاهده كنيد.
1مقدمه
2طبقه بندي به وسيله تكنولوژي
2.1فيلترهاي غير فعال
2.1.1 انواع عنصر يگانه
2.1.2L فيلتر
2.1.3 T فيلتر
2.1.4 π فيلتر
2.1.5 انواع عنصر چندگانه
2.2 فيلترهاي فعال
2.3 فيلترهاي ديجيتال
2.4 ساير فناوري هاي فيلتر
2.4.1 فيلترهاي كوارتز و فيزوالكتريك ها (ويژگى برخى کريستالها که به هنگام اعمال ولتاژ به انها تحت فشار قرار مى گيرند يا به هنگام قرار گرفتن در معرض فشار مکانيکى يک ولتاژ توليد مى کنند. مترجم)
2.4.2 فيلترهاي SAW
2.4.3 فيلترهاي BAW
2.4.4 فيلترهاي Garnet
2.4.5 فيلترهاي اتمي
3 تابع انتقال
4 طبقه بندي به وسيله تابع انتقال
5 طبقه بندي به وسيله توپولوژي (مكان شناسي)
6 طبقه بندي به وسيله طراحي علم اصول
6.1 آناليز (تجزيه و تحليل) مستقيم مدار
6.2 تجزيه و تحليل امپدانس تصوير
6.3 شبكه پيوند
7 بيشتر بدانيد
8 لينك هاي خارجي و منابع


مقدمه:
قديمي ترين فورم فيلتر هاي الكترونيكي فيلترهاي خطي آنالوگ غير فعال هستند، كه فقط استفاده از مقاومت ها و خازن ها يا مقاومت ها و سلف ها را ايجاد مي كند. كه آنها به ترتيب به نام فيلترهاي تك قطبي  RC و RL  معروف هستند. بيشتر فيلتر هاي LC چند قطبي پيچيده سال هاي زيادي وجود داشتند، عملكرد چنين فيلترهايي به خوبي از كتاب هاي زيادي كه در اين مورد نوشته شده قابل درك است.
هم چنين فيلترهاي هيبريد ساخته شده اند،  به طور نمونه شامل تركيب آمپلي فايرها (تقويت كننده ها)ي با تشديد كننده هاي مكانيكي يا تاخير خطي است. قطعات ديگر مثل خطوط تاخير CCD هم‌چنين به عنوان فيلترهاي با گسستگي زماني به كار مي‌روند. با دسترسي پردازش ديجيتالي سيكنال، فيلترهاي ديجيتالي فعال عمومي شدند.


فيلترهاي غير فعال:
اجراي غيرفعال فيلترهاي خطي مبني بر تركيب مقاومت ها R))، سلف ها (L) و خازن ها (C) است. اين فيلترها را به طور كلي فيلترهاي غيرفعال مي دانيم، به اين دليل كه آنها  روي منبع تغذيه بيروني بستگي ندارند.
سلف ها از مسير سيگنال هاي با فركانس هاي بالا جلوگيري مي كنند و سيگنال هاي فركانس پايين را عبور مي دهند، در حالي كه خازن ها عكس سلف عمل مي كنند. فيلتري كه سيگنال در آن از طريق يك سلف عبور مي‌كند، يا آن‌كه در آن يك خازن مسيري به زمين فراهم مي كند، سيگنال هاي فركانس پايين را نسبت به فركانس هاي بالا كمتر تضعيف مي كند كه به آن فيلتر پايين گذر مي گوييم. اگر سيگنالي از طريق يك خازن عبور كند، يا اين‌كه از طريق سلف زمين شود،‌ آن وقت فيلتر سيگنال هاي فركانس بالا را نسبت به  سيگنال هاي فركانس پايين كمتر تضعيف مي كند كه به آن فيلتر بالا گذر مي گوييم. مقاومت ها به خودي خود مشخصات فركانسي قابل انتخاب ندارند، اما به سلف ها و خازن ها به منظور تعيين ثابت زماني مدار و به تبع پاسخ فركانسي، اضافه مي‌شوند.
در فركانس هاي خيلي بالا (در حدود 100MH)، گاهي اوقات سلف ها از سيم‌پيچ‌هاي تك‌حلقه‌اي يا نوارهاي ورق فلزي تشكيل مي‌شوند ، و خازن ها از ورقه‌هاي فلزي نزديك به هم تشكيل مي‌شوند. به اين قطعات فلزي سلفي يا خازني تحليل بردن  مي‌گويند. 
سلف ها و خازن ها عنصرهاي واكنش پذير فيلتر هستند. شماري از عناصر فيلتر قديمي را تعيين مي كند. در اين زمينه، مدار ميزان شده LC‌ در فيلتر ميان گذر يا ميان نگذر به عنوان استفاده تك عنصر حتي اگر از دو جزء تشكيل شده باشد مطرح شده است.


