Принцип "чим більше, тим краще" справедливий не завжди. Висока добротність не потрібна кораблю як коливальні системи. Інакше, якби він потрапив резонанс з набігають хвилями, його розгойдає так, що почнеться черпання води бортами, заривання носом під воду і тому подібні неприємні явища. Отже, при проектуванні обводів підводної частини корабля треба прагнути отримувати не тільки мінімальний опір руху вперед, що зазвичай і робиться, але і максимальний опір хитавиці. І вже зовсім висока добротність не потрібна ресорної або пружинної підвісці автомобіля. Припустимо на хвилину, що вона дорівнює десяти. Тоді, проїхавши ряд вибоїн на асфальті глибиною 5 см, автомобіль може підстрибнути на півметра! Це станеться, якщо поштовхи від вибоїн потраплять в резонанс з власними коливаннями автомобіля. Надамо читачеві самому оцінити "принади" такої їзди, але звернемо його увагу на те, що підвіска автомобіля не мислиться без амортизаторів -специальности пристроїв, що поглинають енергію коливань і знижують добротність підвіски автомобіля приблизно до 1. 3. Ну ось, а тепер після такої " механічної "підготовки звернемося до електроніки. Припустимо, необхідно пропустити до підсилювача деякий діапазон звукових частот. Сигнал надходить від радіоприймача, або тюнера, як тепер часто називають власне радіоприймач без підсилювача звукової частоти. Передача супроводжується перешкодою-свистом високого тону. Свист, природно, треба б послабити. В цьому випадку допоможе фільтр нижніх частот. Його амплітудно-частотна характеристика відповідає резонансної кривої контура дуже низькою добротності, близькою до одиниці. Всі частоти від найнижчих до резонансної частоти пропускаються фільтром без ослаблення, а більш високі послаблюються. Але як знизити добротність контуру до одиниці? Взяти дуже погану котушку індуктивності з великим провідникові? Або конденсатор з поганою ізоляцією між пластинами? Звичайно, це не найкращий вихід з положення. Адже енергія сигналу буде марно втрачатися в проводах котушки або в діелектрику конденсатора. Набагато вигідніше підключити до контуру корисне навантаження, в нашому прикладі - вхідний опір підсилювача звукової частоти. Тоді і добротність контуру знизиться, а. енергія, що поглинається коливань попрямує туди, куди потрібно. Це як раз той рідкісний випадок, коли "і вовки ситі, і вівці цілі".
Висока добротність підвіски може стати причиною аварії
Г-подібний фільтр нижніх частот
На малюнку показана схема найпростішого Г-образного фільтра нижніх частот. Конденсатор з котушкою і раніше дружно утворює коливальний контур, в розрив одного з сполучних проводів подається вхідний сигнал, а паралельно конденсатору приєднана корисне навантаження, в нашому прикладі - вхідний опір підсилювача звукової частоти. Наведемо дуже прості співвідношення, що дозволяють вибрати величини входять в фільтр елементів. Добротність контуру, який тепер називається вже ланкою фільтра, визначається співвідношенням опору навантаження і реактивного опору конденсатора або котушки.
Щоб фільтр працював ефективніше, з'єднують послідовно кілька найпростіших ланок. Згадайте: якщо вам потрібно добре профільтрувати якусь рідину, ви складаєте марлю або фільтрувальний папір в два-три шари і вже тільки потім закладаєте її в воронку! Ланки фільтра з'єднують так, щоб можна було об'єднати сусідні елементи. Наприклад, так:
Вийшло П-образне ланка. Або так:
Два полузвена утворюють Т-образне ланка
Вийшло Т-образне ланка. Обидва вони складаються з двох Г-образних найпростіших ланок і забезпечують. Так і хочеться сказати: вдвічі більше ослаблення. Це буде правильно, але тільки в тому випадку, якщо ослаблення вважати в децибелах. А якщо просто, як ми звикли, в "разах"? Наприклад, сигнал з частотою в три рази вище частоти зрізу просте Г-образне ланка послабить приблизно в десять разів. А дві ланки, думаєте, в двадцять разів? Нічого подібного в сто! Коефіцієнти передачі ланок До перемножуються. Але тоді логарифми цих величин повинні складатися. Ось чому радіоінженери так люблять логарифмічну одиницю ослаблення або посилення децибел (дБ). У децибелах можна виміряти ставлення будь-яких двох величин, наприклад відношення вихідної напруги фільтра до вхідного, користуючись співвідношенням
