المرشحات الإلكترونية: الأنواع، التصميم، والتطبيقات

تتحكم المرشحات الإلكترونية في أي ترددات الإشارة تمر عبر الدائرة وأيها تقلل. تقوم بتنظيف الإشارات عن طريق إزالة الضوضاء غير المرغوب فيها مع الحفاظ على أجزاء التردد المفيدة.

نظرة عامة على المرشحات الإلكترونية 

المرشح الإلكتروني هو دائرة تتحكم في ترددات الإشارة المسموح لها بالمرور وأيها يتم تقليلها أو حجبها. لا يولد إشارات جديدة أو يزيد من قوة الإشارة. بدلا من ذلك، يشكل إشارة موجودة من خلال إدارة محتوى التردد بحيث تستمر الأجزاء المطلوبة فقط عبر الدائرة.

المرشحات الإلكترونية بسيطة لأن معظم الإشارات تحتوي على ترددات غير مرغوب فيها بالإضافة إلى ترددات مفيدة. يمكن للضوضاء والتداخل أن يؤثروا على سلوك الدائرة ويقلل من الأداء العام. بإزالة هذه الأجزاء غير المرغوب فيها، تساعد المرشحات الإلكترونية في الحفاظ على استقرار الإشارات وشفافيتها وملائمة للمرحلة التالية من المعالجة في الأنظمة الإلكترونية.

مبادئ التشغيل للمرشحات الإلكترونية

تعمل المرشحات الإلكترونية باستخدام مكونات تتفاعل بشكل مختلف مع ترددات مختلفة. تتحكم هذه التفاعلات في مقدار الإشارة المسموح بها بالمرور عبر الدائرة.

تقدم المكثفات مقاومة أقل مع زيادة التردد، بينما توفر المحاثات مقاومة أكبر مع زيادة التردد. تساعد المقاومات في التحكم في استقرار الإشارة وتقليل التغيرات غير المرغوب فيها. تشكل هذه العناصر كيف تتغير الإشارة عبر الترددات.

تظهر استجابة التردد كيف يؤثر المرشح على قوة الإشارة عند ترددات مختلفة. يحدد نطاق المرور، حيث تسمح الإشارات بمرورها، ونطاق التوقف حيث يتم تقليل الإشارات، ونطاق الانتقال بينها.

أنواع المرشحات الإلكترونية المبنية على استجابة التردد

مرشحات التمرير المنخفض

دائرة LPF نشطة من الدرجة الأولى

مرشح التمرير المنخفض النشط من الدرجة الأولى هو دائرة تسمح بمرور الإشارات منخفضة التردد مع تقليل الإشارات ذات الترددات العالية. تمر إشارة الإدخال أولا عبر مقاومة ومكثف. عند الترددات المنخفضة، يكون للمكثف تأثير ضئيل، لذا تستمر معظم الإشارة للأمام. مع زيادة التردد، يوجه المكثف المزيد من الإشارة إلى الأرض، مما يضعف الإشارة قبل أن تصل إلى مضخم العمليات.

مضخم العمليات يقوي الإشارة المصفاة ويحافظ على استقرار الإخراج. مقاومتان في مسار التغذية الراجعة تتحكمان في مقدار تضخيم الإشارة. يسمح هذا الإعداد بضبط مقدار الكسب دون تغيير طريقة عمل إجراء التصفية. توصيلات الطاقة المعروضة تزود مضخم التشغيل ليعمل بشكل صحيح.

إخراج LPF

يبقى خرج مرشح التمرير المنخفض ثابتا عند الترددات المنخفضة، مما يعني أن الإشارة تمر عبر الإشارة دون تغيير طفيف أو بدون تغيير. في هذا النطاق، تبقى نسبة جهد الخرج إلى جهد الإدخال شبه ثابتة، مما يدل على أن الإشارات منخفضة التردد مسموح لها بالاستمرار عبر الدائرة.

مع اقتراب التردد من نقطة القطع، يبدأ الإخراج في الانخفاض. بعد هذا التردد، يصبح مستوى الخرج صغيرا جدا، مما يشير إلى أن الإشارات ذات التردد الأعلى تنخفض بشكل كبير. يفسر هذا السلوك كيف يحتفظ مرشح التمرير المنخفض بإشارات منخفضة التردد مفيدة مع الحد من المحتوى غير المرغوب فيه عالي التردد.

