ال مرشح تمرير الموجة يسمح للإشارات بالإمداد بين ترددين معينين، على الرغم من فصل هذه الإشارات عند ترددات أخرى. تتوفر هذه الأنواع من مرشحات تمرير النطاق في أنواع مختلفة؛ بعض تصميمات مرشحات تمرير النطاق مصنوعة من طاقة خارجية ومكونات نشطة مثل؛ الترانزستورات، والدوائر المتكاملة، والتي تسمى BPF النشط. وبالمثل، تستخدم بعض المرشحات أي مصدر طاقة ومكونات سلبية مثل المحاثات والمكثفات، والتي تسمى BPF السلبي. تنطبق هذه المرشحات على أجهزة الإرسال والاستقبال اللاسلكية.
يتم استخدام BPF في جهاز الإرسال للحد من عرض النطاق الترددي لإشارة الخرج إلى المستوى الأقل المطلوب ونقل البيانات بالسرعة والشكل المثاليين. وبالمثل، يسمح هذا المرشح الموجود في جهاز الاستقبال بفك تشفير الإشارات ضمن مستوى التردد المفضل، مع الابتعاد عن الإشارات ذات الترددات غير الضرورية. يتم تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء (S/N) لجهاز الاستقبال من خلال مرشح تمرير النطاق. توفر هذه المقالة معلومات موجزة عن مرشح تمرير النطاق النشط .
ما هو مرشح تمرير النطاق النشط؟
نوع من مرشحات تمرير النطاق الذي يستخدم مكونات نشطة مثل مكبر للصوت التشغيلي ، جنبًا إلى جنب مع المقاومات والمكثفات لتشكيل الفلتر المعروف باسم مرشح تمرير النطاق النشط. تعمل مرشحات تمرير النطاق هذه على تضخيم إشارة الإدخال بالإضافة إلى التصفية، على الرغم من أنها تحتاج إلى مصدر طاقة خارجي.
تم تصميم مرشح تمرير النطاق هذا عن طريق توصيل HPF ومكبر للصوت وLPF كما هو موضح في الشكل أدناه. توفر دائرة مكبر الصوت الموجودة بين HPF وLPF العزلة وتوفر كسبًا إجماليًا للجهد. يجب الحفاظ على قيم تردد القطع لكلا المرشحين بأقل قدر من التباين. إذا كان هذا الاختلاف صغيرًا للغاية، فهناك فرصة للتفاعل بين مرحلتي التمريرة المنخفضة والتمريرة العالية. لذلك، هناك حاجة إلى دائرة تضخيم. للحصول على المستويات الصحيحة من هذه الترددات المقطوعة.
مبدأ عمل مرشح تمرير النطاق النشط
يعمل مرشح تمرير النطاق النشط عن طريق تخفيف الترددات الموجودة أعلى أو أسفل نطاق من الترددات (أي نطاق المرور أو عرض النطاق الترددي للمرشح). وأي إشارة ذات تردد في نطاق تمرير النطاق هذا تمر ببساطة عبر المرشح. يتم تقليل أو تخفيف أي تردد خارج نطاق النطاق.
تصميم مرشح تمرير النطاق النشط
تظهر أدناه دائرة مرشح تمرير النطاق النشط. يمكن تصميم هذه الدائرة من خلال تجميع المرشحات المنفعلة للتمرير المنخفض والتمرير العالي معًا. إنه يوفر مرشحًا منخفضًا من النوع 'عامل الجودة' والذي يحتوي على نطاق تمرير عريض. المرحلة الأولية لمرشح تمرير النطاق النشط هي مرحلة التمرير العالي التي تستخدم المكثف لمنع أي انحياز للتيار المستمر من المصدر الرئيسي.
يتميز تصميم الدائرة هذا بميزة توليد استجابة تردد نطاق تمرير غير متماثل مسطح إلى حد ما من خلال نصف واحد يشير إلى استجابة التمرير المنخفض بينما يشير النصف المتبقي إلى استجابة التمرير العالية.
يتم حساب نقطة الزاوية العليا 'ƒH' ونقطة قطع تردد الزاوية السفلية 'ƒL' كما كان من قبل في دوائر LPF وHPF العادية من الدرجة الأولى.
