فهم أنواع المرشحات الإلكترونية وتصميمها وتطبيقاتها

المرشحات الإلكترونية هي دوائر تتحكم في الترددات التي تمر وأيها محظورة ، مما يحافظ على الإشارات واضحة وموثوقة. يتم استخدامها في أنظمة الطاقة وأجهزة الصوت وروابط الاتصال والحصول على البيانات. توضح هذه المقالة أنواع عوامل التصفية والمصطلحات وعائلات الاستجابة وخطوات التصميم والتطبيقات بالتفصيل.

ج 1. نظرة عامة على الفلتر الإلكتروني  

ج 2. الأنواع الأساسية للمرشح الإلكتروني 

ج 3. تفاصيل مصطلحات التصفية  

ج 4. قطع أراضي Bode في المرشحات  

ج 5. ترتيب التصفية والتمرير  

ج 6. أساسيات الفلتر السلبي  

ج 7. أنواع عائلات استجابة المرشح  

ج 8. خصائص المرشح: f ₀ و BW و Q  

ج 9. خطوات عملية تصميم المرشح  

ج 10. تطبيقات المرشحات في الإلكترونيات  

ج 11. استنتاج  

ج 12. الأسئلة المتكررة 

نظرة عامة على الفلتر الإلكتروني

المرشح الإلكتروني هو دائرة تتحكم في أجزاء الإشارة التي يتم الاحتفاظ بها وأيها يتم تقليلها. إنه يعمل عن طريق السماح للترددات المفيدة بالمرور مع إضعاف الترددات غير المطلوبة. في أنظمة الطاقة ، تزيل المرشحات الضوضاء غير المرغوب فيها وتحافظ على إمدادات كهرباء ثابتة. في الصوت ، يقومون بضبط جودة الصوت والنطاقات المنفصلة ، مثل الجهير والثلاثية. في الاتصال، تساعد المرشحات الإشارات على البقاء واضحة ودقيقة. بدونها ، لن تعمل العديد من الأنظمة بسلاسة أو موثوقية.

الأنواع الأساسية للمرشح الإلكتروني

مرشح التمرير المنخفض (LPF)

يمرر LPF إشارات أقل من تردد القطع ويخفف من الإشارات الأعلى. يعمل على تنعيم مخرجات مصدر الطاقة ، ويزيل الضوضاء في الصوت ، ويمنع التعرج في الدوائر الرقمية. مرشح RC البسيط هو مثال شائع.

مرشح التمرير العالي (HPF)

يمر HPF الترددات فوق القطع ويمنع الترددات السفلية. يتم استخدامه في الصوت لمكبرات الصوت ، وفي اقتران التيار المتردد لإزالة إزاحة التيار المستمر ، وفي الأدوات لتقليل الانجراف. مكثف السلسلة عند إدخال مكبر الصوت هو شكل أساسي.

مرشح تمرير النطاق (BPF)

يسمح BPF فقط لنطاق تردد مختار بالمرور مع رفض الآخرين. إنه ضروري في أجهزة استقبال الراديو والاتصالات اللاسلكية والأجهزة الطبية مثل تخطيط القلب. تعد الدائرة المضبوطة LC في أجهزة راديو FM مثالا كلاسيكيا.

مرشح توقف النطاق / الشق (BSF)

يخفف BSF نطاقا ضيقا من الترددات أثناء تمرير الترددات الأعلى والأسفل. يزيل الطنين في الصوت ، ويلغي التداخل في الاتصال ، ويرفض الضوضاء في الأدوات. مرشح الشق المزدوج T هو تصميم معروف.

تصفية مصطلحات التفاصيل

نطاق المرور

نطاق المرور هو نطاق التردد الذي يسمح المرشح بالمرور عبره بأقل توهين. على سبيل المثال ، في الاتصالات الهاتفية ، يتم الحفاظ على النطاق الصوتي من 300 هرتز إلى 3.4 كيلو هرتز بحيث يظل الكلام واضحا. يضمن نطاق المرور العريض والمسطح أن تحافظ الإشارات المطلوبة على قوتها وجودتها الأصلية.