انواع عنصر يگانه:
ساده ترين فيلترهاي غير فعال از يك عنصر يگانه راكتيو تشكيل شده اند. اين فيلترها توسط عناصر RC, RL يا RLC ساخته شده اند.
ضريب كيفيت Q‌ اندازه اي است كه براي توصيف ساده فيلترهاي ميان گذر يا ميان نگذر استفاده مي شود. وقتي گفته مي شود فيلتري ضريب كيفيت بالايي دارد به اين معني است كه دامنه فركانسهاي با پهناي باندكم برابر با فركانس مياني است.

فيلتر L:
از دو عنصر، يكي به طور سري و ديگري به طور موازي تشكيل شده است.


فيلتر T:
پيكربندي سه عنصره در فيلترهاي نوع T مي تواند فيلترهاي پايين گذر، بالا گذر، ميان گذر يا ميان نگذر را بسازد.



فيلتر π:
پيكربندي سه عنصره در فيلترهاي نوع T مي تواند فيلترهاي پايين گذر، بالا گذر، ميان گذر يا ميان نگذر را بسازد.



انواع عنصر چندگانه :
فيلترهاي عنصر چندگانه معمولا به صورت شبكه پله اي ساخته مي شوند. اين فيلترها مي‌تواند به صورت ساختارهاي L ، T و π مشاهده شود. وقتي كه مي‌خواهيم برخي پارامترهاي فيلتر مانند سرعت انتقال از باند ميان‌گذر به ميان‌نگذر را بهبود ببخشيم به عناصر بيشتر نياز است.
فيلترهاي فعال :
فيلترهاي فعال با استفاده از تركيبي از اجزا غير فعال و فعال (تقويت كردن)، اجرا مي شوند و به يك منبع تغذيه بيروني نياز دارند. تقويت كننده ها مكررا در طراحي هاي فيلتر فعال استفاده مي شوند. آنها مي توانند ضريب كيفيت بالايي داشته باشند و مي‌توانند بدون استفاده از سلف هم به رزونانس برسند. هر چند، حد بالايي فركانس هاي آنها به وسيله ي پهناي باند تقويت كننده هايي كه  استفاده مي شوند،‌ محدود است .
فيلترهاي ديجيتال:
به كمك پردازش ديجيتالي سيگنال مي‌توانيم در محدوده‌ي وسيعي فيلترهاي متنوع باصرفه اي بسازيم. سيگنال نمونه مي گيرد و مبدل آنالوگ به ديجيتال، سيگنال را به سيلي (تعداد زيادي. مترجم) از شماره‌ها تغيير مي‌دهد. يك برنامه رايانه مداوم روي يك CPU يا يك DSP مخصوص (يا مدامت كمتر روي سخت افزار انجام الگوريتم) بازده شمارش جريان را محاسبه مي كند. اين جريان مي تواند تبديل شود به يك سيگنال زودگذر ميان مبدل ديجيتال به آنالوگ. مسائلي وجود دارند با نويز را با تغيير نشان مي دهد، اما اين مي تواند كنترل كند براي فيلترهاي خيلي مفيد. به علت نمونه برداري مورد بحث، سيگنال ورودي بايد مقدار فركانس محدود باشد يا نا همواري رخ دهد. فيلتر ديجيتال را مشاهده كنيد.



