Посвящение в радиоэлектронику
Шрифт:
Громкость измеряется в децибелах.
Но вернемся к фильтрам. Добавив еще звенья, можно спроектировать фильтр с очень крутым спадом частотной характеристики и выделить слабый полезный сигнал на фоне очень сильного мешающего.
Амплитудно-частотные характеристики многозвенных фильтров нижних частот.
Допустим, надо выделить слабый писк комара на фоне рева реактивного двигателя. Эти звуковые сигналы уже преобразованы в электрические с помощью микрофона. Нужен фильтр, пропускающий высокие частоты (писк)
Фильтры верхних частот.
Есть еще одна разновидность фильтров, широко используемая в радиоприемниках, — полосовые фильтры. Дело в том, что простой колебательный контур не слишком хорош для выделения сигнала нужной радиостанции. Ведь в полосу пропускания контура должны войти и несущая, и боковые полосы принимаемого сигнала. Это означает, что полоса пропускания не может быть меньше 6…12 кГц. Но рядом с нужной нам станцией работают и соседние, причем разнос их несущих частот составляет всего 9 кГц в диапазонах длинных и средних волн. Одиночный контур с указанной полосой пропускания будет очень мало ослаблять сигналы соседних по частоте станций. Простейший выход из положения связать друг с другом два колебательных контура:
Двухконтурный полосовой фильтр.
Если катушки двух контуров размещены достаточно близко друг к другу, то часть магнитного потока одной катушки пересекает витки другой и энергия колебаний передается из контура в контур. В этом случае и говорят, что контуры связаны. Теперь мы знаем, что не веревочкой, а магнитным полем катушек. Сигнал подают на один из контуров, а снимают с другого. Благодаря связи контуров их резонансные частоты несколько изменяются: одного понижается, а другого повышается, причем это изменение тем больше, чем сильнее связь. При определенной величине связи, называемой критической, сдвиг частот становится больше, чем ширина резонансной кривой каждого из контуров. В этом случае общая резонансная кривая двух контуров приобретает характерную «двугорбую» форму. А если связать несколько контуров? Резонансная кривая будет еще ближе к желаемой прямоугольной. При связи контуров больше критической общая частотная характеристика будет иметь столько «горбов», сколько контуров входит в полосовой фильтр (попробуйте вообразить себе многогорбого верблюда!). Подобные фильтры, называемые фильтрами сосредоточенной селекции, сокращенно ФСС, очень часто применяют в радиоприемниках всех классов сложности.
В полосовых фильтрах можно устанавливать не только параллельные колебательные контуры, но и последовательные. На рисунке приведены их схемы.
Параллельный и последовательный колебательные контуры.
Если сопротивление параллельного колебательного контура на резонансной частоте максимально, то последовательного — минимально. Здесь реактивные сопротивления конденсатора и катушки компенсируют друг друга, и остается лишь небольшое активное сопротивление провода катушки. При отклонении же частоты от резонансной реактивное сопротивление последовательного контура резко возрастает. На рисунке показана схема одного звена П-образного полосового фильтра, использующего и параллельные, и последовательный контуры. Все три контура настроены на одну и ту же частоту, которая и будет средней частотой полосы пропускания фильтра.
Полосовой фильтр и его характеристика.
Наконец, просто необходимо рассказать об одной из «изюминок» современной электроники — кварцевых и пьезокерамических фильтрах. Колебательные контуры в фильтре можно заменить кварцевыми кристаллами, являющимися превосходными резонаторами. Фильтр от этого только выиграет. Кварцевый фильтр позволяет получать почти идеальную частотную характеристику, близкую по форме к прямоугольной. Даже на весьма высоких частотах порядка единиц и десятков мегагерц кварцевые фильтры могут иметь полосу пропускания всего несколько килогерц. Это объясняется высокой добротностью кварцевых резонаторов. С обычными LC-контурами такие результаты недостижимы. Кварцевые фильтры широко применяют в высококачественной аппаратуре для радиосвязи.
На более низких частотах используют резонаторы более дешевые и с худшей добротностью. Их изготавливают
из искусственной пьезокерамики. Во многих портативных радиоприемниках установлен восьмирезонаторный пьезокерамический фильтр сосредоточенной селекции (ПФ1П), схема и внешний вид которого показаны на рисунке.Пьезокерамический фильтр.
