Электроника для начинающих

Есть аналоговые и цифровые фильтры. Цифровые фильтры требуют преобразования сигнала в последовательность битов, подлежащих обработке с помощью специальных схем обработки называемых DSP (Digital Signal Processor – цифровой сигнальный процессор). DSP – это небольшие специализированные вычислительные машины, которые могут очень быстро производить математические расчеты для кадра сигнала. Фильтр, таким образом, реализуется программным обеспечением: это непростой элемент, но очень мощный. Вы можете создавать схемы, способные точно и эффективно фильтровать частоты и делать удивительные вещи, например предсказывать следующий кадр сигнала.

На станциях метро одного большого города были установлены экспериментальные системы, которые могут слышать приближение поезда и с помощью предсказывающих фильтров производят сигнал через динамики, который удаляет шум приближающегося поезда. При использовании по меньшей мере трех из этих цифровых фильтров, размещенных в окружающей среде, можно найти и изолировать источник звука.

Такие устройства используются в современных звукозаписывающих студиях, где можно отдельно записать звуки целого оркестра.

Очевидно, что в этой главе мы ограничимся простыми аналоговыми фильтрами, созданными для управления изменяющимися сигналами с течением времени. Фильтры классифицируются по типу поведения по отношению к сигналу. У нас есть фильтры:

• низких частот (НЧ) – пропускают частоты ниже определенного значения или частоты среза;

• высоких частот (ВЧ) – пропускают частоты выше частоты среза;

• полосовые – пропускают частоты в некоторой полосе пропускания;

• заграждающие – заграждают определенную полосу частот.

Фильтр низких частот

Самый простой способ создать фильтр это подключить конденсатор и резистор, так чтобы конденсатор был подключен между резистором и землей. Мы уже видели в главе, описывающей компоненты, что конденсаторы, в условиях постоянного тока, ведут себя как разомкнутые контуры, в то время как с увеличением частоты имеют сопротивление (реактанс), которое постепенно уменьшается до тех пор, пока не дойдет до нуля или очень низкого значения. Если на вход фильтра, изображенного на схеме ниже, мы подадим постоянный сигнал, мы не увидим ничего особенного, сигнал будет проходить через резистор и не произведет никакого эффекта на конденсатор. Если бы частота сигнала была очень высокой, конденсатор повел бы себя как сопротивление или даже замыкание, полностью удалив поступивший сигнал.

Рис. 6.18. Электрическая схема фильтра низких частот. Только частоты со значение меньше частоты среза могут проходить через него беспрепятственно

Эффект фильтра может быть представлен в виде графика, который показывает эффект затухания для каждой возможной частоты. Кривая начинаетсяпри 0 Гц, а затем быстро падает: за пределами определенного значения частоты никакой сигнал не будет иметь возможность прохождения. Комбинация R и С определяет частоту среза фильтра. Частота среза не ясна, и поэтому трудно определить ее точное значение. По этой причине указывается 3 дБ, то есть та частота, для которой выходная мощность составляет половину входной мощности. Несложно рассчитать частоту среза для такой простой схемы, как фильтр, для этого достаточно знать формулу. Любопытные могут углубить свои знания с помощью книг, рекомендованных в библиографии. Частота среза рассчитывается по следующей формуле:

R является значением сопротивления в омах, С – емкость конденсатора в фарадах и 2П составляет около 6,28. С сопротивлением 1 кОм и конденсатором 100 нФ частота будет равна примерно 1,5 кГц:

Уменьшая сопротивление до 100 Ом, мы будем иметь частоту среза 16 кГц. С сопротивлением 10 кОм частота среза снизится до 160 Гц.

Мы можем проверить работу фильтра с помощью простого эксперимента. Нам понадобится:

• конденсатор емкостью 100 нФ;

• резисторы на 100 Ом, 1 кОм и 10 кОм;

• генератор сигналов;

• осциллограф или «Ардуино», настроенный для работы в качестве осциллографа (см. приложение В).

В качестве генератора сигналов можем также использовать «Ардуино», запрограммированный для генерирования прямоугольного сигнала с переменной частотой. В конце этой главы мы рассмотрим, как сделать простой генератор сигналов.

Рис. 6.19. Фильтр низких частот на макетной плате, генератор подключен к входу фильтра, а осциллограф служит для обнаружения выходного сигнала

Включим генератор сигналов и увеличим частоту. Если мы все правильно подключили, с помощью ардуиноскопа можно заметить, что амплитуда измеряемого сигнала уменьшается с увеличением частоты. Заменим резисторы и проверим, изменяется ли частота среза как ожидалось.