ساير تكنولوژي هاي فيلتر


فيلترهاي كوارتز و فيزوالكتريك ها:
اواخر دهه‌ي 1930، مهندسان دريافتند سيستم هاي كوچك مكانيكي كه از مواد غير قابل انعطاف ساخته شده‌اند، همچون كوارتز در فركانس‌هاي راديويي به طور صوتي تشديد مي‌شوند. مثلا از فركانس‌هاي قابل شنيدن (صوت) تا حد چندين هزار مگا هرتز. بعضي از نخستين تشديدكننده‌ها از استيل ساخته شده‌بودند، اما كوارتز به سرعت مورد توجه واقع شد. بزرگترين برتري كوارتز،‌ خاصيت فيزوالكتريكي آن است. يعني تشديد كننده هاي كوارتز مي توانند مستقيماً حركت مكانيكي خود را به سيگنال‌هاي الكتريكي تبديل كنند. هم چنين كوارتز ضريب انبساط حرارتي خيلي پاييني دارد به اين مفهوم كه تشديد كننده هاي كوارتزي مي توانند فركانس‌هاي با ثبات در يك رنج حرارتي بالا توليد كنند. ضريب كيفيت فيلترهاي بلور كوارتز خيلي بالاتر از فيلترهاي LCR است. هنگامي كه پايداري‌هاي بالاتر مورد نياز است، كريستال‌ها و مدارهاي راه‌انداز آن‌ها مي‌تواند به منظور كنترل درجه حرارت روي يك كوره كريستال سوار شوند. براي فيلترهاي با باند خيلي كم،  بعضي اوقات چند كريستال به طور سري به كار گرفته مي‌شوند.
مهندسان دريافتند كه تعداد زيادي از كريستال‌ها مي توانستند در يك عنصر واحد به وسيله نصب بخارهايي از فلز به شكل شيارهاي كم‌عمق روي كريستال كوارتز جمع شوند. در اين طرح، "خط تاخيري ضربه" فركانس هاي مطلوب را به عنوان امواج صوتي‌اي كه در طول سطح كريستال كوارتز جريان مي‌يابد، تقويت مي‌كند. خط تاخيري ضربه برنامه كلي ساخت فيلترهاي Q‌بالا به شيوه‌هاي مختلف زياد است.

فيلترهاي SAW:

SAW (موج صوتي سطحي/ظاهري) فيلترهايي هستند كه به طور معمول در دستگاه هاي الكترومكانيكي كه در فركانس راديويي به كاربرد برده مي شود استفاده مي شوند. سيگنال هاي الكتريكي در يك كريستال فيزوالكتريك تبديل به موج مكانيكي مي شوند، اين موج به تاخير افتاده ، قبل از آنكه به وسيله الكترودهاي بيشتر تبديل به سيگنال الكتريكي شود سرتاسر كريستال پخش/منتشر مي شود. انرژي هاي خروجي موج به تاخير افتاده كه تركيب نشده هستند اجرا مستقيم آنالوگ واكنش ضربه متناهي فيلتر را توليد مي كند. اين شيوه پالايش/فيلترينگ هيبريد در يك نمونه آنالوگ فيلتر پيدا شد. فركانس هاي فيلترهاي SAW  تا حد 3GHz محدود هستند. 



فيلترهاي BAW:

فيلترهاي BAW (موج صوتي پر حجم) فيلترهاي الكترومكانيكي هستند. اين فيلترها در وضعيت گشتاور چرخشي هستند. فيلترهاي BAW مي توانند در فيلترهاي شبكه اي يا پله اي به كار روند. فيلترهاي BAW كوچكتر از فيلترهاي SAW به نظر مي آيند، و در فركانس هاي بالاي 16GHz مي توانند عمل كنند.


فيلترهاي Garnet:

روش ديگر فيلترينگ، در فركانس هاي ميكرو ويو (موج خيلى کوچک الکترومغناطيسى) از 800MHz تا حدود 5GHz، از تركيب يك حوزه Garnet
 آهن ايتريم استفاده مي شود كه توسط تركيب شيميايي ايتريم و آهن ساخته مي شود(YIGF يا فيلتر Garnet  آهن ايتريم). Garnet روي يك باريكه اي از فلز رانده شده به وسيله يك ترانزيستور ، و يك آنتن حلقوي كوچك در تماس با بالاي كره عمل مي كند. فركانسي كه gernet عبور مي دهد را يك آهنرباي الكتريكي تغيير مي دهد. مزيت اين روش اين است كه garnet مي تواند گذشته از پهناي فركانسي زياد به وسيله شدت حوزه مغناطيسي مختلف تنظيم شود.


فيلترهاي اتمي:

براي فركانس هاي بالاتر و دقت بيشتر، از ارتعاش هاي اتمي بيشتر استفاده مي شود. ساعت هاي اتمي در ميزرهاي (تقويت امواج ميكروويو -مترجم) سزيم براي بالا بردن ضريب كيفيت استفاده مي شود تا ورودي اسيلاتورهايشان را به حالت موازنه درآورند. روش ديگري كه در بالا آشنا شديد، فركانس هاي خيلي ضعيف سيگنال هاي راديويي را ثابت مي كند، كه مورد استفاده يك ميزر( تقويت امواج ميکروويو) ruby اتصال وسط خط تاخير است.