Але ставлення вихідної напруги до вхідного і є коефіцієнт передачі фільтра! У нашому прикладі для Г-образного ланки він становить - 20 дБ, а для двох Г-образних ланок, з'єднаних послідовно, т. Е. Для П- або Т-образного ланки, - 40 дБ. Знак "мінус" вказує на те, що відбувається ослаблення сигналу (в разі посилення був би знак "плюс"). Як бачимо, одиниця децибел дійсно дуже зручна, а щоб це повністю оцінити, до неї потрібно просто звикнути. Люди, які вміють користуватися логарифмічною лінійкою, рідко відмовляються від неї, а до мікрокалькулятором звертаються лише для виконання особливо точних розрахунків. Числа на лінійці нанесені в логарифмічному масштабі, тому для множення або ділення двох чисел досить скласти або відняти довжини відрізків на лінійці, що відповідають цим числам. Лінійка забезпечує точність розрахунків не гірше 1%. При необхідності більшої точності користуються таблицями логарифмів. Розповідають про незвичайному людину, який змагався з мікрокалькулятором в множенні багатозначних чисел. Його секрет пояснювався тим, що, вивчивши таблицю логарифмів, він замість множення миттєво складав в умі багатозначні числа. За допомогою логарифмічної лінійки або таблиць логарифмів дуже зручно переводити відношення двох чисел в децибели. Багато читачів, ймовірно, чули, що в децибелах вимірюють гучність звуку, і тепер дивуються, прочитавши щойно введене визначення. Ніякого протиріччя тут немає. Якщо говорити строго, то в децибелах вимірюють силу звуку, а відношення сили реального звуку до сили звуку, відповідного порогової чутливості людського вуха. Наприклад, гучність оркестру оцінюють в + 60 дБ, а рев реактивного двигуна в + 120 дБ. Це означає, що амплітуда звукових коливань в першому випадку в тисячу, а в другому в мільйон разів більше, ніж порогова. Залишається тільки дивуватися незвичайній здатності людського вуха сприймати настільки величезний діапазон гучності! Адже якщо амплітуда коливань, що розрізняються на 120 дБ, відрізняється в мільйон разів, то потужність, пропорційна квадрату амплітуди, в 1012 разів.
Гучність вимірюється в децибелах
Але повернемося до фільтрів. Додавши ще ланки, можна спроектувати фільтр з дуже крутим спадом частотної характеристики і виділити слабкий корисний сигнал на тлі дуже сильного заважає.
Амплітудно-частотні характеристики багатоланкових фільтрів нижніх частот
Припустимо, треба виділити слабкий писк комара на тлі реву реактивного двигуна. Ці звукові сигнали вже перетворені в електричні за допомогою мікрофона. Потрібен фільтр, що пропускає високі частоти (писк) і послабляє низькі (рев). Уже відомий нам фільтр нижніх частот треба видозмінити - замість котушок встановити конденсатори, а замість конденсаторів котушки. Вийде фільтр верхніх частот. Ось схеми П- і Т-образних ланок такого фільтра.
Є ще один різновид фільтрів, широко використовувана в радіоприймачах, смугові фільтри. Справа в тому, що простий коливальний контур не дуже хороший для виділення сигналу потрібної радіостанції. Адже в смугу пропускання контуру повинні увійти і несуча, і бічні смуги сигналу. Це означає, що смуга пропускання не може бути менше 6. 12 кГц. Але поруч з потрібною нам станцією працюють і сусідні, причому рознос їх несучих частот становить всього 9 кГц в діапазонах довгих і середніх хвиль. Одиночний контур з вказаною смугою пропускання буде дуже мало послаблювати сигнали сусідніх по частоті станцій. Найпростіший вихід з положення, Пов'язані один з одним два коливальних контура.
Фільтри верхніх частот
Двоконтурний смуговий фільтр
Якщо котушки двох контурів розміщені досить близько один до одного, то частина магнітного потоку однієї котушки перетинає витки інший і енергія коливань передається з контуру в контур. В цьому випадку і говорять, що контури пов'язані. Тепер ми знаємо, що не мотузкою, а магнітним полем котушок. Сигнал подають на один з контурів, а знімають з іншого. Завдяки зв'язку контурів їх резонансні частоти дещо змінюються: одного знижується, а іншого підвищується, причому ця зміна тим більше, чим сильніше зв'язок. При певній величині зв'язку, званої критичної, зрушення частот стає більше, ніж ширина резонансної кривої кожного з контурів. У цьому випадку загальна резонансна крива двох контурів набуває характерну "двогорбу" форму. А якщо зв'язати кілька контурів? Резонансна крива буде ще ближче до бажаної прямокутної. При зв'язку контурів більше критичної загальна частотна характеристика буде мати стільки "горбів", скільки контурів входить в смуговий фільтр (спробуйте уявити собі многогорбого верблюда!). Подібні фільтри, звані фільтрами зосередженої селекції, скорочено ФСС, дуже часто застосовують в радіоприймачах всіх класів складності.