من الضروري وجود فصل معقول بين نقطتي القطع لتجنب أي تفاعل بين مرحلتي LPF وHPF. يساعد مكبر الصوت في توفير العزل بين مرحلتي الفلتر لوصف كسب الجهد الإجمالي لدائرة الفلتر. ولذلك، فإن عرض النطاق الترددي للمرشح هو التباين بين نقاط -3 ديسيبل الأعلى والأدنى. ستكون استجابة التردد الطبيعية وتحول الطور لـ BPF النشط كما يلي.
استجابة التردد
عندما تعمل دائرة المرشح المضبوطة أعلاه كـ BPF، فيمكن أن يكون عرض النطاق الترددي واسعًا إلى حد ما. قد يكون هذا مشكلة إذا أردنا فصل الترددات بنطاق صغير. يمكن أيضًا تصميم مرشح تمرير النطاق النشط باستخدام مضخم تشغيلي مقلوب.
وبالتالي، من خلال إعادة تنظيم مواقع المقاومات والمكثفات في المرشح، يمكننا إنشاء دائرة مرشح أفضل بكثير. يتم تحديد نقطة القطع المنخفضة -3 ديسيبل بواسطة 'ƒC1' لـ BPF النشط بينما يتم تحديد نقطة القطع الأعلى -3 ديسيبل بواسطة 'ƒC2'.
يحتوي المرشح أعلاه على ترددين مركزيين HPF وLPF. ال مرشح دقيق يجب أن يكون التردد المركزي أقل مقارنة بالتردد المركزي لـ LPF.
التردد المركزي لـ BPF هو الوسط الهندسي لترددات القطع العلوية والسفلية مثل؛ fr2 = fH × فلوريدا.
كسب BPF النشط هو 20 log (Vout/Vin) dB/Decade.
ترتبط استجابة السعة باستجابات LPF وHPF. يعتمد منحنى الاستجابة بشكل أساسي على ترتيب المرشح المتتالي.
عامل س
يحدد العرض الإجمالي لنطاق التمرير الفعلي بين نقاط الزاوية العلوية والسفلية -3 ديسيبل لمرشح تمرير النطاق النشط عامل Q للدائرة. تكون قيمة عامل Q أقل ثم يكون عرض النطاق الترددي للمرشح أوسع. ونتيجة لذلك، يكون عامل Q أعلى ويكون المرشح أضيق.
في بعض الأحيان، يُشار إلى عامل Q لمرشح تمرير النطاق النشط بالرمز اليوناني 'α' ويسمى تردد ذروة ألفا.
α = 1/س
نظرًا لأن 'Q' الخاص بـ BPF النشط يتعلق 'بحدة' استجابة المرشح حول 'ƒr' (تردد الرنين المركزي)، فيمكن أيضًا أن يُعرف باسم عامل التخميد (أو) معامل التخميد لأن الفلتر لديه مزيد من التخميد ثم يكون للفلتر استجابة أكثر انبساطًا. يحتوي الفلتر على تخميد أقل، وتكون استجابة الفلتر أكثر وضوحًا.
تتم الإشارة إلى نسبة التخميد بالرمز اليوناني 'ξ'
ξ = أ/2
عامل الجودة لمرشح تمرير النطاق النشط هو نسبة ƒr (تردد الرنين) إلى BW (عرض النطاق الترددي) بين الترددات الأعلى والأدنى -3 ديسيبل.
أنواع مرشحات تمرير النطاق النشطة
هناك نوعان من مرشحات تمرير النطاق النشط؛ مرشح تمرير النطاق العريض ومرشح تمرير النطاق الضيق والتي تمت مناقشتها أدناه.
مرشح تمرير واسع النطاق
إذا كانت قيمة عامل الجودة (Q) أقل من عشرة، يكون نطاق التمرير واسعًا، ومن ثم يعطينا عرض نطاق ترددي أكبر. لذلك يُعرف BPF هذا باسم مرشح تمرير النطاق العريض. في مرشح تمرير النطاق العريض، يجب أن يكون تردد القطع العالي أكبر مقارنة بتردد القطع الأدنى.
أولاً، تمر الإشارة عبر HPF، وتميل إشارة الخرج لهذا الملف إلى اللانهاية والتي يتم إعطاؤها إلى LPF في النهاية. سوف يقوم LPF بتمرير إشارة التردد الأعلى بشكل منخفض.