تابع انتقال:

تابع انتقال H(s)يك فيلتر نسبت سيگنال خروجي Y(s) به سيگنال ورودي X(s) است به اندازه تابع مختلط فركانسي s است.



تابع انتقال همه فيلترهاي ثابت زماني خطي عموما از ويژگي هاي معيني تشكيل مي شوند:
   از آنجايي كه فيلتر ها از اجزا جدا از هم ايجاد مي شوند، تابع انتقال آنها از نسبت دو چند جمله اي /چند فورمولي S و i.e در يك تابع منطقي S درست مي شود. ترتيب انجام كار تابع انتقال بالاترين توان S برخورد صورت كسر يا مخرج هر يك از آنها خواهد بود.
   همه ي چند جمله اي هاي تابع انتقال ضرايب واقعي دارند. بنابراين، هر يك از قطب ها و صفرهاي تابع انتقال واقعي يا اتفاقي باشند جفت آنها به طور مختلط باهم در مي آميزند.
   از آنجايي كه پايداري فيلترها فرضي است، عضو حقيقي قطب ها (i.e. صفرهاي مخرج) منفي/معكوس خواهد شد، i.e. آنها نصف سطح چپ در فضاي فركانسي مختلط تمام مي شود.
چنانكه ساختمان يك تابع انتقال شامل تبديل لاپلاس شود، و بنابراين به در دست گرفتن شرايط خروجي صفر/اوليه خنثي احتياج دارد، به دليل اين كه:

و وقتي f(0)=0 مقادير ثابت را پاك كنيم و از عبارت معمول استفاده كنيم

پيچيدگي رفتار فيلتر در توابع انتقالي متناوب شرح داده مي شود. اين نظريه پيچيده، تبديل لاپلاس ، ضامن تعادل تابع انتقال است.


طبقه بندي به وسيله تابع انتقال:

فيلترها مي توانند به وسيله خانواده و گذر باند تعيين شوند. خانواده‌ي فيلتر به وسيله طراحي برخي معيارها معين مي شود كه به صورت متداول براي معلوم كردن تابع انتقال فيلتر انجام مي شود. برخي از خانواده هاي رايج فيلترها و معيارهاي طراحي ويژه آنها به شكل زير هستند:
   فيلتر Butterworth – بدون حركت موجي در عبور باند و قطع باند، قطع جريان آهسته
   فيلتر Chebyshev (نوع يك)- بدون حركت موجي در قطع باند، قطع جريان تاخير دهنده
   فيلتر Chebyshev (نوع دو)- بدون حركت موجي در عبور باند، قطع جريان تاخير دهنده
   فيلتر Bessel - تاخير گروهي موج دار شدن، بدون حركت موجي در هر دو باند، بهره قطع جريان آهسته
   فيلتر Elliptic (بيضي) - تقويت حركت موجي در عبور و قطع باند، قطع جريان سريع
   فيلتر حد مطلوب “L”
   فيلتر  Gaussian
   فيلتر كسينوسي
به طور كلي، هر خانواده از فيلترها مي تواند با يك شيوه مشخص تعيين شود. بهترين شيوه، بيشتر فيلترها به حالت ايده آل فيلتر خواهند رسيد. حالت ايده آل فيلتر انتقال كامل عبور باند، و تضعيف كامل درمتوقف كردن باند را دارد ، و انتقال بين دو باند ناگهاني است (اغلب به آن brick-wall مي گويند).
اينجا يك عكس براي مقايسه‌ي بين فيلترهاي Butterworth، Chebyshev و elliptic (بيضي) است. اين فيلترها در اين تصوير همه، پنجمين مرتبه در فيلترهاي پايين گذر هستند. به كار گرفتن ويژه آنها – آنالوگ يا ديجيتال، فعال ياغير فعال بودن –  تفاوتي را ايجاد نمي كند: خروجي همه‌ي آنها مثل هم است.

