Фильтрация

Одним из методов локализации опасных сигналов, циркулирующих в технических средствах и системах обработки информации, является фильтрация. В источниках электромагнитных полей и наводок фильтрация осуществляется с целью предотвращения распространения нежелательных электромагнитных колебаний за пределы устройства – источника опасного сигнала. Фильтрация в устройствах – рецепторах электромагнитных полей и наводок – должна исключить их воздействие на рецептор.

В системах и средствах информатизации и связи фильтрация может осуществляться в:

– высокочастотных трактах передающих и приемных устройств для подавления нежелательных излучений – носителей опасных сигналов – и исключения возможности их нежелательного приема;

– различных сигнальных цепях технических средств для устранения нежелательных связей между устройствами и исключения прохождения сигналов, отличающихся по спектральному составу от полезных сигналов;

– цепях электропитания, управления, контроля, коммутации технических средств для исключения прохождения опасных сигналов по этим цепям;

– проводных и кабельных соединительных линиях для защиты от наводок;

– цепях пожарной и охранной сигнализации для исключения прохождения опасных сигналов и воздействия навязываемых высокочастотных колебаний.

Одна из возможных схем фильтрации опасных сигналов, создаваемых или воспринимаемых техническим средством по различным цепям, представлена на рис. 4.12.

Рис. 4.12. Обобщенная схема фильтрации

Фильтрация в различных цепях осуществляется с помощью фильтров, дросселей и трансформаторов.

В целях фильтрации в технических средствах систем информатизации и связи широко используют различные фильтры (нижних и верхних частот, полосовые, заграждающие и т. д.). Основное назначение фильтра – пропускать без значительного ослабления сигналы с частотами, лежащими в рабочей полосе, и подавлять сигналы с частотами, лежащими за пределами этой полосы.

Количественно эффективность ослабления (фильтрации) нежелательных (в том числе и опасных) сигналов защитным фильтром оценивается в соответствии с выражением

(4.8)

где U₁(P₂) – напряжение (мощность) опасного сигнала на входе фильтра;

U₂(P₂) – напряжение (мощность) опасного сигнала на выходе фильтра при включенной нагрузке.

Основные требования, предъявляемые к защитным фильтрам, заключаются в следующем:

– величины рабочих напряжения и тока фильтра должны соответствовать величинам напряжения и тока цепи, в которой фильтр установлен;

– эффективность ослабления нежелательных сигналов должна быть не меньше заданной в защищаемом диапазоне частот;

– ослабление полезного сигнала в полосе прозрачности фильтра должно быть незначительным, не влияющим на качество функционирования системы;

– габариты и масса фильтров должны быть, по возможности, минимальными;

– фильтры должны обеспечивать функционирование при определенных условиях эксплуатации (температура, влажность, давление, удары, вибрация и т. д.);

– конструкции фильтров должны соответствовать требованиям техники безопасности.

К фильтрам цепей питания наряду с общими предъявляются следующие дополнительные требования:

– затухание, вносимое такими фильтрами в цепи постоянного тока или переменного тока основной частоты, должно быть незначительным (например 0,2 дБ и менее) и иметь большое значение (более 60 дБ) в полосе подавления, которая в зависимости от конкретных условий может быть достаточно широкой (до 10¹⁰ Гц);

– сетевые фильтры должны эффективно работать при больших проходящих токах, высоких напряжениях и высоких уровнях мощности рабочих и подавляемых электромагнитных колебаний;

– ограничения, накладываемые на допустимые уровни нелинейных искажений формы напряжения питания при максимальной нагрузке, должны быть достаточно жесткими (например уровни гармонических составляющих напряжения питания с частотами выше 10 кГц должны быть на 80 дБ ниже уровня основной гармоники).

Фильтры нижних частот. Фильтр, у которого полоса прозрачности находится в пределах от w=0 (постоянный ток) до некоторой граничной частоты w_n, называется фильтром нижних частот (ФНЧ) (рис. 4.13, а).

Полоса прозрачности (пропускания) фильтра – полоса частот, в которой ослабление сигнала фильтром составляет не более 3 дБ.

Фильтры верхних частот. Фильтр, у которого полоса прозрачности занимает все частоты выше некоторой определенной граничной частоты w_n, называется фильтром верхних частот (ФВЧ). В таком фильтре постоянный ток и все колебания с частотами ниже определенной граничной частоты должны задерживаться, а колебания частот w>w_n – пропускаться (рис. 4.13, б).

Полосовые фильтры. Полосовые фильтры (ПФ) характеризуются тем, что обе частоты w_n1, и w_n2 ограничивающие полосу прозрачности, конечны и ни одна из них не равна нулю (рис. 4.13, в).

В ряде случаев ставится задача задержания определенной полосы частот и в то же время пропускания всех остальных частот. Такая задача решается заграждающим фильтром (ЗФ) (рис. 4.13, г).

С точки зрения конструктивного исполнения фильтры могут быть выполнены на элементах с сосредоточенными параметрами (фильтры, предназначенные для работы на частотах до 300 МГц) и на элементах с распределенными параметрами (коаксиальные, волноводные, полосковые, применяемые на частотах выше 1 ГГц). В диапазоне частот 300 МГц…1 ГГц могут использоваться фильтры, включающие элементы как с сосредоточенными, так и с распределенными параметрами.

Разделительные трансформаторы. Должны обеспечивать развязку первичной и вторичной цепей по сигналам наводки. Это означает, что во вторичную цепь трансформатора не должны проникать наводки, появляющиеся в цепи первичной обмотки. Проникновение наводок во вторичную обмотку объясняется наличием нежелательных резистивных и емкостных цепей связи между обмотками.

а)	б)
в)	г)
Рис. 4.13. Амплитудно-частотные характеристики ФНЧ (а), ФВЧ (б), ПФ (в), ЗФ (г)

Для уменьшения связи обмоток по сигналам наводок часто применяется внутренний экран, выполняемый в виде заземленной фольги, укладываемой между первичной и вторичной обмотками. С помощью этого экрана наводка, действующая в первичной обмотке, замыкается на землю.

Разделительные трансформаторы используются с целью решения ряда задач, в том числе для:

– разделения по цепям питания источников и рецепторов наводки, если они подключаются к одним и тем же шинам переменного тока;

– устранения асимметричных наводок;

– ослабления симметричных наводок в цепи вторичной обмотки, обусловленных наличием асимметричных наводок в цепи первичной обмотки.