المرشحات الإلكترونية 

 

 

يغير المرشح الإلكتروني من الخصائص المطالية للإشارة بالنسبة لترددها، وفي الحقيقة لا يضيف المرشح أي ترددات جديدة لإشارة الدخل، ولا يغير من مكوناتها الترددية، بل يغير فقط مطالات المكونات الترددية المتعددة المحتواة في إشارة الدخل. وتستخدم المرشحات عادة في النظم الإلكترونية لتعزيز الإشارات في بعض المجالات الترددية وتأكيدها ومنع الإشارات في المجالات الأخرى. هذه المرشحات لها كسب في المطال Av (نسبة مطال جهد إشارة الخرج منسوباً إلى مطال جهد إشارة الدخل) يعتمد على تردد الإشارة. فعلى سبيل المثال، إذا كانت هناك إشارة مفيدة بتردد f1 مترافقة مع إشارة أخرى مزعجة وغير مرغوبة بتردد f2، فعند تمريرها في المرشح المبين في الشكل (2) والذي له كسب ضئيل جداً عند التردد f2 بالمقارنة مع الكسب العالي عند التردد f1، فيمكن القول: إنه قد تمت إزالة الإشارة ذات التردد f2 على خرج المرشح وبقيت الإشارة ذات التردد f1.

 

 

 

1ـ من حيث مجال التمرير للمرشح:

 

- مرشحات تمرير ترددات منخفضة low pass filter (LPF): وهي مرشحات تقوم بتمرير الإشارات الكهربائية ذات الترددات الممتدة من الصفر هرتز (دورة بالثانية) حتى تردد محدد معلوم fc يُسمي تردد القطع Cutoff frequency لهذا المرشح. تمرر الإشارة عملياً مع وجود تخميد بسيط جداً لها بحيث يمكن إهماله، وتقوم بمنع الإشارات الكهربائية ذات الترددات الأعلى من ذلك، والمنع هنا ليس مثالياً أيضاً بل يعني تخميداً للإشارات بنسبة كبيرة جداً، وتكون محددات المرشح على نحو رئيسي هي: تردد القطع fc، تردد المنع fs، والتخميد ضمن مجال المنع.

 

(أ) تمرير منخفض، (ب) تمرير عال (ج) تمرير المجال (د) منع المجال

 

يحدد مجال التمرير بالعلاقة: fc ≥ f ≥ 0 أي جميع الترددات الأكبر أو تساوي الصفر، والأصغر أو تساوي fe. أما مجال المنع فبالعلاقة: f ≥ fs، وهناك ما يسمى بمجال العبور، ويتحدد بالعلاقة: fc < f < fs. (الشكل 3- أ)، وهذا الشكل يمثل منحني تابع التحويل transfer function للمرشح، ويعطى بالعلاقة Av=H(f)=Voutput/Vinput مع تغير التردد f، نسبة مطال إشارة خرج المرشح إلى مطال إشارة دخله عند التردد المفروض f. نلاحظ من المنحني أن هذه النسبة قريبة جداً من الواحد في منطقة التمرير، وقريبة جداً من الصفر في منطقة المنع لهذا النوع من المرشحات.

 

- مرشحات تمرير ترددات عالية high- pass filter (HPF): وهي مرشحات تقوم بتمرير الإشارات الكهربائية ذات الترددات الواقعة فوق تردد معلوم يُسمى تردد القطع fc للمرشح. والتمرير هنا يكون مصاحباً بتخميد بسيط ومهملاً لهذه الإشارات، في حين تقوم بمنع الإشارات الكهربائية التي ترددها دون ذلك وصولاً إلى التردد صفر (الشكل 3- ب).

 

- مرشحات تمرير المجال  band- pass filter (BPF): يعمل هذا المرشح على تمرير الإشارات الكهربائية ضمن مجال محدد من الترددات، في حين يخمد أو يمنع كلاً من الإشارات ذات الترددات الأعلى والأدنى من ذلك؛ أي إن لهذا المرشح مجال منع منخفض ومجال منع عال (الشكل 3- ج).

 

- مرشحات منع المجال band-stop filter (BSF): يقوم هذا المرشح بمنع مرور مجال ترددي محدود في حين يمرر كلاً من الإشارات ذات الترددات العليا والدنيا خارج هذا المجال؛ أي إن لهذا المرشح مجالي تمرير منخفض وعال. (الشكل 3- د).

 

وهناك أيضاً إضافة إلى ذلك بعض المرشحات الخاصة التي يكون فيها شكل تابع النقل لها مختلفاً نسبياً عما ذكر، إذ يطلب من هذه المرشحات مواصفات تمرير خاصة ولتطبيقات خاصة مثل المرشح المشطي الذي يشبه شكل تابع النقل له بالمشط العادي.

 

2ـ أما من ناحية مكونات المرشح أو عناصره فقد صنفت المرشحات إلى نوعين رئيسيين:

 

 

- المقاومة الكهربائية: والتي يرمز لها بالحرف R، وتقاس بالأوم (Ω).

