ОБЗОР СПОСОБОВ ПОЛУЧЕНИЯ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АНАЛОГОВЫХ ФИЛЬТРОВ.

Использование аналоговых фильтров с определёнными характеристиками в настоящее время является необходимым и неизбежным, особенно где возникает необходимость ослабить действие помех и шумов путём ограничения спектра аналогового сигнала без существенной потери качества сигнала (например, перед его оцифровкой). Поэтому задача реализации аналоговых электронных фильтров с заранее заданными характеристиками остаётся актуальной, несмотря на распространение цифровых фильтров.

Фильтры аналоговых сигналов по виду амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) подразделяются на:

1) Фильтры нижних частот (ФНЧ) – пропускают электрические сигналы с частотами ниже частоты среза.

2) Фильтры верхних частот (ФВЧ) – пропускают электрические сигналы с частотами выше частоты среза.

3) Полосовые фильтры – пропускающие сигналы в определённой полосе частот.

4) Заграждающие фильтры – пропускающие сигналы в диапазоне за исключением некоторой определённой полосы частот.

В общем случае, фильтр является четырёхполюсником, коэффициент передачи которого будет равен:

Зависимость  называется амплитудно-частотной характеристикой, а зависимость  – фазо-частотной характеристикой (фаза  = 0, так как мы измеряем  относительно ).

Современные цифровые технологии позволяют по требуемым характеристикам рассчитать величины электрических параметров элементов выбранной схемы фильтра. Однако компьютерное моделирование аналоговых электронных фильтров не может гарантировать соответствие параметров модели и реального фильтра из-за проявления в процессе сборки паразитных емкостей, индуктивностей, и переходных сопротивлений, а также разброса параметров ЭРЭ. Поэтому необходимы способы и устройства для снятия АЧХ реальных фильтров.

Рассмотрим способы получения амплитудно-частотных характеристик.

1) Классический

Рисунок 1. Структура измерительной установки для классического способа

Указанный способ реализуется схемой показанной на рис. 1. Измерения проводятся при постоянстве амплитуды сигнала генератора. Определяется дискретность проведения измерений по частоте, которая будет определять точность соответствия измеренной АЧХ и реальной. Последовательно устанавливаются частоты, с ранее определенным шагом дискретизации, и в каждом шаге фиксируется напряжение на выходе исследуемого фильтра. После чего аппроксимируются получившиеся отсчёты и строится АЧХ.

К достоинствам данного способа можно отнести простоту реализации и высокую точность определения конкретного отсчёта.

Недостатками можно назвать значительное время получения характеристики (оно зависит от количества отсчётов), а также возможные искажения АЧХ, в случае слишком большого шага дискретизации. Недостаток, связанный с большим временем снятия АЧХ можно решить, автоматизируя измерения, так как данный способ легко поддаётся автоматизации современными электронными средствами.

2) Панорамный способ снятия АЧХ.

Рисунок 2. Структура измерительной установки для панорамного способа

Указанный способ реализуется схемой, показанной на рис. 2. В качестве генератора используется генератор синусоидального сигнала, частота которого меняется от времени по пилообразному закону (так называемый генератор качающейся частоты – ГКЧ). А регистрирующим прибором является осциллограф, начало пилообразной горизонтальной развёртки которого синхронизировано с началом изменения частоты ГКЧ. При таком способе на экране осциллографа будет отображаться АЧХ целиком. Измерение амплитуды и частоты точек отсчёта нужно осуществлять по координатной сетке осциллографа с учётом положения переключателей длительности развёртки и аттенюатора вертикального отклонения по оси Y.

К достоинствам данного способа следует отнести наглядность и быстроту получения характеристики.

Также следует отметить следующие недостатки: невысокую точность из-за возможного влияния переходных процессов вследствие быстрого изменения частоты входного сигнала, а также влияния многих составляющих измерительной схемы.

Измерение фазо-частотной характеристики наиболее удобно производить с помощью двухканального осциллографа, либо непосредственно измерять с помощью фазометра (например, Ф2-34). В первом случае измерение простое, но с низкой точностью и скоростью. Во втором случае точность и скорость высокие, имеется цифровой вывод результата, но достаточно высокая стоимость средств измерений.

Вышерассмотренные способы измерения АЧХ аналоговых фильтров называются скалярными. В настоящее время в связи с развитием цифровых измерительных технологий появились так называемые векторные анализаторы электрических цепей, которые служат для определения широкого ряда параметров четырёхполюсников, в том числе и АЧХ и ФЧХ аналоговых фильтров. Фактически это многофункциональные приборы с рабочей частотой до 1 ГГц, измеряющие множество различных параметров. Принцип работы векторного анализатора спектра основан на воздействии на вход исследуемого устройства специально сформированного широкополосного сигнала в виде импульса с короткими фронтами (либо специального шумового сигнала) с регистрацией откликов на выходе анализатором спектра на базе преобразования Фурье. В результате на экране формируется полная амплитудо-фазо-частотная характеристика (годограф), а также множество другой графической и текстовой информации, характерной для данного четырёхполюсника.

Достоинствами данных устройств являются: высокое быстродействие, универсальность, высокая точность, наглядность.

К недостаткам можно отнести высокую стоимость и большую сложность данных устройств.

Любой метод измерения АЧХ аналоговых фильтров имеет свои достоинства и недостатки, поэтому его выбор зависит от конкретной решаемой задачи и возможностей заинтересованных в измерениях лиц и организаций.

Например, для практических измерений в рамках лабораторных работ в образовательных учреждениях можно использовать автоматизированный вариант метода 1, так как он достаточно прост в реализации, приемлемо точный и наглядный.

Список литературы:

1. Адоменас, Я. Измерители амплитудно-частотных характеристик и их применение [Текст] / Я. Адоменас и др. – Москва: Связь, 1968. – 166 с.
2. Гоноровский, И. С. Радиотехнические цепи и сигналы [Текст] / И. С. Гоноровский, М. П. Демин. – Москва: Радио и связь, 1994. – 608 с.
3. Конашинский, Д. А Частотные электрические фильтры [Текст] / Д. А. Конашинский. – Москва: ГосЭнергоИздат, 1959. – 130 с.
4. Лэм, Г. Аналоговые и цифровые фильтры [Текст] / Г. Лэм. – Москва: Мир, 1982. – 592 с.
5. Роудз, Дж. Д. Теория электрических фильтров [Текст]: пер. с англ. / Дж. Д. Роудз; под ред. А. М. Трахтмана. – Москва: Сов. радио, 1980. – 240 с.
6. Харкевич, А. А. Спектры и анализ [Тест] / А. А. Харкевич. – Москва: Государственное издательство физико-математической литературы, 1962. – 240 с.
7. Хоровиц, П. Искусство схемотехники [Текст]: пер. с англ.; изд. 2-е / П. Хоровиц, У. Хилл. – Москва: БИНОМ, 2014. – 704 с.
8. Что такое векторный анализатор электрических цепей: общая информация, для чего они используются и какие бывают [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www.tehencom.com/Categories/Network_Analyzers/Basics/Network_Analyzers_Basics.htm. - Заглавие с экрана.