مرشحات التمرير العالي

دائرة مرشح التمرير العالي

يسمح مرشح تمرير عالي نشط من الدرجة الأولى بمرور الإشارات عالية التردد مع تقليل الإشارات منخفضة التردد. تمر إشارة الإدخال أولا عبر مكثف، الذي يمنع الإشارات البطيئة التغير أو الثابتة. مع زيادة التردد، يسمح المكثف بتحرك المزيد من الإشارة نحو مدخل المضخم التشغيلي.

المقاومة المتصلة بالأرض تحدد كيفية تفاعل المكثف مع الترددات المختلفة وتساعد في تحديد نقطة القطع. عند الترددات المنخفضة، يتم حجب معظم الإشارة، لذا يصل القليل جدا إلى مضخم العمليات (op-amp). عند الترددات العالية، تصل الإشارة إلى مضخم العمليات بسهولة أكبر وتظهر عند المخرج.

خرج التردد لمرشح تمرير عالي

يبقى خرج التردد في مرشح التمرير العالي منخفضا جدا عند الترددات المنخفضة، مما يعني أن تلك الإشارات تقل ولا تمر من خلالها. في هذا النطاق، يكون الناتج مقارنة بالمدخل قريبا من الصفر، مما يدل على أن الإشارات البطيئة أو المستقرة قد تم حجبها.

بمجرد وصول التردد إلى نقطة القطع، يرتفع مستوى الإخراج ويصبح ثابتا. فوق هذا التردد، يبقى الخرج شبه ثابت، مما يعني أن الإشارات ذات الترددات الأعلى تمر دون تغيير طفيف. 

مرشح تمرير النطاق

تسمح دائرة مرشح تمرير النطاق فقط بمرور نطاق محدد من الترددات مع تقليل الترددات المنخفضة والأعلى. تعمل المرحلة الأولى كمرشح تمرير عالي، حيث يحد المكثف والمقاومة من الإشارات منخفضة التردد بحيث تستمر المكونات ذات التردد الأعلى فقط في التقدم.

تعمل المرحلة الثانية كمرشح تمرير منخفض، حيث يقوم مقاوم ومكثف آخر بتقليل الإشارات عالية التردد. معا، تشكل هاتان المرحلتان نافذة تردد تمرر الإشارات بين تردد قطع أقل وتردد قطع أعلى.

فلتر توقف النطاق 3.4

تعمل دائرة فلتر توقف النطاق على تقليل الإشارات ضمن نطاق تردد محدد مع السماح بمرور الترددات المنخفضة والأعلى من خلالها. تخلق شبكات المقاومات والمكثفات مسارا يعتمد على التردد يستهدف نطاقا ضيقا من الترددات للتوهين.

عند الترددات الأقل من النطاق المرفوض، تنتقل الإشارة عبر الدائرة دون تغيير طفيف. عندما يدخل التردد نطاق التوقف، تعمل المكونات التفاعلية معا لإضعاف الإشارة. عندما يرتفع التردد فوق هذا النطاق، يرتفع مستوى الإشارة مرة أخرى.

مقارنة المرشحات الإلكترونية السلبية والنشطة

ترتيب المرشحات والانحناء في المرشحات الإلكترونية

كما تصنف المرشحات الإلكترونية حسب ترتيبها، الذي يصف مدى قوتها في تقليل الترددات غير المرغوب فيها بعد نقطة القطع. مع زيادة ترتيب المرشح، ينخفض مستوى الإشارة بسرعة أكبر خارج نطاق المرور، مما يخلق فصلا أوضح بين الترددات المسموح بها والمحجوبة. يؤثر هذا على مدى سلاسة أو حدة الانتقال بين الإشارات المفيدة والمرفوضة.

هياكل دوائر المرشح النشطة في المرشحات الإلكترونية

تستخدم هياكل دوائر المرشح النشطة مضخم عمليات مع مقاومات ومكثفات للتحكم في كيفية مرور الترددات المختلفة عبر مسار الإشارة. تتدفق إشارة الإدخال أولا عبر المكثفات، التي تشكل استجابة التردد من خلال السماح باستمرار بعض تغييرات الإشارة مع تقييد تغييرات أخرى قبل الوصول إلى المضخم العملياتي.

