Владимир Поляков - Посвящение в радиоэлектронику
Многие читатели, вероятно, слышали, что в децибелах измеряют громкость звука, и теперь недоумевают, прочитав только что введенное определение. Никакого противоречия здесь нет. Если говорить строго, то в децибелах измеряют не силу звука, а отношение силы реального звука к силе звука, соответствующего пороговой чувствительности человеческого уха. Например, громкость оркестра оценивают в + 60 дБ, а рев реактивного двигателя — в + 120 дБ. Это значит, что амплитуда звуковых колебаний в первом случае в тысячу, а во втором в миллион раз больше, чем пороговая. Остается только удивляться необыкновенной способности человеческого уха воспринимать столь огромный диапазон громкостей! Ведь если амплитуда колебаний, различающихся на 120 дБ. отличается в миллион раз, то мощность, пропорциональная квадрату амплитуды, — в 1012 раз.
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) и ослабляющий низкие (рев). Уже известный нам фильтр нижних частот надо видоизменить — вместо катушек установить конденсаторы, а вместо конденсаторов — катушки. Получится фильтр верхних частот. Boт схемы П- и Т-образных звеньев такого фильтра:
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.