 

- الملف أو التحريضية: والتي يرمز لها بالحرف L، وتقاس بالهنري (H).

 

- المكثفة أو السعة: والتي يرمز لها بالحرف C وتقاس بالفاراد (F).

 

تتغير قيم ممانعة كلٍّ من الملف والمكثف للتيار الكهربائي اعتماداً على التردد، لذلك في معظم الأحيان نجد أن المرشح يحتوي على تشكيلة معينة من المكثفات C والملفات L فقط؛ وتسمى عندئذٍ بالمرشحات LC، أو قد تكون تشكيلة من المكثفات والمقاومات فقط فتسمى عندها بمرشحات RC، أو تكون تشكيلة من الملفات والمقاومات وتسمى عندها بمرشحات RL، أو قد تكون تشكيلة من المقاومات والمكثفات والملفات؛ وعندها تسمى بمرشحات RLC.

 

يستخدم أيضاً على نحو كبير نوع من المرشحات غير الفعالة التي تحتوي في تركيبها نوعاً خاصاً من مادة السيراميك ذا الخاصية الكهروضغطية ذات الاستقرار العالي والتي يؤدي العنصر منها دور حجرة رنين ميكانيكية، ومن ثم فإن الترددات الكهربائية التي سيمررها العنصر تعتمد أساساً على أبعاد هذا العنصر وسماكته والمادة المصنَّع منها. وقد استخدمت هذه المرشحات على نحو رئيسي مرشح تمرير مجال في أجهزة التلفزيون والفيديو والهاتف والمذياع «الراديو» ودارات التحكم عن بعد.

 

 

 

الشكل (4) بنية المرشح بالأمواج الصوتية السطحية

 

يستخدم في بعض التطبيقات الخاصة نوع غريب من المرشحات الإلكترونية تندرج تحت بند المرشحات الإلكترونية غير الفعالة، يعتمد مبدأ عملها على ما يسمى بالموجات الصوتية السطحية surface acoustic waves (SAW)، تحول فيها الإشارة الكهربائية إلى موجة فوق صوتية بالتردد نفسه، وتنتشر هذه الموجة على سطح قاعدة من مادة بلورية (كهروضغطية) خاصة وضمن شريحة فيلم رقيق معدني موضوع على هذا السطح له شكل خاص يحدد الترددات المطلوب تمريرها أو منعها، وفي نهاية مسار هذه الموجة الصوتية تحول من جديد إلى موجة إشارة كهربائية (الشكل 4). استخدمت مثل هذه التركيبة كثيراً في نظم الإرسال التلفزيوني وأجهزة الاتصالات الحديثة للحصول على استجابة ترددية معينة للإشارات ذات شكل خاص يصعب الحصول عليها بالشكل التقليدي للمرشحات.

 

ب - المرشحات الإلكترونية الفعالة active filters: يستخدم في هذا النوع من المرشحات عناصر إلكترونية فعالة، وهي أساساً عناصر تضخيم وتكبير للإشارة الكهربائية، مثل الترانزستور أو مكبر العمليات، إضافة إلى عناصر غير فعالة تقوم بتحديد الخواص الترددية للمرشح الفعال، وهي في معظم الأحيان عناصر المقاومة الكهربائية R والسعة الكهربائية C، وفي مثل هذه المرشحات يتم تجنب الملفات L التي تتصف بكبر الحجم نسبياً وصعوبة التعامل.

 

ظهر في مجال الدارات المتكاملة نوع جديد من المرشحات الإلكترونية الفعالة، سُميت بالمرشحات ذات المكثف المتقطع switched- capacitor filters، تمتاز هذه المرشحات بالدقة العالية واستخدامها لعناصر فعالة متكاملة على رقاقة إلكترونية واحدة (دارة متكاملة) مرتبطة مع عناصر غير فعالة (مكثفة أو مقاومة متكاملة) على الرقاقة نفسها. وتتحدد خصائص هذه المرشحات بعناصر بسيطة جداً من خارج الدارة المتكاملة، وتستخدم هذه المرشحات اليوم على نطاق واسع، ولها تطبيقات عديدة.

 

 

بعد التقدم الباهر في المجال الرقمي ومجال المعالجات الرقمية ظهرت في الوقت الحاضر ما يسمى بالمرشحات الرقمية digital filters، ويختلف تركيبها كلياً عن المرشحات التماثلية التقليدية لكنها تقوم بالوظيفة نفسها أو الوظائف نفسها المشار إليها سابقاً. والمرشحات الرقمية هي نظم إلكترونية رقمية متكاملة يوضح الشكل (5) مثالاً عنها يحتوي في تركيبه على كتل وظيفية أساسية أهمها دارة حساب خاصة أو وحدة معالجة رقمية تقوم بحساب الاستجابة الترددية المطلوبة من المرشح التي يمكن أن تكون في تركيبتها دارة حساب منطقية رقمية أو معالج صغري (ميكروي) أو حاسوب مصغر على مدخله ما يسمى بالمبدل التمثيلي الرقمي ADC الذي يقوم بتحويل الإشارات التمثيلية (الشكل التقليدي) إلى الشكل الرقمي؛ لتتناسب مع وحدة المعالجة الرقمية. أما على خرجه فيوجد مبدل رقمي تماثلي ADC يعيد القيم الرقمية إلى إشارة تماثلية من جديد، أي إلى شكلها التقليدي المتعارف عليه.