И совсем ненапрасно на лицевой панели приемников с этим фильтром пишут слова: «высокая селективность». Кварцевым и пьезокерамическим фильтрам принадлежит большое будущее, поскольку все резонаторы фильтра можно выполнять на одном кристалле, используя ту же технологию, что и при производстве интегральных микросхем. Изготовленные таким образом фильтры называют монолитными, подчеркивая этим, что фильтр уже не содержит отдельных элементов, а выполнен как одно целое.
Еще одна интересная и перспективная разновидность монолитных фильтров появилась в связи с разработкой устройств на поверхностных акустических волнах, сокращенно ПАВ. Вот что это такое. «Бросая в пруд камешки, наблюдайте круги, образуемые ими», — говорил Козьма Прутков. От брошенного камня на поверхности воды расходятся волны. Подобным же образом и по поверхности пьезокристалла расходятся волны от точки, где эти волны возбуждаются. Скорость волн составляет несколько километров в секунду, она зависит только от упругих свойств материала, а длина волны на частотах радиодиапазона измеряется миллиметрами. Если расположить в ряд несколько возбуждающих электродов, то будет наблюдаться интерференция волн, излучаемых каждым из них. Гребенка электродов, показанная на рисунке, создаст волну в указанном стрелкой направлении только в том случае, если расстояние между электродами составляет половину длины волны. А длина волны зависит от частоты возбуждающего сигнала, следовательно, возбуждение волн возможно только на одной определенной частоте.
Возбуждение ПАВ решеткой электродов (знаками «+» и «—» обозначена мгновенная полярность напряжения, через половину периода полярность изменится на обратную, а гребни волны займут место впадин).
Подобным же образом действует и приемная решетка электродов. Она реагирует на волны только вполне определенной длины, а именно такой, при которой возбуждение всех электродов происходит в одной и той же фазе. Пластинка пьезоэлектрика с двумя парами гребенок электродов образует фильтр, настроенный на вполне определенную частоту. Изменяя геометрические размеры и конфигурацию электродов, можно получать требуемые параметры фильтра: частоту настройки, полосу пропускания и т. д. Фильтры на ПАВ уже широко используют в радиосвязи. В профессиональной аппаратуре они позволяют, например, получать полосу пропускания 3 кГц на частоте в несколько десятков мегагерц. Нашли применение эти фильтры и в телевизорах нового поколения. Там они более широкополосны имеют полосу пропускания в несколько мегагерц.
Теперь мы с вами знаем, как с помощью фильтров можно из oгромнoго числа различных электрических колебаний выделить только определенные, нужные нам. Эта задача первостепенной важности и в радиоприемнике, и в телевизоре, и в устройствах многоканальной связи, и во многих других приборах. Как говорят специалисты, фильтры осуществляют частотную селекцию сигналов.
Но прежде чем выделить сигналы нужной частоты, эту частоту надо знать и уметь измерить, а для этого нужен инструмент измерений.
Монолитный полосовой фильтр на ПАВ.
Представьте себе ситуацию: кварцевые кристаллы для фильтра изготавливались на разных заводах. На каждом кристалле имеется обозначение одной и той же частоты, скажем 10 МГц. Собрали фильтр… и ничего не вышло. Вместо требуемой почти прямоугольной характеристики с плавно скругленными скатами получился ряд каких-то зубцов. Проверили кристаллы — они оказались настроенными на разные частоты. Обратились на один завод, там отвечают: «Мы настраивали на 10 МГц». Обратились на другой — тот же ответ. Возникает естественный вопрос: а чем измеряли частоту? С чем ее сравнивали? С каким образцом или эталоном?
Мы рассмотрели совершенно немыслимый в современном производстве случай, когда каждый завод «на свой аршин меряет». Если бы все измеряли «своими аршинами», нельзя было бы из заводских деталей собрать ни станок, ни автомобиль, ни один подшипник не подошел бы к своему валу, ни одна гайка ни к одному винту, да что там говорить, произошло бы всеобщее и сокрушительное бедствие!
Вот как важны точные и стандартизованные измерения в современной индустрии. Этим занимается специальная наука метрология. В отношении же измерения частоты «аршин» теперь у всех один — эталонная частота атомного стандарта. Ну а где частоты, там и время.