سوقفة

نطاق التوقف هو نطاق الترددات التي يخففها المرشح بشدة لمنع الإشارات أو الضوضاء غير المرغوب فيها. هذه المنطقة أساسية في منع التداخل أو التشويه أو التعرج من تلويث الإشارة المفيدة. كلما كان توهين نطاق التوقف أعمق ، زادت فعالية المرشح في رفض الترددات غير المرغوب فيها.

تردد القطع (fc)

يحدد تردد القطع الحد الفاصل بين نطاق المرور ونطاق التوقف. في معظم تصميمات المرشح ، مثل مرشح بتروورث ، يتم تعريفه على أنه التردد الذي تنخفض فيه الإشارة بمقدار -3 ديسيبل من مستوى نطاق المرور. تعمل هذه النقطة كمرجع لتصميم وضبط المرشحات لتلبية متطلبات النظام.

الفرقة الانتقالية

النطاق الانتقالي هو منطقة الانحدار حيث ينتقل خرج المرشح من نطاق المرور إلى نطاق التوقف. يشير النطاق الانتقالي الأضيق إلى مرشح أكثر وضوحا وانتقائيا، وهو أمر مرغوب فيه في تطبيقات مثل فصل القنوات في أنظمة الاتصالات. غالبا ما تتطلب التحولات الأكثر حدة تصميمات مرشحات أكثر تعقيدا أو دوائر ذات ترتيب أعلى.

مؤامرات Bode في المرشحات

حجم الرسم

يوضح مخطط الحجم كسب المرشح (بالديسيبل) مقابل التردد. في مرشح التمرير المنخفض ، على سبيل المثال ، تظل الاستجابة ثابتة حوالي 0 ديسيبل في نطاق المرور ، ثم تبدأ في التدحرج بعد تردد القطع ، مما يشير إلى توهين الترددات الأعلى. يعتمد انحدار هذا التدحرج على ترتيب المرشح: توفر المرشحات ذات الترتيب الأعلى انتقالات أكثر وضوحا بين نطاق المرور ونطاق التوقف. تسهل مخططات الحجم معرفة مدى جودة المرشح في حجب الترددات غير المرغوب فيها مع الحفاظ على النطاق المطلوب.

مؤامرة المرحلة

يوضح مخطط الطور كيف يغير المرشح طور الإشارات بترددات مختلفة. هذا مقياس لتأخير الإشارة. عند الترددات المنخفضة ، غالبا ما يكون إزاحة الطور ضئيلة ، ولكن مع زيادة التردد ، حول القطع ، يؤدي المرشح إلى مزيد من التأخير. تعد استجابة الطور أساسية في الأنظمة الحساسة للوقت مثل معالجة الصوت وروابط الاتصال وأنظمة التحكم ، حيث يمكن أن تؤثر أخطاء التوقيت الصغيرة على الأداء.

ترتيب التصفية والدحرجة

أساسيات المرشح السلبي

مرشحات RC

مرشحات RC هي أبسط تصميم سلبي ، باستخدام مقاوم ومكثف معا. الشكل الأكثر شيوعا هو مرشح التمرير المنخفض RC ، والذي يسمح للترددات المنخفضة بالمرور مع تخفيف الترددات الأعلى. يتم إعطاء تردد القطع الخاص به من خلال:

FC =

هذه هي الأفضل لتنعيم الإشارات في مصادر الطاقة ، وإزالة الضوضاء عالية التردد ، وتوفير تكييف الإشارة الأساسي في دوائر الصوت أو المستشعر.

مرشحات RL

تستخدم مرشحات RL مقاوما ومحثا ، مما يجعلها أكثر ملاءمة للدوائر التي تتعامل مع التيارات الأكبر. يمكن لمرشح التمرير المنخفض RL أن ينعم التيار في أنظمة الطاقة ، بينما يكون مرشح التمرير العالي RL فعالا في منع التيار المستمر أثناء تمرير إشارات التيار المتردد. نظرا لأن المحاثات تقاوم التغيرات في التيار ، غالبا ما يتم اختيار مرشحات RL في التطبيقات التي تكون فيها معالجة الطاقة وكفاءتها مهمة.

