المرشحات النشطة في الاتصالات Active Filters

تستخدم دوائر الترشيح في مجموعة متنوعة من التطبيقات، وفي مجال الاتصالات تُستخدم مرشحات تمرير النطاق في نطاق التردد الصوتي، أي من “0 كيلو هرتز” إلى “20 كيلو هرتز” لأجهزة المودم ومعالجة الكلام، كما تُستخدم مرشحات تمرير النطاق عالي التردد عدة مئات من “MHz” لاختيار القناة في مكاتب الهاتف المركزية.

ما هي المرشحات النشطة

المرشحات النشطة: هي عبارة عن دوائر تستخدم مضخماً تشغيلياً (op amp) كجهاز نشط بالاشتراك مع بعض المقاوماتوالمكثفات لتوفير أداء مرشح يشبه “LRC” عند الترددات المنخفضة.

• “LRC” هي اختصار لـ “inductance, resistance, and capacitance”.

• “op amp” هي اختصار لـ “operational amplifier”.

أساسيات المرشحات النشطة

تتطلب أنظمة الحصول على البيانات عادةً مرشحات تمرير منخفضة مضادة للتعرج بالإضافة إلى مرشحات ضوضاء منخفضة التمرير في مراحل تكييف الإشارة السابقة، وغالباً ما تستخدم مصادر طاقة النظام مرشحات رفض النطاق لقمع تردد خط “60 هرتز” وعابرات التردد العالي، كما يتمتع مرشح التمرير بكسب ثابت عبر نطاق التردد بأكمله واستجابة طور تتغير خطياً مع التردد، وبسبب هذه الخصائص يتم استخدام مرشحات المرور بالكامل في تعويض الطور ودوائر تأخير الإشارة.

والمرشح يُعبر بأنّه “n / w” كهربائي في أي نظرية دارة يستعمل لتعديل إمّا طور أو سعة خصائص الإشارة فيما يتعلق بترددها، ومن الناحية المثالية لن يتضمن هذا أي تردد جديد لـ “i / p” ولن يعدل مكون التردد لتلك الإشارة، كما يستخدم المرشح النشط مضخمات تشغيلية إلى جانب المكونات الإلكترونية المختلفة مثل المقاومات والمكثفات للترشيح، ويتم استخدام “Op-Amps” للإمكانية بعمل الكثير من أنواع المرشحات النشطة.

يقوم المضخم بإيقاف مقاومة الحمل من التأثير على خصائص المرشح، وشكل الاستجابة وعامل الازدواجية والتردد المضبوط ويمكن غالباً ضبطه باستخدام مقاومات متغيرة غير مكلفة، وفي دوائر التصفية هذه يمكن تغيير خاصية واحدة دون إتلاف الأخرى، ومنذ أن تم اعتماد مبادئ العودة الأساسية في حوالي عام 1970م تم إجراء الكثير من الأبحاث باستخدام هذه المرشحات وتطبيقاتها الواقعية.

أنواع المرشحات النشطة

أولاً: مرشح Chebyshev

يُطلق على مرشح “Chebyshev” النشط أيضاً اسم مرشح تموج متساوي، كما إنّه يعطي قطعاً أكثر حدة من مرشح “Butterworth” في شريط التمرير، ويُظهر كل من مرشحي “Chebyshev” و”Butterworth” تحولات طور كبيرة قريبة من تردد القطع، وعيب مرشح “Chebyshev” هو السطح الخارجي للكسب الأدنى والحد الأعلى تحت تردد القطع، والمعلمة القابلة للضبط في تصميم المرشح يتم التعبير عن تموج الكسب بالديسيبل.

يوفر استخدام هذه المرشحات انحداراً أكثر حدة ولكن له تموج في نطاق التمرير لذلك لا يتم استخدامه في أنظمة الصوت، وعلى الرغم من أنّه أفضل بكثير في بعض التطبيقات، حيث لا يتوفر سوى تردد واحد في نطاق التمرير إلّا أنّ هناك حاجة إلى العديد من الترددات الأخرى للتخلص منها.

ثانياً: مرشح بتروورث النشط

يُطلق على مرشح “Butterworth” النشط أيضاً اسم مرشح مسطح، ويحقق استعمال مرشح “Butterworth” النشط استجابة مسطحة في نطاق التمرير وتغيير وافر، وتقارب هذه المجموعة من المرشحات مناسبة للمرشح المثالي في نطاق التمرير وكما يتم عرض منحنيات استجابة التردد لأنواع مختلفة من المرشحات، ويتضمن هذا المرشح سعة مسطحة بشكل أساسي واستجابة تردد حتى تردد القطع.