 

يُحصل على الاستجابة الترددية المطلوبة من المرشح باختيار مناسب لخوارزمية المعالجة الرقمية داخل دارة الحساب. وقد أدت المرشحات الرقمية إلى الحصول على خواص كان من غير الممكن الحصول عليها بالشكل التقليدي وبهذه الدقة العالية. ومما يميزها أيضاً عدم الحاجة إلى تغيير في بنيتها عندما يُراد تغيير خصائصها، ويكفي تغيير الخوارزمية والبرنامج ضمن وحدة المعالجة. أما عيبها فهو اعتمادها على عينات رقمية مأخوذة من الإشارة في فترات زمنية محددة ومتساوية؛ والتي تسمى بدور التقطيع، وهذا الدور لا يمكن إنقاصه إلى أقل من حد معين، ومن ثم يبقى مجال الترددات المستخدمة محدوداً ومتعلقاً على نحو أساسي بقيمة دور التقطيع.

 

وأخيراً، هناك أيضاً تصنيف للمرشحات نادراً ما يستخدم حسب شكل تابع النقل ونوعه: المرشحات الخطية والمرشحات غير الخطية.

 

 

تستخدم المرشحات تقريباً في جميع نظم الاتصالات أو النظم الكهربائية. فمثلاً تستخدم في نظم الصوتيات مُسِوياً صوتياً audio equalizer، وهو مجموعة من مرشحات تمرير المجال مختارة بعناية؛ لتغطي بمجملها المجال الترددي الصوتي الكلي، وبحيث يتغير الكسب في كل منها بوساطة مقاومة كهربائية تظهر في مقدمة الجهاز الصوتي. ويمكن بوساطة المسوي تمرير المجالات الترددية الموافقة لذوق المستمع وإضعاف الترددات التي لا يرغبها.

 

في مجال الهاتف تستخدم المرشحات على نحو رئيس لتحديد المجال الترددي المطلوب استخدامه في جهاز الهاتف أو في المقاسم الهاتفية، فهي تحدد الترددات المستخدمة من 300هرتز حتى 3400هرتز؛ ومما يؤلف نحو ربع المجال الصوتي المسموع. ويُفسر هذا الاختلاف الواضح في نغمة الصوت المسموع من خلال الهاتف عن الصوت الحقيقي. وتستخدم المرشحات في نظم الفاكس أو إرسال المعطيات كاشفاً للنغمة tone detector الحاملة لرموز المعطيات، ويكون ذلك بوساطة مرشحات تمرير، مجال كل منها متوافق مع نغمة خاصة مرسلة. ويكافئ ظهور أي إشارة على خرج أي من هذه المرشحات استقبال نغمة محددة، ومن ثم استقبال معطيات محددة من خلال هذه النغمة. أما في مجال الإرسال الراديوي فتقوم المرشحات بداية باختيار الإذاعة المطلوب الاستماع إليها  باستخدام مرشح تمرير مجال ومن بعدها تقوم المرشحات بفصل إشارة المعلومات عن الإشارة الراديوية الحاملة لها بما أنهما مختلفتان بالتردد. وأيضاً يمكن أن تقوم المرشحات بفصل الإشارة المرغوبة عن الضجيج المرافق لها noise reduction أو فصلها عن مجالات ترددية غير مرغوبة. وفي الإرسال التلفزيوني، تقوم المرشحات من البداية باختيار المجال الترددي الموافق للقناة التلفزيونية المطلوبة وتمرر هذه الإشارات إلى مرشحات أخرى تقوم بفصل إشارة الصورة عن إشارة الصوت بما أنهما بترددات متباعدة ومختلفة. وبعد ذلك تقوم المرشحات بمعالجة إشارة الصورة نفسها لاستخلاص إشارات الألوان المتضمنة فيها عند تحويل الإشارات الكهربائية الصوتية أو غيرها إلى الشكل الرقمي المنتشر في الوقت الحاضر. ولا بد من توافر مرشح تمرير ترددات منخفضة يقوم بمنع الترددات العالية والتي لا تنتمي إلى الإشارة الأصلية والتي تعد عامل ضجيج على الإشارة الأصلية. أما عند إرجاع الإشارة الرقمية إلى الشكل الأساسي التمثيلي فيستخدم أيضاً مرشح تمرير منخفض يقوم بعملية ترميم الإشارة في الفترات الزمنية بين العينات الرقمية المنفصلة.

 

تستخدم المرشحات الكهربائية في وحدات التغذية الكهربائية التي تولّد التيار المستمر فيها بغية إزالة ما يتبقى من تعرجات (ترددات كهربائية مختلفة) متراكبة على هذا التيار المستمر.