مرشحات RLC

تجمع مرشحات RLC بين المقاومات والمحاثات والمكثفات لإنشاء استجابات أكثر انتقائية. اعتمادا على كيفية ترتيب المكونات ، يمكن لشبكات RLC تكوين مرشحات مرور النطاق الترددي أو مرشحات الشق. هذه مطلوبة في ضبط مستقبلات الراديو والمذبذبات ودوائر الاتصال حيث تكون دقة التردد مهمة.

أنواع عائلات استجابة التصفية

مرشح بتروورث

يتم تقييم مرشح Butterworth لاستجابته السلسة والمسطحة لنطاق المرور بدون تموج. يوفر إخراجا طبيعيا وخاليا من التشويه ، مما يجعله ممتازا للصوت والتصفية. عيبه هو معدل التدحرج المعتدل مقارنة بالعائلات الأخرى ، مما يعني أنه أقل انتقائية عند الحاجة إلى قطع حاد.

مرشح بيسل

تم تصميم مرشح Bessel لدقة المجال الزمني ، مما يوفر استجابة طور خطية تقريبا والحد الأدنى من تشويه شكل الموجة. هذا يجعله أفضل لتطبيقات مثل اتصال البيانات أو الصوت ، حيث يلزم الحفاظ على شكل الإشارة. انتقائية التردد ضعيفة ، لذلك لا يمكنها رفض الإشارات غير المرغوب فيها القريبة بنفس الفعالية.

مرشح تشيبيشيف

يوفر مرشح Chebyshev تدحرجا أسرع بكثير من Butterworth ، مما يسمح بانتقالات أكثر حدة مع عدد أقل من المكونات. يحقق ذلك من خلال السماح بتموج متحكم فيه في نطاق المرور. على الرغم من كفاءتها ، يمكن أن تشوه التموج الإشارات الحساسة ، مما يجعلها أقل ملاءمة للصوت الدقيق.

مرشح بيضاوي الشكل

يوفر المرشح الإهليلجي النطاق الانتقالي الأكثر انحدارا لأقل عدد من المكونات ، مما يجعله فعالا للغاية لتطبيقات النطاق الضيق. المفاضلة هي تموج في كل من نطاق المرور ونطاق الإيقاف ، مما قد يؤثر على دقة الإشارة. على الرغم من ذلك ، غالبا ما تستخدم التصميمات الإهليلجية في أنظمة الترددات اللاسلكية والاتصالات حيث يلزم قطع حاد.

خصائص الفلتر: f ₀ و BW و Q

• التردد المركزي (f₀): هذا هو التردد الموجود في منتصف النطاق الذي يمر به المرشح أو يحظره. يتم العثور عليه عن طريق ضرب تردد القطع السفلي وتردد القطع العلوي ، ثم أخذ الجذر التربيعي.

• عرض النطاق الترددي (BW): هذا هو حجم النطاق بين ترددات القطع العلوية والسفلية. يعني النطاق الترددي الأصغر أن المرشح يسمح فقط بنطاق ضيق من الترددات ، في حين أن النطاق الترددي الأكبر يعني أنه يغطي المزيد.

• عامل الجودة (Q): يوضح هذا مدى حدة المرشح أو انتقائية. يتم حسابه بقسمة التردد المركزي على عرض النطاق الترددي. تعني قيمة Q الأعلى أن المرشح يركز بإحكام أكبر حول التردد المركزي ، بينما تعني قيمة Q المنخفضة أنه يغطي نطاقا أوسع.

خطوات عملية تصميم المرشح

• تحديد متطلبات مثل تردد القطع ، ومقدار التوهين المطلوب للإشارات غير المرغوب فيها ، والمستوى المقبول للتموج في نطاق المرور ، وحدود تأخير المجموعة. هذه المواصفات تضع الأساس للتصميم.

• اختر نوع المرشح حسب الهدف: التمرير المنخفض للسماح بالترددات المنخفضة ، والتمرير العالي للسماح بالترددات العالية ، وتمرير النطاق للسماح بنطاق ، أو توقف النطاق لمنع النطاق.

• اختر عائلة الاستجابة التي تناسب التطبيق على أفضل وجه. تقدم Butterworth نطاق مرور مسطح ، وتحافظ Bessel على دقة الوقت ، وتوفر Chebyshev تدحرجا أكثر حدة ، ويعطي Elliptic الانتقال الأكثر حدة بتصميم مضغوط.