عندما يتم تتالي HPF من خلال LPF، يمكن الحصول على BPF البسيط. لفهم هذا المرشح، يجب أن يكون ترتيب دوائر LPF و HPF متشابهًا.
يوفر لنا المتتالية LPF و HPF من الدرجة الأولى BPF من الدرجة الثانية. من خلال تتالي اثنين من LPFs من الدرجة الأولى مع اثنين من HPFs يشكلان BPF من الدرجة الرابعة.
وبسبب هذا التتالي، تعطي الدائرة قيمة عامل منخفضة الجودة. يقوم المكثف الموجود داخل HPF من الدرجة الأولى بحظر أي انحياز للتيار المستمر من إشارة i/p.
وفي كلا نطاقي التوقف، يبلغ الكسب ± 20 ديسيبل لكل عقد في حالة مرشح الرتبة الثانية. يجب أن يكون LPF وHPF من الدرجة الأولى فقط.
وبالمثل، عندما يكون المرشحان في الترتيب الثاني، يكون تناقص الكسب عند كلا نطاقي التوقف حوالي ± 40 ديسيبل/عقد.
تعبير:
يتم التعبير عن كسب جهد مرشح ممر الموجة على النحو التالي:
Vout/Vin = Amax * (f/fL) / √(1+(f/fL)² (1+(f/fH)²
يتم تحقيق ذلك من خلال المكاسب الفردية لكل من LPF وHPF، لذلك يتم إعطاء مكاسب المرشح على النحو التالي:
كسب الجهد ل HPF
Vout/Vin = Amax1 * (f/fL) / √[1+(f/fL)²]
كسب الجهد لLPF
فوت / فين = Amax2 /√[1+(f/fH)²]
أماكس = أماكس1 * أماكس2
حيث 'Amax1' هو كسب مرحلة HPF و'Amax2'؛ هو مكسب مرحلة LPF.
تظهر استجابة مرشح النطاق العريض أدناه.
مرشح تمرير النطاق الضيق
إذا كانت قيمة عامل الجودة أعلى من عشرة، فسيكون نطاق التمرير ضيقًا وسيكون عرض النطاق الترددي أقل أيضًا. لذلك يُعرف هذا الفلتر باسم مرشح تمرير النطاق الضيق.
يستخدم هذا الفلتر مكونًا نشطًا واحدًا فقط مثل op-amp بدلاً من اثنين. يكون المضخم التشغيلي المستخدم في هذه الدائرة في تكوين مقلوب. يكون كسب المضخم التشغيلي في هذا الفلتر هو الحد الأقصى عند التردد المركزي 'fc'.
تظهر أدناه دائرة مرشح تمرير النطاق الضيق. يتم توفير الإدخال إلى محطة الإدخال المقلوبة في op-amp ثم يُعرف op-amp في التكوين المقلوب. تعطي دائرة BPF الضيقة هذه استجابة BPF ضيقة.
كسب الجهد لدائرة الفلتر هذه هو AV = - R2 / R1
ترددات القطع لدائرة الفلتر هذه هي:
fC1 = 1 / (2π*R1*C1)
fC2 = 1 / (2π*R2*C2)
المميزات والعيوب
ال مزايا مرشح تمرير النطاق النشط تشمل ما يلي.
- يساعد هذا الفلتر في إرسال أو نقل إشارة نطاق التردد المفضل، وبالتالي فهو يساعد في توفير الطاقة.
- يساعد مرشح تمرير النطاق هذا في تصفية الإشارات بين نطاقي التردد.
تتضمن عيوب مرشحات تمرير النطاق النشطة ما يلي.
- يسمح مرشح تمرير النطاق النشط فقط لنطاق الترددات المفضل بالمرور من خلاله.
- يمكن أن تكون مقيدة بشكل مفرط، خاصة عند استخدامها مع نطاق ترددي ضيق. لذلك يؤدي هذا إلى فقدان محتوى ترددي كبير لجعل الصوت يبدو مجوفًا أو رقيقًا.
- هذه المرشحات باهظة الثمن.
- تحتوي هذه المرشحات على نظام تحكم معقد.
- لديهم نطاق محدود من التردد.