به طوري كه با شفاف كردن تصوير، فيلترهاي بيضي نسبت به بقيه آنها تيز تر هستند، اما آنها حركات موجي در حيطه‌ي پهناي باند را نشان مي دهند.
هر خانواده مي تواند براي معلوم كردن يك گذر باند ويژه كه براي انتقال فركانس ها، هنگامي كه در توقف باند (i.e. خروجي گذر باند) كمابيش تضعيف مي شوند، استفاده شود.
   فيلتر پايين گذر- فركانس هاي پايين را عبور مي دهد، فركانس هاي بالا تضعيف شده اند.
   فيلتر بالا گذر – فركانس هاي بالا را عبور مي دهد، فركانس هاي پايين تضعيف شده اند.
   فيلتر ميان گذر – فقط فركانس هايي كه در يك باند فركانسي هستند را عبور مي دهد .
   فيلتر ميان نگذر – فقط فركانس هايي كه در يك باند فركانسي تضعيف شده اند.
   فيلتر همه گذر – همه فركانس هايي كه عبور مي كنند، اما فاز خروجي اصلاح شده است.
خانواده و گذر باند يك فيلتر به طور كامل تابع انتقال يك فيلتر را معلوم مي كند. تابع انتقال به طور كامل رفتار فيلتر خطي را تعيين مي كند، اما تكنولوژي مخصوصي را كه براي اجرا آن استفاده مي شود معلوم نمي كند. به عبارت ديگر، راه هاي مختلفي براي دستيابي يك تابع انتقال ويژه وقتي يك مدار طراحي مي كنيم وجود دارد. فيلتر گذر باند مخصوص مي تواند به وسيله انتقال يك دسته نمونه اوليه فيلتر فراهم شود.

طبقه بندي به وسيله توپولوژي (وضعيت):

فيلترهاي الكترونيكي مي توانند به وسيله تكنولوژي مورد استفاده كه در انها به كار مي رود طبقه بندي شوند. فيلترهاي استفاده كننده تكنولوژي فيلتر فعال و فيلتر غيرفعال است بيشتر طبقه بندي به وسيله وضعيت ويژه فيلتر الكترونيكي است كه آنها به كار مي برند.
هر داده تابع انتقال فيلتر شايد در هر وضعيت فيلتر الكترونيكي به كار برده شود.
برخي وضعيت‌هاي رايج مدار عبارتند از:
             وضعيت Cauer – غير فعال
             وضعيت Sallen Key – فعال
             وضعيت چند گانه فيدبك– فعال
             وضعيت ناپايدار – فعال
             وضعيت دو مجذوري فيلتر  biquad– فعال


طبقه بندي به وسيله روش شناسي طرح:

از نظر تاريخي، طراحي فيلتر آنالوگ خطي (با گذر) از طريق سه رويكرد عمده تحول يافته‌است. قديمي‌ترين طراحي‌ها از مدارهاي ساده‌اي بودند كه مهم ترين معيار طراحي شان، ضريب كيفيت در مدار بود. كاربرد گيرنده‌هاي راديويي فيلترينگ را به عنوان اندازه فركانسي انتخابي مدار متغير عمل مي كرد. تقريبا از دهه‌ي 1920 طراحي فيلترها از ديدگاه تصوير و راه اندازي آن بر تكيه بر نياز‌هاي برقراري ارتباط از راه دور آغاز شد. بعد از جنگ جهاني دوم روش شناسي تركيب شبكه غالب شد. رياضيدانان بزرگ براي بدست آوردن مقادير ضريب چند جمله اي به جدول نياز داشتند اما امروزه با وجود رايانه اين عمل غيرضروري است.


آناليز هدايت مدار:

فيلترهاي كم رتبه (با انرژي ضعيف- مترجم) مي توانند مستقيما به وسيله اتصال مدار ساده از قانون هايي مثل قانون هاي كيرشهف براي بدست آوردن تابع انتقال طراحي شوند. اين حد آناليز معمولا فقط براي فيلترهاي ساده رتبه 1st يا 2nd (نئوديميم) انجام مي شود.

تصوير آناليز امپدانس:

اين رويكرد بخش هاي فيلتر را از ديدگاه تسلسل بخش‌هاي يگانه بررسي مي كند. كه از امتيازات سادگي اين ديدگاه توانايي آسان سازي آن گسترش دستورات بالاتر است. از معايب آن نيز مي توان به دقت پيش بيني پاسخها بر روي فيلتري كه در امپدانس تصوير پايان مي پذيرد نام برد، كه اين هم معمولا اهميت خاصي ندارد.


تركيب شبكه‌اي:

تركيب شبكه كه ابتدا با تابع انتقال شروع شد و سپس به عنوان معادله چند جمله اي امپدانس داخلي فيلتر بيان شد. ارزش عنصر واقعي فيلتر اين است كه با تداوم كسر كل يا بخشي از آن كه با توسعه چندجمله اي همراه است. اگر چه روش تصوير، نيازمند تطبيق شبكه اي در پايانه ها نمي باشد اما تاثيرات پايانه اي مقاومت شامل تحليل آن همراه شروع شدن آن است.

 

 

 

 

اضافه کردن نظر


کد امنیتی
تغییر کد امنیتی