У смугових фільтрах можна встановлювати не тільки паралельні коливальні контури, а й послідовні. На малюнку наведено їх схеми. Якщо опір паралельного коливального контуру на резонансній частоті максимально, то послідовного - мінімально. Тут реактивні опору конденсатора і котушки компенсують один одного, і залишається лише невелике активний опір проводу котушки. При відхиленні ж частоти від резонансної реактивний опір послідовного контуру різко зростає. На малюнку показана схема однієї ланки П-образного смугового фільтра, що використовує і паралельні, і послідовний контури. Всі три контури налаштовані на одну і ту ж частоту, яка і буде середньою частотою смуги пропускання фільтра.
Паралельний і послідовний коливальні контури
Смуговий фільтр і його характеристика
Нарешті, просто необхідно розповісти про одну з "родзинок" сучасної електроніки кварцових і пьезокерамических фільтрах. Коливальні контури в фільтрі можна замінити кварцовими кристалами, які є чудовими резонаторами. Фільтр від цього тільки виграє. Кварцовий фільтр дозволяє отримувати майже ідеальну частотну характеристику, близьку за формою до прямокутної. Навіть на дуже високих частотах порядку одиниць і десятків мегагерц кварцові фільтри можуть мати смугу пропускання всього кілька кілогерц. Це пояснюється високою добротністю кварцових резонаторів. З звичайними LC-контурами такі результати недосяжні. Кварцові фільтри широко застосовують у високоякісній апаратурі для радіозв'язку.
На більш низьких частотах використовують резонатори дешевші і з гіршого добротністю. Їх виготовляють зі штучної п'єзокераміки. У багатьох портативних радіоприймачах встановлений восьмірезонаторний пьезокерамический фільтр зосередженої селекції (ПФ1П), схема і зовнішній вигляд якого показані на малюнку. І зовсім не дарма на лицьовій панелі приймачів з цим фільтром пишуть слова: "висока селективність". Кварцовим і п'єзокерамічним фільтрам належить велике майбутнє, оскільки все резонатори фільтра можна виконувати на одному кристалі, використовуючи ту ж технологію, що і при виробництві інтегральних мікросхем. Виготовлені таким чином фільтри називають монолітними, підкреслюючи цим, що фільтр вже не містить окремих елементів, а виконаний як одне ціле.
Ще одна цікава і перспективна різновид монолітних фільтрів з'явилася в зв'язку з розробкою пристроїв на поверхневих акустичних хвилях, скорочено ПАР. Ось що це таке. "Кидаючи в ставок камінчики, спостерігайте кола, утворені ними", - говорив Козьма Прутков. Від кинутого каменя на поверхні води розходяться хвилі. Подібним же чином і по поверхні пьезо-кристала розходяться хвилі від точки, де ці хвилі збуджуються. Швидкість хвиль становить кілька кілометрів в секунду, вона залежить тільки від пружних властивостей матеріалу, а довжина хвилі на частотах радіодіапазону вимірюється міліметрами. Якщо розташувати в ряд кілька збуджуючих електродів, то буде спостерігатися інтерференція хвиль, випромінюваних кожним з них. Гребінка електродів, показана на малюнку, створює хвилю в зазначеному стрілкою напрямку тільки в тому випадку, якщо відстань між електродами становить половину довжини хвилі. А довжина хвилі залежить від частоти збуджуючого сигналу, отже, порушення хвиль можливо тільки на одній певній частоті. Подібним же чином діє і приймальня решітка електродів. Вона реагує на хвилі тільки цілком певної довжини, а саме такий, при якій збудження всіх електродів відбувається в одній і тій же фазі. Платівка пьезоелектрика з двома парами гребінок електродів утворює фільтр, налаштований на цілком певну частоту. Змінюючи геометричні розміри і конфігурацію електродів, можна отримувати необхідні параметри фільтра: частоту настройки, смугу пропускання і т. Д. Фільтри на ПАР вже широко використовують в радіозв'язку. У професійній апаратурі вони дозволяють, наприклад, отримувати смугу пропускання 3 кГц на частоті в кілька десятків мегагерц. Знайшли застосування ці фільтри і в телевізорах нового покоління. Там вони більш широкосмугові мають смугу пропускання в кілька мегагерц.
Порушення ПАР гратами електродів (знаками "+" і "-" позначена миттєва полярність напруги, через половину періоду полярність зміниться на зворотну, а гребені хвилі займуть місце западин)
Тепер ми з вами знаємо, як за допомогою фільтрів можна з величезного числа різних електричних коливань виділити тільки певні, потрібні нам. Це завдання першорядної важливості і в радіоприймачі, і в телевізорі, і в пристроях багатоканального зв'язку, і в багатьох інших приладах. Як кажуть фахівці, фільтри здійснюють частотну селекцію сигналів. Але перш ніж виділити сигнали потрібної частоти, цю частоту треба знати і вміти виміряти, а для цього потрібен інструмент вимірювань.
Монолітний смуговий фільтр на ПАР