المضخم يزيد من قوة الإشارة ويحافظ على استقرار الإخراج. المقاومات المتصلة حول مضخم العمليات تضبط الكسب وتساعد في التحكم في سلوك الفلتر. تسمح هذه المسارات للتغذية الراجعة للدائرة بالحفاظ على استجابة متوقعة عبر نطاق التردد المطلوب.

المرشحات الإلكترونية التناظرية والرقمية

تطبيقات المرشحات الإلكترونية في الأنظمة العملية

• أنظمة الصوت – تتحكم المرشحات الإلكترونية في الترددات المنخفضة والمتوسطة والعالية لموازنة إخراج الصوت وتقليل الضوضاء الخلفية، مما يحسن وضوح الإشارة.

• أنظمة الاتصالات – تختار المرشحات نطاق التردد المطلوب مع تقليل التداخل من القنوات المجاورة، مما يساعد في الحفاظ على نقل الإشارة بوضوح وموثوق.

• الإلكترونيات الصناعية – تصفي مخرجات المستشعرات بسلاسة عن طريق إزالة التقلبات المفاجئة والضوضاء الكهربائية، مما يؤدي إلى قياسات أكثر استقرارا ودقة.

• الأجهزة الطبية – تزيل المرشحات التداخل الكهربائي غير المرغوب فيه من الإشارات البيولوجية، مما يسمح بمراقبة الإشارات المستقرة والقابلة للقراءة لتشغيل النظام بشكل صحيح.

نصائح التصميم والأخطاء التي يجب تجنبها في الفلاتر الإلكترونية

الخاتمة 

تلعب المرشحات الإلكترونية دورا رئيسيا في تشكيل الإشارات من خلال إدارة محتوى التردد. فهم مبادئ التشغيل، وأنواع المرشحات، والترتيب، والانحناء الدائري، وهياكل الدوائر يساعد في تفسير كيفية تصرف المرشحات في الأنظمة الحقيقية. مقارنة التصاميم السلبية والنشطة، بالإضافة إلى المرشحات التناظرية والرقمية، تظهر فروقا أساسية في الأداء والتحكم، بينما تساعد ممارسات التصميم الصحيحة في الحفاظ على نتائج مستقرة ومتوقعة.

الأسئلة الشائعة [الأسئلة الشائعة]

كيف يتم ضبط تردد القطع؟

يتم ضبط تردد القطع بواسطة قيم المقاومات والمكثفات أو المحثات في الدائرة. يحدد النقطة التي يبدأ فيها الإشارة الخارجة في الانخفاض مقارنة بالإدخال.

ما هو المرشح المثالي؟

المرشح المثالي يمرر الترددات المسموح بها دون فقدان ويمنع تماما الترددات غير المرغوب فيها. في الدوائر الحقيقية، لا يمكن تحقيق هذا السلوك بشكل مثالي بسبب حدود المكونات الفيزيائية.

هل تؤثر تغيرات درجة الحرارة على الفلاتر؟

نعم، يمكن أن تغير درجات الحرارة أن يغير خصائص المقاومة، والمكثف، والمضخم. يمكن أن يغير هذا قليلا تردد القطع، والكسب، واستقرار الفلتر.

ما الذي يسبب تشويه المرشح؟

يمكن أن ينتج تشوه المرشح عن عرض نطاق محدود للمضخم، أو سلوك المكونات غير الخطي، أو مزودات طاقة غير مستقرة. تشغيل المرشح بالقرب من حدود تردده يمكن أن يزيد أيضا من التشوه.

لماذا يحتاج التخزين المؤقت؟

يستخدم التخزين المؤقت لعزل مراحل التصفية حتى لا تغير مرحلة من سلوك أخرى. يساعد ذلك في الحفاظ على الاستجابة الترددية المقصودة ومستوى الإشارة.

هل يمكن تعديل الفلاتر بعد البناء؟

نعم، يمكن ضبط المرشحات باستخدام مكونات متغيرة في الدوائر التناظرية. في المرشحات الرقمية، تجرى التعديلات عن طريق تغيير معلمات البرمجيات بدلا من الأجهزة.