• احسب ترتيب المرشح ، والذي يحدد مدى حدة توهين الترددات غير المرغوب فيها. توفر المرشحات ذات الترتيب الأعلى انتقائية أقوى ولكنها تتطلب المزيد من المكونات.

• حدد طوبولوجيا لتنفيذ التصميم. مرشحات RC السلبية بسيطة ، وتسمح مرشحات op-amp النشطة بالكسب والتخزين المؤقت ، وتستخدم مرشحات FIR أو IIR الرقمية على نطاق واسع في المعالجة الحديثة.

• محاكاة المرشح ووضع نموذج أولي له قبل بنائه. تساعد عمليات المحاكاة ومخططات Bode على تأكيد الأداء ، بينما تتحقق النماذج الأولية من أن المرشح يفي بالمتطلبات المحددة في الممارسة العملية.

تطبيقات المرشحات في الإلكترونيات

إلكترونيات الصوت

تعمل المرشحات على تشكيل الصوت في المعادلات وعمليات الانتقال وأجهزة المزج ودوائر سماعة الرأس. إنهم يتحكمون في توازن التردد ، ويحسنون الوضوح ، ويضمن تدفق الإشارة السلس في كل من معدات الصوت الاستهلاكية والمهنية.

أنظمة الطاقة

تعد المرشحات التوافقية ومرشحات قمع EMI ضرورية في محركات المحركات وأنظمة UPS ومحولات الطاقة. إنها تحمي المعدات الحساسة ، وتحسن جودة الطاقة ، وتقلل من التداخل الكهرومغناطيسي.

الحصول على البيانات

يتم استخدام المرشحات المضادة للتعرج قبل المحولات التناظرية إلى الرقمية (ADCs) لمنع تشويه الإشارة. في الأدوات الطبية الحيوية مثل شاشات مخطط كهربية الدماغ وتخطيط القلب ، تستخرج المرشحات إشارات ذات مغزى عن طريق إزالة الضوضاء غير المرغوب فيها.

الاتصالات

تعتبر مرشحات مرور النطاق وإيقاف النطاق أساسية في أنظمة التردد اللاسلكي. يحددون قنوات التردد في شبكة Wi-Fi والشبكات الخلوية والاتصالات عبر الأقمار الصناعية ، مما يتيح نقل الإشارات بشكل واضح مع رفض التداخل.

الخلاصة

تعتبر المرشحات أساسية في تشكيل الإشارات للحصول على صوت واضح وطاقة مستقرة وبيانات دقيقة واتصال موثوق. من خلال فهم أنواعها ومصطلحاتها وطرق تصميمها ، يصبح من الأسهل اختيار أو إنشاء عوامل تصفية تحافظ على دقة الأنظمة وفعاليتها.

الأسئلة المتكررة 

Q1. ما هو الفرق بين المرشحات النشطة والسلبية؟

تستخدم المرشحات النشطة مكبرات الصوت ويمكنها تضخيم الإشارات ، بينما تستخدم المرشحات السلبية المقاومات والمكثفات والمحاثات فقط دون أي ربح.

س 2. كيف تختلف المرشحات الرقمية عن المرشحات التناظرية؟

تعالج المرشحات التناظرية الإشارات المستمرة مع المكونات ، بينما تستخدم المرشحات الرقمية خوارزميات على الإشارات التي تم أخذ عينات منها في DSPs أو البرامج.

س 3. لماذا تستخدم المرشحات ذات الترتيب الأعلى في أنظمة الاتصالات؟

إنها توفر قطعا أكثر حدة ، مما يسمح بفصل أفضل للقنوات المتقاربة وتقليل التداخل.

س 4. ما هو دور المرشحات في أجهزة الاستشعار؟

تزيل المرشحات الضوضاء غير المرغوب فيها بحيث توفر المستشعرات إشارات نظيفة ودقيقة.

س 5. لماذا مطلوب استقرار المرشح؟

يمكن للمرشحات غير المستقرة أن تتأرجح أو تشوه الإشارات ، لذا فإن الاستقرار يضمن أداء موثوقا.

س 6. هل يمكن ضبط المرشحات؟

نعم. تعمل المرشحات القابلة للضبط على ضبط التردد أو التردد المركزي ، المستخدم في أجهزة الراديو والأنظمة التكيفية.