ومن الشائع أن تستعمل جميع المرشحات الثلاثة زاوية تدفق تبلغ “-40 ديسيبل / عقد” عند ترددات أعلى بكثير من القطع، وهذا المرشح له خاصية مميزة في مكان ما بين مرشحات “Chebyshev” و”Bessel” ولها انقلاب معقول للقطع واستجابات طور غير خطية إلى حد ما، وهذا النوع من المرشحات جيد وسهل الفهم ومناسبة لتطبيقات معالجة الصوت.

ثالثاً: مرشح بيسل Bessel

مرشح “Bessel”: هو مرشح يعطي خاصية مرحلة مثالية مع استجابة طور خطي تقريباً تصل إلى تردد قطع تقريباً وعلى الرغم من أنّه يتضمن استجابة طور خطية للغاية ولكن منحدر تنورة لطيف للغاية، كما تتضمن تطبيقات هذا المرشح، حيث تكون خاصية المرحلة مهمة، وإنه تحول طوري صغير على الرغم من أنّ خصائص القطع الخاصة به ليست ذكية جداً وإنّه مناسب تماماً لتطبيقات النبض.

يُظهر مرشح “Bessel” تأخير انتشار ثابتاً عبر طيف التردد “i / p” لذا فإنّ تطبيق موجة مربعة على مدخلات المرشح سيعطي موجة مربعة على “o / p” مع عدم تجاوز، وعلاوة على ذلك سينتظر أي مرشح ترددات مختلفة بكميات مختلفة وسيظهر هذا على أنّه تجاوز على شكل الموجة “o / p”.

رابعاً: المرشح بيضاوي الشكل

المرشح البيضاوي: هو مرشح أكثر تعقيداً مثل مرشح “Chebyshev”، و يتضمن تموجاَ في شريط التمرير وتدحرجاً شديداً على حساب تموج في شريط التوقف، ويحتوي هذا المرشح على كل مرشح في منطقة التحويل ولكنّه يحتوي على مناطق نطاق التوقف ونطاق المرور، كما يمكن تصميم هذا المرشح ليحظى باهتمام كبير بترددات معينة في نطاق التوقف ممّا يقلل من توهين الترددات الإضافية في نطاق التوقف.

أنواع المرشحات وفقاً لنوع الترددات

• تعمل مرشحات التمرير المنخفض على توهين أو كبت الإشارات فوق تردد قطع معين، وعلى سبيل المثال يمكن لمرشح الترددات المنخفضة “LPF” بتردد قطع يبلغ “50 هرتز” القضاء على الضوضاء بتردد “70 هرتز”.

• تقوم مرشحات التمرير العالي بقمع أو توهين الإشارات ذات الترددات الأقل من تردد معين والتي تسمى أيضًا القطع أو التردد الحرج، وعلى سبيل المثال يمكن استخدام مرشح التمرير العالي “HPF” بتردد قطع يبلغ “100 هرتز” لقمع جهد التيار المستمر غير المرغوب فيه في أنظمة مكبر الصوت إذا رغبت في ذلك.

• توجد مرشحات تمرير النطاق في دوائر التلفاز والراديو، وتعمل على إضعاف أو قمع الإشارات بترددات خارج نطاق الترددات.

• تعمل مرشحات رفض النطاق أو الشق على إضعاف أو كبت الإشارات بنطاق من الترددات وعلى سبيل المثال “50 هرتز” – “150 هرتز”.

مزايا المرشحات النشطة

• هذه المرشحات أكثر منطقية من المرشحات السلبية.

• الجهاز المعتمد في هذه المرشحات أصغر من المكونات المستخدمة في المرشحات السلبية.

• لا يُظهر المرشح النشط أي فقد في الإدراج.

• كما يسمح بالعزل بين المراحل للتحكم في مقاومة “i / p” و”o / p”.

تطبيقات المرشحات النشطة

• تُعتمد المرشحات النشطة في أنظمة الاتصال لقمع الضوضاء، لعزل اتصال الإشارة من قنوات مختلفة لتحسين إشارة الرسالة الفريدة من إشارة معدلة.

• يتم استعمال هذه المرشحات في أنظمة الأجهزة من قبل المصممين لتحديد جهاز التردد المراد وفصل غير المرغوب فيه.

• يمكن استخدام هذه المرشحات للحد من عرض النطاق الترددي للإشارة التماثلية قبل تغييرها إلى الإشارات الرقمية.

• يستخدم المهندسون المرشحات التماثلية في أنظمة الصوت لإرسال ترددات متنوعة إلى مضخمات مختلفة، وعلى سبيل المثال في صناعة الموسيقى هناك حاجة إلى تطبيقات التسجيل والتشغيل للتحكم في مكونات التردد.

• تُستخدم المرشحات النشطة في الأدوات الطبية الحيوية لايصال أجهزة الاستشعار النفسية بمعدات التشخيص وتسجيل البيانات.