التطبيقات
تتضمن تطبيقات مرشحات تمرير النطاق النشط ما يلي.
- يستخدم مرشح تمرير النطاق النشط في العديد من التطبيقات البصرية مثل؛ الاتصالات عبر الأقمار الصناعية والاتصالات ونقل البيانات في تعديل الضوء.
- تُستخدم هذه المرشحات في الأجهزة الصوتية لعزل الترددات الموجودة في النطاق المسموع من 20 هرتز إلى 20 كيلو هرتز.
- يتم استخدام Active BPF في أنظمة الاتصالات اللاسلكية لتصفية الإشارات والضوضاء غير المرغوب فيها لتعزيز التميز في الاتصال.
- تُستخدم هذه المرشحات في الضبط والقفل عالي السرعة لأشعة الليزر الحلقية EDF.
- يُستخدم هذا النوع من BPF لتسوية طيف التشغيل/التشغيل لمصادر الفلورسنت الفائقة EDF.
- يستخدم هذا الفلتر في جهاز إرسال الإشارة واستقبال الإشارة في نظام الاتصالات اللاسلكية.
- يتم استخدامها في أنظمة الصوت الحالية مثل نظام الاستريو وأنظمة السماعات الموزعة ونظام موسيقى Dolby وما إلى ذلك.
- يستخدم هذا النوع من المرشحات للتحكم في التردد في دوائر معادل الصوت، الليزر، ليدار وأنظمة الاتصالات السونار.
- يُستخدم هذا في الأجهزة الطبية مثل تخطيط القلب وفي علم الأعصاب لجمع البيانات وتحليلها.
أين يتم استخدام مرشح تمرير النطاق النشط؟
يُستخدم مرشح تمرير النطاق النشط في مجال الاتصالات ويستخدم أيضًا في نطاق التردد الصوتي من 0 كيلو هرتز إلى 20 كيلو هرتز لأجهزة المودم ومعالجة الكلام. وتستخدم هذه عادة في أجهزة الإرسال والاستقبال اللاسلكية
ما هو الفرق بين مرشح تمرير النطاق النشط والسلبي؟
تعمل المرشحات النشطة بمصدر طاقة بينما لا تحتاج المرشحات السلبية إلى مصدر طاقة. يتغير مخرج المرشح السلبي مع الحمل بينما يحافظ المرشح النشط على أدائه بغض النظر عن الحمل المتصل.
ما هي وظيفة النقل لمرشح تمرير الموجة؟
يمكن وصف سلوك مرشح تمرير النطاق رياضيًا باستخدام دالة النقل. هذه وظيفة معقدة تربط إشارات الإدخال والإخراج الخاصة بالمرشح. لذلك يتم إعطاء T.F بواسطة H(ω) = Vout(ω) / Vin(ω).
ما هي وظيفة نقل الفلتر؟
وظيفة نقل المرشح هي التحويل Z لاستجابته النبضية. ويشمل المعادلات التربيعية كاملة داخل كل من البسط والمقام. إنه يوفر القاعدة لتنفيذ خصائص تحقيق التمرير المنخفض والتمرير العالي والتردد الفردي ورفض النطاق.
Y(z) = H(z)X(z) =( h(1)+h(2)z−1+⋯+h(n+1)z−n)X(z).
وبالتالي، هذه نظرة عامة على النشاط مرشح تمرير الموجة، الدائرة، العمل وأنواعها وتطبيقاتها. تعد مرشحات تمرير النطاق النشطة مكونات مهمة داخل الدوائر الإلكترونية لتمرير نطاق معين من الترددات بشكل انتقائي مع تخفيف الترددات الأخرى. توفر هذه المرشحات العديد من الفوائد مثل الدقة العالية والكسب. تُستخدم BPFs النشطة بشكل شائع في نظم الاتصالات بالإضافة إلى التطبيقات القائمة على معالجة الإشارات حيث يكون الاستقرار والدقة العالية ضروريين كما هو الحال في أجهزة الاستقبال الراديوية. وتستخدم هذه في مجموعة متنوعة من التطبيقات، والهندسة الصوتية والطبية الحيوية والاتصالات الراديوية. هنا سؤال لك، ما هو مرشح تمرير النطاق السلبي؟
